一种悬架系统双向馈能控制系统及方法与流程

本发明属于汽车的节能减排和行车安全领域，具体涉及液压式馈能悬架与主动式横向稳定杆的控制系统及方法。

背景技术：

汽车悬架系统作为连接车架和车轮的传力装置，典型悬架系统包括弹性元件、减振器、稳定杆和橡胶衬垫等，对缓冲路面冲击和衰减振动发挥着重要作用。作为传递力和扭矩的悬架系统决定了行车的平顺性、安全性和操控稳定性。

半主动悬架或主动悬架都需要车辆系统提供一定的能源，尤其是主动悬架，所需的能源非常大，而且汽车在路面行驶的情况下，悬架发生频繁地往复运动，存有机械能的损耗，因此，馈能式悬架技术也应运而生。其利用悬架的机械式的往复运动带动发电机给馈能回路供能，通过负载的调节可以改变减振器的阻尼力以实现相应工况下的理想悬架性能。在能源节约方面，这的确是降低了能量消耗，且存储了额外的电能，但是在较多的专利技术中，也仅仅是将这部分的能量利用局限在减振器的阻尼特性的控制，还没有与其它装置进行电路耦合的控制。

此外，车辆侧倾是影响舒适性、操控稳定性等的重要因素之一，传统的被动式横向稳定杆因其固有的力学特性在多种形式工况下不能发挥最大性能。之后也有了半主动式或主动式横向稳定杆，虽然保证了一定的悬架的优越性能，但是同样地，此类装置中的执行机构(如作动器等)需要额外能源供应。

在对车辆的动力学控制方面，存有不少对悬架可调减振器与横向稳定杆的集成控制的研究，但是没考虑到两者间电路耗能的耦合关系。

馈能式半主动悬架及其电路设计已得到不少研究人员的研究与专利申请，主动式横向稳定杆及其动力学控制方法的相关论文与专利也得到广泛发表，但是馈能式半主动悬架产生的电能仅仅是存储在电池或电容，用于下一阶段中悬架阻尼特性的调节。而主动横向稳定杆的动力源也需要外加供能装置，因此，即便是有不少关于减振器与横向稳定杆在动力学方面的集成控制研究，但在能量的利用方面是各自独立的，在节能方面依旧没有达到理想的结果。

技术实现要素：

为了克服已有悬架系统控制方式的无法兼顾操控性能、行驶平顺性和节能性的不足，本发明提供一种既能保证车辆的操控性能、行驶平顺性、同时具有良好节能性的悬架系统双向馈能控制系统及方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种悬架系统双向馈能控制系统，所述控制系统包括左桥式整流模块ls、右桥式整流模块rs、左第一dc-dc调压模块ls-rod、右第一dc-dc调压模块rs-rod、左第二dc-dc调压模块rod-ls、右第二dc-dc调压模块rod–rs、双电容充放电切换电路、馈能转换器、桥式整流模块rod和横向稳定杆作动器驱动电路，所述左桥式整流模块ls分别与左第一dc-dc调压模块、左第二dc-dc调压模块rod–ls连接，所述右桥式整流模块rs分别与右第一dc-dc调压模块rs-rod、右第二dc-dc调压模块rod–rs连接，所述左第一dc-dc调压模块、右第一dc-dc调压模块rs-rod均与所述双电容充放电切换电路连接，所述左第二dc-dc调压模块rod-ls、右第二dc-dc调压模块rod–rs均与所述桥式整流模块rod连接，所述双电容充放电切换电路、桥式整流模块rod均与所述馈能转换器连接，所述馈能转换器与所述横向稳定杆作动器驱动电路双向连接。

进一步，左右两侧悬架的无刷直流电机时输出端分别与左桥式整流模块ls与右桥式整流模块rs连接。

再进一步，馈能悬架为油液式馈能半主动悬架，所述油液式馈能半主动悬架包括非簧载质量、簧载质量、弹簧和油液式减振器，所述非簧载质量、簧载质量之间设有弹簧和油液式减振器，所述非簧载质量位于车轮上，所述油液式减振器的油液管路上设置液压马达，所述液压马达通过传动轴与无刷直流电机连接。

一种悬架系统双向馈能控制系统实现的方法，左右两侧悬架的无刷直流电机产生的交流电各自通过桥式整流模块ls与桥式整流模块rs得到直流电；当无刷直流电机向横向稳定杆作动器进行馈能时，已经过整流模块整流得到的直流电再经过各自的dc-dc调压模块ls-rod与dc-dc调压模块rs-rod进行调压，之后在双电容充放电切换电路中将两个电压进行正负连接串联，所述双电容充放电切换电路包括两个超级电容，当其中一个电容为横向稳定杆作动器驱动电路供电时，另一个电容进行充电，关于充放电的控制则交由内部的独立控制单元完成；在超级电容向驱动电路供电的回路中还通过馈能转换器，所述馈能转换器为开关控制电路，实现两个馈能回路的切换；

当横向稳定杆进行主动控制时，对驱动电路放电，作动器通过减速装置后以实现车辆稳定行驶所需的反倾力矩；在受到系统控制单元的控制作用下，当横向稳定杆作动器向无刷直流电机进行馈能时，馈能转换器切换到该回路，此时无刷直流电机向横向稳定杆作动器馈能回路便是处于断开状态；同样地，经过桥式整流模块rod进行整流后得到直流电，然后经过dc-dc调压模块rod-ls与dc-dc调压模块rod-rs，无刷直流电机由于悬架的运动会产生感应电动势，实时改变油液式减振器的阻尼力，通过改变整流模块端口的加载电压实现无刷直流电机的电磁扭矩改变即油液式减振器阻尼力的改变。

本发明的技术构思为：本发明的“双向馈能”控制思想便是很好弥补了这一缺陷：馈能式减振器在路面输入的情况下总是会有电能产生，通过馈能方向的转换实现悬架的“软”“硬”调节，当主动式横向稳定杆需要进行供能主动控制时，作为负载，其所需的能量源自减振器的振动，而减振器馈能回路中负载会使得无刷直流电机的电磁扭矩增加从而使得悬架表现“硬”特性；当主动式横向稳定杆的作动器处于被动状态时，横向稳定杆的扭转运动让作动器馈能，其产生的感应电动势在馈能减振器的馈能回路中会使得5无刷直流电机的电磁扭矩减小从而使得悬架表现“软”特性。因此，本发明能够最大程度地节约能量，同时也满足两者在动力学上的协调控制。

本发明的有益效果主要表现在：既能保证车辆的操控性能、行驶平顺性、同时具有良好节能性。

附图说明

图1是1/4车身悬架示意图，其中，1、路面；2、轮胎刚度k；3、非簧载质量mw；4、传动轴；5、无刷直流电机；6、液压马达；7、油液管路；8、簧载质量mb；9、弹簧刚度kt；10、油液式减振器。

图2是悬架双向馈能控制系统示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。

参照图1和图2，一种悬架系统双向馈能控制系统，所述控制系统包括左桥式整流模块ls、右桥式整流模块rs、左第一dc-dc调压模块ls-rod、右第一dc-dc调压模块rs-rod、左第二dc-dc调压模块rod-ls、右第二dc-dc调压模块rod–rs、双电容充放电切换电路、馈能转换器、桥式整流模块rod和横向稳定杆作动器驱动电路，所述左桥式整流模块ls分别与左第一dc-dc调压模块、左第二dc-dc调压模块rod–ls连接，所述右桥式整流模块rs分别与右第一dc-dc调压模块rs-rod、右第二dc-dc调压模块rod–rs连接，所述左第一dc-dc调压模块、右第一dc-dc调压模块rs-rod均与所述双电容充放电切换电路连接，所述左第二dc-dc调压模块rod-ls、右第二dc-dc调压模块rod–rs均与所述桥式整流模块rod连接，所述双电容充放电切换电路、桥式整流模块rod均与所述馈能转换器连接，所述馈能转换器与所述横向稳定杆作动器驱动电路双向连接。

进一步，左右两侧悬架的无刷直流电机时输出端分别与左桥式整流模块ls与右桥式整流模块rs连接。

再进一步，馈能悬架为油液式馈能半主动悬架，所述油液式馈能半主动悬架包括非簧载质量、簧载质量、弹簧和油液式减振器，所述非簧载质量、簧载质量之间设有弹簧和油液式减振器，所述非簧载质量位于车轮上，所述油液式减振器的油液管路上设置液压马达，所述液压马达通过传动轴与无刷直流电机连接。

一种悬架系统双向馈能控制系统实现的方法，左右两侧悬架的无刷直流电机产生的交流电各自通过桥式整流模块ls与桥式整流模块rs得到直流电；当无刷直流电机向横向稳定杆作动器进行馈能时，已经过整流模块整流得到的直流电再经过各自的dc-dc调压模块ls-rod与dc-dc调压模块rs-rod进行调压，之后在双电容充放电切换电路中将两个电压进行正负连接串联，所述双电容充放电切换电路包括两个超级电容，当其中一个电容为横向稳定杆作动器驱动电路供电时，另一个电容进行充电，关于充放电的控制则交由内部的独立控制单元完成；在超级电容向驱动电路供电的回路中还通过馈能转换器，所述馈能转换器为开关控制电路，实现两个馈能回路的切换；

当横向稳定杆进行主动控制时，对驱动电路放电，作动器通过减速装置后以实现车辆稳定行驶所需的反倾力矩；在受到系统控制单元的控制作用下，当横向稳定杆作动器向无刷直流电机进行馈能时，馈能转换器切换到该回路，此时无刷直流电机向横向稳定杆作动器馈能回路便是处于断开状态；同样地，经过桥式整流模块rod进行整流后得到直流电，然后经过dc-dc调压模块rod-ls与dc-dc调压模块rod-rs，无刷直流电机由于悬架的运动会产生感应电动势，实时改变油液式减振器的阻尼力，通过改变整流模块端口的加载电压实现无刷直流电机的电磁扭矩改变即油液式减振器阻尼力的改变。

本发明采用的馈能悬架采用的是油液式馈能半主动悬架，其1/4车身悬架示意图如图1所示。

当车辆行驶的过程中，悬架会发生往复式运动，非簧载质量3mw和簧载质量8mb的相对运动致使油液式减振器10发生往复式伸缩运动，油液管路7中的油液发生来回流动，并带动液压马达6频繁地正反转，通过传动轴4带动无刷直流电机5转动产生感应电动势。

由于无刷直流电机5产生的交流电还须通过后续电路进行处理才能被利用，悬架双向馈能控制系统示意图所示。

本发明的控制方法以横向半车模型为参考，车辆左侧的前后悬架统一以“ls”表示；同理右侧的前后悬架统一以“rs”表示；横向稳定杆则以“rod”表示。此外，本发明中的横向稳定杆默认只在前悬架安装，其采用永磁直流电机作为作动器，在无外接电源的情况下，横向稳定杆的扭转同样会使得电机产生感应电动势。电气连接等细节如图2所示。

电气连接：左右两侧悬架的无刷直流电机5产生的交流电各自通过桥式整流模块ls与桥式整流模块rs得到直流电。本发明中的“双向馈能”指的是无刷直流电机5向横向稳定杆作动器馈能与横向稳定杆作动器向无刷直流电机5进行馈能。当无刷直流电机5向横向稳定杆作动器进行馈能时，已经过整流模块整流得到的直流电再经过各自的dc-dc调压模块ls-rod与dc-dc调压模块rs-rod进行调压，其功能主要：①防止由于悬架低频或缓速运动导致的后面电容充电进入“死区”；②防止由于悬架的高频或高速运动出现的瞬间高感应电动势而击穿电容。之后，在双电容充放电切换电路中将两个电压进行正负连接串联，该电路的核心元件为两个超级电容，主要功能是当其中一个电容为横向稳定杆作动器驱动电路供电时，另一个电容进行充电，关于充放电的控制则交由内部的独立控制单元完成。在超级电容向驱动电路供电的回路中还须通过馈能转换器，其本质为开关控制电路，实现两个馈能回路的切换。当横向稳定杆进行主动控制时，对驱动电路放电，作动器通过减速装置后以实现车辆稳定行驶所需的反倾力矩。在受到系统控制单元的控制作用下，当横向稳定杆作动器向无刷直流电机5进行馈能时，馈能转换器切换到该回路，此时无刷直流电机5向横向稳定杆作动器馈能回路便是处于断开状态。同样地，经过桥式整流模块rod进行整流后得到直流电，然后经过dc-dc调压模块rod-ls与dc-dc调压模块rod-rs，这两个调压模块相比以上的dc-dc调压模块ls-rod与dc-dc调压模块rs-rod，还能实现升压比或降压比的连续变化为得到后面端口所需的电压，5无刷直流电机由于悬架的运动必然会产生感应电动势(假设未进入到“死区”)，为了提高悬架的性能指标，须实时改变10油液式减振器的阻尼力，通过改变整流模块端口的加载电压(dc-dc调压模块输出电压)便可实现5无刷直流电机的电磁扭矩改变即10油液式减振器阻尼力的改变。

控制原理与实现：本发明的“双向馈能”控制原理基于车辆的行驶工况：①当车辆中速或高速行驶在弯道上应满足必要的操控稳定性，因此对侧倾运动与前后悬架横向载荷转移的控制显的尤为关键。由于路面的输入使得悬架不间断运动并馈能，主动式横向稳定杆进行控制时便作为负载接入到减振器的馈能回路，使得无刷直流电机5的电磁扭矩增加从而使得减振器表现“硬”力学特性。通过横向稳定杆的主动控制(内部电机电磁扭矩的输出变化)抑制车辆的侧倾运动，结合减振器的“硬”特性同时也影响到两侧车轮的横向载荷转移的变化，实现接近于中性转向的不足转向特性，此外基于系统所采集的车辆的物理信息判断车辆的运动状态实时调整悬架特性，让车辆快速进入稳态转向。②当车辆行驶在颠簸路面上或低速过弯时应以平顺性为追求目标，此时横向稳定杆不进行主动控制，处于被动状态，当横向稳定杆发生频繁扭转时带动内部的作动器产生电能，并最终用于油液式馈能减振器10阻尼力的调节。此种情况下，减振器和横向稳定杆均以“软”力学特性进行工作。

车速传感器采集车辆的行驶速度；振动加速度传感器采集各车轮上方8簧载质量mb的振动加速度信息；陀螺仪采集车辆的侧倾角或侧倾角速度与侧向加速度等信息；光电编码器采集方向盘的转角信息。上述传感器将采集到的信息经过信号处理单元进行处理后传送给一级控制器，其功能是辨识出车辆的运动状态从而对馈能方向进行决策。具体地，一级控制器控制馈能转换器进行馈能方向的转换，同时将决策信息传送给三个二级控制器分别为：ls、rs与rod，前两个控制器各自均对两个dc-dc调压模块进行控制，根据一级控制器的决策信息做出对两个dc-dc调压模块的控制选择，其中两者的控制方法不同。二级控制器rod则是对横向稳定杆作动器驱动电路进行开关控制与调节控制，实现作动器的主动控制通断与输出电磁扭矩的改变等功能，为满足悬架系统性能要求。