一种电磁馈能式车辆主动悬架作动器及其控制方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于汽车悬架系统技术领域，具体涉及一种电磁馈能式车辆主动悬架作动 器及其控制方法。
【背景技术】
[0002] 车辆悬架性能的好坏直接影响车辆的乘坐舒适性、行驶安全性。随着人们对车辆 舒适性和安全性的要求越来越高，由于传统被动悬架是以摩擦的形式将振动能量转变为热 能耗散掉，从而产生阻尼力来衰减汽车的振动，其刚度阻尼等参数一旦确定是固定不变的， 不能随着车辆行驶工况的改变而实时变化，只能保证汽车在一种特定的道路状态和行驶速 度下达到最佳性能，而同时又必须兼顾平顺性和操纵稳定性要求，所以，只能确定一个尽量 满足各方面要求的折中方案，这就使汽车行驶平顺性和乘坐舒适性受到了一定的影响。显 然，传统的被动悬架己经不能满足人们的需求，这就需要一种新型的车辆悬架，而主动悬架 的诞生洽洽能够满足这种需要。
[0003] 主动悬架是一个由传感器和有源控制器组成的闭环控制系统，根据车辆的运动状 况和路面状况主动做出反应，来抑制车身的振动和摆动，该悬架既无固定的刚度又无固定 的阻尼系数，可以随着道路条件的变化和行驶需要的不同要求而自动地改变弹簧刚度和减 振器阻尼系数，适时地调节悬架的参数，使悬架始终处于最佳的减振状态和行驶姿态。
[0004] 主动悬架系统的核心关键部件一一作动器，它协同传感器和控制器共同组成振动 主动控制系统，其作用是将控制器输出的电量等信号转变为应变、位移、力等机械量，以实 现对控制对象的应变驱动、位移驱动、力驱动的目的。其性能的优劣对车辆主动悬架控制的 实现起着决定性的作用，所以日益得到研究者们的高度重视。目前，对于主动悬架作动器的 研究大致分为三类，一是空气主动悬架作动器，二是液压主动悬架作动器，三是电磁主动悬 架作动器，而空气和液压作动器都存在着结构复杂、泄漏密封、重量重和成本高及安全可靠 性等诸多方面的问题，为保证主动悬架的良好性能，作动器必须具有灵敏度高、稳定可靠、 能耗低、位移大等特点，而随着电磁学理论的不断完善以及大功率电子器件性能的不断提 升，同时其价格也日趋低廉，采用电磁方式来实现主动悬架力发生器，正好满足了以上要 求，并已经取得了良好的效果。尤其是电磁直线作动器有很多优点：简单结构紧凑、响应时 间短、控制精度高、无接触摩擦、无润滑、适应频带宽、输出位移和输出力较大、可控性好，与 此同时，电磁主动悬架还具有将能量回收的潜力，这也与当前提倡的"节能、环保"这一主题 相吻合。
[0005] 但是，现有技术中的能量自供式主动悬架作动器还存在结构复杂、响应慢、可靠性 差、能耗大、成本高等缺陷，而且，尤其是当作动器失效时，既不能实现提高车辆乘坐舒适 性、操作稳定性的目标，反而又可能使行驶情况恶化，鉴于此，设计了一种新型的电磁直线 作动器，不仅能发挥一般电磁作动器的作用，而且，当作动器失效时，可以起到被动减振器 的作用，从而衰减由地面不平经车轮传至车身的振动，可谓一举两得。
[0006] 例如申请号为201210266690.6的中国专利公开了一种电磁悬架，该电磁悬架提供 一种电磁悬架装置，其采用在定子的外周侧配置绕组并且在转子的内周侧配置永磁铁的线 性电动机，在第一活塞杆与第二活塞杆之间的间隙部配置配线。由此，避免配线与第二活塞 杆的接触，保护配线。其结果是，能够确保电磁悬架装置的电气系统的可靠性。但该发明没 有考虑到当电磁作动器发生失效时，悬架性能将会变得非常的恶劣，整车的操稳性和平顺 性变差，严重时会影响行驶安全性;而且没有考虑在提高平顺性的情况下尽可能的达到馈 能节能这一主题。
[0007] 另外，现有技术中的能量自供式主动悬架作动器的控制方法往往偏重主动悬架的 某一方面性能，没有综合能量自供式主动悬架作动器的总体性能，导致作动器在工作过程 中主动控制效果不明显，在能量回馈模式与主动控制模式之间转换速度过于频繁，造成系 统严重的迟滞效应，对蓄电池的寿命也有较大的影响;而且，现有技术中对作动器的控制方 法还有待改善，现有技术还不能够使主动悬架处于最佳的减振状态。
【发明内容】
[0008] 本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种结构简 单、实现方便且成本低、馈能效率高、能够有效地延长车载蓄电池的使用寿命、工作稳定性 和可靠性高、实用性强的电磁馈能式车辆主动悬架作动器。
[0009] 为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种电磁馈能式车辆主动悬架 作动器，其特征在于:包括作动器本体和作动器控制器，所述作动器本体包括电磁式直线电 机模块和可变阻尼减振器模块，所述电磁式直线电机模块包括初级线圈、初级铁芯片和次 级活塞杆，所述可变阻尼减振器模块包括减振器活塞杆、活塞、活塞筒和阻尼油，所述活塞 筒的上部连接有活塞筒上端盖，所述活塞筒的下部连接有活塞筒下端盖和下吊耳，所述减 振器活塞杆穿过活塞筒上端盖伸入活塞筒内部，所述减振器活塞杆为内部中空的活塞杆， 所述初级铁芯片的数量为多个且从上到下均匀布设在减振器活塞杆的内壁上，所述初级线 圈缠绕在多个初级铁芯片之间的间隙内，所述减振器活塞杆的上端连接有活塞杆上端盖， 所述活塞杆上端盖上连接有上吊耳，所述减振器活塞杆的下端连接有活塞杆下端盖，所述 次级活塞杆的下端连接在活塞筒下端盖上，所述次级活塞杆的上端穿过活塞杆下端盖伸入 到减振器活塞杆内中上部，所述次级活塞杆的外表面上包裹有铜皮，所述活塞筒内部套装 有下端抵在活塞筒下端盖顶部、上端位于活塞筒中部的套筒，所述套筒的顶部设置有卡合 连接在活塞筒内部且套装在减振器活塞杆上的下密封圈，所述活塞筒上端盖的底部设置有 卡合连接在活塞筒内部且套装在减振器活塞杆上的上密封圈，所述阻尼油填充在活塞筒 内上密封圈与下密封圈之间的空间内，所述活塞套装在减振器活塞杆上且位于活塞筒内上 密封圈与下密封圈之间的空间内，所述活塞上设置有供阻尼油通过的节流孔，所述活塞上 转动连接有节流孔大小调节阀片，所述活塞上固定连接有用于带动节流孔大小调节阀片转 动的节流孔大小调节电机，所述节流孔大小调节电机的输出轴上固定连接有第一齿轮，所 述节流孔大小调节阀片上设置有与第一齿轮啮合的齿;所述作动器控制器的输入端接有用 于对作动器的输入电流进行检测的电流传感器、用于对作动器受力大小进行检测的力传感 器、用于对减振器活塞杆速度大小进行检测的速度传感器、用于对簧载质量位移进行检测 的簧载质量位移传感器和用于对非簧载质量位移进行检测的非簧载质量位移传感器，所述 活塞筒的外壁上设置有控制盒，所述作动器控制器设置在控制盒内，所述控制盒内还设置 有整流器、用于为车载蓄电池充电的蓄电池充电电路和用于为初级线圈提供稳定的输入电 流的可控恒流源电路，所述蓄电池充电电路接在整流器与车载蓄电池之间，所述可控恒流 源电路与车载蓄电池的输出端和作动器控制器的输出端连接，所述初级线圈与可控恒流源 电路的输出端连接，所述整流器的输入端与初级线圈连接。
[0010] 上述的一种电磁馈能式车辆主动悬架作动器，其特征在于:所述上吊耳与活塞杆 上端盖螺纹连接。
[0011] 上述的一种电磁馈能式车辆主动悬架作动器，其特征在于:所述次级活塞杆的下 端螺纹连接在活塞筒下端盖上。
[0012] 上述的一种电磁馈能式车辆主动悬架作动器，其特征在于:所述活塞通过螺栓与 减振器活塞杆固定连接。
[0013] 本发明还提供了一种能够适时地调节主动悬架的参数、使主动悬架处于最佳的减 振状态、能够更好地凸显作动器在工作过程中的主动控制效果的对电磁馈能式车辆主动悬 架作动器进行控制的方法，其特征在于该方法包括以下步骤：
[0014] 步骤I、电流传感器对作动器的输入电流进行实时检测，力传感器对作动器的受力 进行实时检测，速度传感器对减振器活塞杆的速度进行实时检测，簧载质量位移传感器对 簧载质量位移进行实时检测，非簧载质量位移传感器对非簧载质量位移进行实时检测;作 动器控制器对作动器的输入电流信号、作动器的受力、减振器活塞杆的速度、簧载质量位移 和非簧载质量位移进行周期性采样；
[0015] 步骤Π 、首先，作动器控制器根据公式P1 = I12R计算得到第i次采样时的作动器当 前功率值?:，其中，I1为第i次采样得到的作动器的输入电流，R为初级线圈的电阻值，i的取 值为自然数;接着，作动器控制器根据公式P 2 = F1V1计算得到第i次采样时的作动器所需功 率值P2,其中，F 1为第i次采样得到的作动器的受力,V1为第i次采样得到的减振器活塞杆的 速度;然后，作动器控制器比较第i次采样时的作动器当前功率值Pi与作动器所需功率值P 2， 当POPdt，所述作动器控制器不输出对可控恒流源电路的控制信号，所述车辆主动悬架作 动器工作在馈能模式下，具体的工作过程为：首先，所述作动器控制器根据公式
计算得到第i次采样时的簧载质量速度f，根据公式
计算得到 第i次采样的簧载质量速度K所对应的天棚控制下的阻尼力Fsky1,并通过控制节流孔大小 调节电机的转动角度对节流孔大小进行调节，使Fi = Fsky1，实现作动器的半主动控制，其中， 尤为第i次采样得到的簧载质量位移，A11为第i-Ι次采样得到的簧载质量位移，t为时间， Csky为天棚控制阻尼系数;然后，车身振动带动上吊耳运动，上吊耳带动减振器活塞杆、活 塞、初级线圈和初级铁芯片共同运动，从而使初级线圈与次级活塞杆发生相对运动，初级线 圈切割磁感线产生感应电动势，产生的感应电动势通过整流器整流后，再经过蓄电池充电 电路给车载蓄电池充电；当POP 2时，所述作动器控制器根据模糊PID控制的方法对其采样得 到的簧载质量位移和非簧载质量位移进行分析处理，得到作动器需要的输入电流并控制可 控恒流源电路的输出电流为作动器需要的输入电流，所述车辆主动悬架作动器工作在主动 耗能模式下，具体的工作过程为:所述作动器控制器控制节流孔大小调节电机转动，节流孔 大小调节电机带动节流孔大小调节阀片转动，使所述节流孔完全打开，阻尼油的阻尼力变 为最小，所述电磁式直线电机模块中的减振器活塞杆上下运动时，带动活塞、初级线圈和初 级铁芯片共同运动，并将运动产生的主动响应位移和力通过上吊耳传递给车身。
[0016] 上述的方法，其特征在于:步骤Π 中所述作动器控制器根据模糊PID控制的方法对 其采样得到的簧载质量位移和非簧载质量位移进行分析处理，得到作动器需要的输入电流 的具体过程为：
[0017] 步骤一、作动器控制器根据公式
对其第i次采样得到的簧载质量位移 A和非簧载质量位移·^作差，得到第i次采样时系统簧载质量位移与非簧载质量位移的偏 差ei;
[0018] 步骤二、作动器控制器根据公式
对第i次采样时系统簧载质量位移与非簧 载质量位移的偏差&求导，得到第i次采样时系统簧载质量位移与非簧载质量位移的偏差& 随时间t的变化率
[0019] 步骤三、作动器控制器根据公式￡; 对第i次采样时系统簧载质量位移与非 簧载质量位移的偏差&进行量化，得到偏差&的量化量E 1;其中，和为第i次采样时系统簧 载质量位移与非簧载质量位移的偏差^的量化因子，<的取值方法为：当i = l时，
当 i>l 且 |ei|〈0.02 时，
；当1>1 且 0.02S |ei| <0.04 时，
;当1>1且I ei I >0.04时，
偏差ei的量化量Ei的论域为
[-7,7]；
[0020] 步骤四、作动器控制器根据公式
对第i次采样时系统簧载质量位移与非 簧载质量位移的偏差ei随时间t的变化率ei进行量化，得到偏差ei随时间t的变化率< 的量 化量戌;其中，夂〗为第i次采样时系统簧载质量位移与非簧载质量位移的偏差&随时间t的 变化率^的量化因子，的取值
偏差?随时间/的变化率 <.的量化量#的论域为[-7，7 ];
[0021] 步骤五、作动器控制器对偏差&的量化量E1按照四舍五入的方法进行整数化，得到 偏差&的量化量整数化结果哀，并将偏差 ei的量化量E1的整数化结果ξ:作为模糊控制 的第一个输入E/ ;
[0022] 步骤六、作动器控制器对偏差&随时间t的变化率< 的量化量4按照四舍五入的方 法进行整数化，得到偏差ei随时间t的变化率^的量化量的整数化结果蜀作为模糊控制 的第二个输入巧；
[0023] 步骤七、作动器控制器根据模糊PID控制的第一个输入E/和模糊控制的第二个输 入蜀,查询存储在作动器控制器内部存储器中的由作动器控制器预先制定好的模糊控制查 询表，得到第i次采样时模糊控制部分的输出AK Pi、AKii、AKdi，即第i次采样时PID控制部 分的比例参数的动态调整量△ Kpi、积分参数的动态调整量△ Kii和微分参数的动态调整量 AKdi;
[0024] 步骤八、作动器控制器根据公式
对第i次采样时PID控 制部分比例参数的动态调整量△ Kpi、积分参数的动态调整量△ Kii和微分参数的动态调整 量Δ KcU进行整定，得到第i次采样时PID控制部分的比例控制参数KP(i)、积分控制参数Ki (i)和微分控制参数Kd(i);其中，KP(i-Ι)为第i-Ι次采样时控制PID控制部分的比例控制参 数，Ki(i-l)为第i-Ι次采样时控制PID控制部分的积分控制参数，Kd(i-l)为第i-Ι次采样时 控制PID控制部分的微分控制参数，q P为PID控制部分的比例控制参数的校正速度量且qP的 取值为1~l〇，qi为PID控制部分的积分控制参数的校正速度量且取值为1~10，q D为PID 控制部分的微分控制参数的校正速度量且qi的取值为1~1 〇 ;
[0025] 步骤九、作动器控制器根据公式
计算得到 作动器需要的输入电流Ki)，即作动器控制器控制可控恒流源电路的输出电流Ki);其中， k为0~i的自然数。
[0026 ]上述的方法，其特征在于：步骤七中所述作动器控制器预先制定模糊控制查询表 的过程为：
[0027] 步骤701、簧载质量位移传感器对簧载质量位移进行实时检测，非簧载质量位移传 感器对非簧载质量位移进行实时检测;作动器控制器对簧载质量位移和非簧载质量位移进 行周期性采样；
[0028] 步骤702、作动器控制器根据公式
对其第i次采样得到的簧载质量位移 和非簧载质量位移尤作差，得到第i次采样时系统簧载质量位移与非簧载质量位移的偏 差ei;其中，i的取值为自然数；
[0029] 步骤703、作动器控制器根据公式
对第i次采样时系统簧载质量位移与非簧 载质量位移的偏差&求导，得到第i次采样时系统簧载质量位移与非簧载质量位移的偏差& 随时间t的变化率
[0030] 步骤704、作动器控制器根据公式乓=AXg对第i次采样时系统簧载质量位移与 非簧载质量位移的偏差&进行量化，得到偏差&的量化量E 1;其中，以为第i次采样时系统簧 载质量位移与非簧载质量位移的偏差^的量化因子，<的取值方法为：当i = l时，
当 i>l 且 |ei|〈0.02 时，
当 i>l 且 0.02S |ei| <0.04 时，
:当i>l且I ei I >0.04时，
偏差ei的量化量Ei的论域为
[-7,7]；
[0031] 步骤705、作动器控制器根据公式式=V对第i次采样时系统簧载质量位移与 非簧载质量位移的偏差^随时间t的变化率 < 进行量化，得到偏差ei随时间t的变化率 < 的 量化量〇其中，^^为第i次采样时系统簧载质量位移与非簧载质量位移的偏差M随时间t 的变化率e；；的量化因子，和的取值方法为：当i = 1时，
当i>l且
偏差ei随时间t的变化率 < 的量化量^的论域为[_7,7];
[0032]步骤706、作动器控制器对偏差&的量化量E1进行模糊化处理，其具体过程如下： [0033]步骤7061、定义偏差ei的量化量Ei的模糊状态集合为{正大、正中、正小、零正、零 负、负小、负中、负大};将偏差&的量化量模糊状态集合定义为8段模糊集合，与现有技 术中常用的7段模糊集合{正大、正中、正小、零、负小、负中、负大}相比，能够更好地刻画在 零附近误差及其变化率的情况。
[0034]步骤7 0 6 2、作动器控制器根据偏差e i的量化量E i的三角形隶属函数
计算得到偏差&的量化量E1对应的模糊状态的隶 属度值trimf(Ei，a1，b1，C1)，并根据最大隶属度原则确定偏差 ei的量化量Ei对应的模糊状 态，且当偏差ei的量化量E1在两种不同的模糊状态下对应的隶属度值相等时，选取小于偏差 ei的量化量匕的数据对应的模糊状态为偏差&的量化量匕对应的模糊状态;其中，ai为偏差 ei的量化量Ei的三角形隶属函数对应的三角形底边左顶点的横坐标，bi为偏差ei的量化量Ei 的三角形隶属函数对应的三角形底边右顶点的横坐标，C1为偏差ei的量化量Ei的三角形隶 属函数对应的三角形上部顶点的横坐标;当模糊状态为正大时，ai = 5，bi = 7,ci = 9;当模糊 状态为正中时，ai = 3，bi = 5，ci = 7;当模糊状态为正小时，ai = l，bi = 3，ci = 5;当模糊状态 为正零时，ai = _l，bi = l，ci = 3;当模糊状态为负零时，ai = -3，bi = _l，ci = l;当模糊状态为 负小时，ai = -5，bi = -3，ei = -1;当模糊状态为负中时，ai = -7，bi = -5，Ci = -3;当模糊状态 为负大时，ai = -9，bi = -7，ci = _5;
[0035] 步骤707、作动器控制器对偏差ei随时间t的变化率 < 的量化量< 进行模糊化处理， 其具体过程如下：
[0036] 步骤7071、定义偏差出随时间t的变化率^的量化量的模糊状态集合为{正大、正 中、正小、零正、零负、负小、负中、负大};
[0037] 步骤7072、作动器控制器根据偏差ei随时间t的变化率 < 的量化量式的三角形隶属 函数
计算得到偏差ei随时间t的变化率< 的量 化量成对应的模糊状态的隶属度值
并根据最大隶属度原则确定偏差el 随时间t的变化率4的量化量勾对应的模糊状态，且当偏差el随时间t的变化率4的量化量 ￡：在两种不同的模糊状