一種基于天棚控制算法的懸掛控制系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種基于天棚控制算法的懸掛控制系統(tǒng)，包括車輛狀態(tài)傳感器、數(shù)據(jù)采集器、工控機、磁流變減振器、電機驅動器和伺服電機，所述車輛狀態(tài)傳感器用于檢測車輛狀態(tài)數(shù)據(jù)；所述數(shù)據(jù)采集器用于對車輛狀態(tài)傳感器進行采集以獲得車輛狀態(tài)數(shù)據(jù)；所述工控機根據(jù)所述車輛狀態(tài)數(shù)據(jù)對電機驅動器和程控電流源進行控制，所述電機驅動器產(chǎn)生一驅動力帶動所述伺服電機反饋作用于懸掛系統(tǒng)的主動懸架，所述程控電流源產(chǎn)生一控制電流使得磁流變減振器產(chǎn)生一阻尼力反饋作用于懸掛系統(tǒng)的半主動懸架。本發(fā)明能夠提高車體行駛平順性和乘坐舒適性。
【專利說明】
一種基于天棚控制算法的懸掛控制系統(tǒng)
技術領域
[0001] 本發(fā)明涉及減振控制技術領域，特別是涉及一種基于天棚控制算法的懸掛控制系 統(tǒng)。
【背景技術】
[0002] 車體與車輪間的動力懸架是車輛的重要構成部分。懸架性能的好壞將會直接影響 到車輛在行駛過程中的行駛安全性、乘坐舒適性和操縱穩(wěn)定性。傳統(tǒng)的被動懸架由阻尼系 數(shù)和剛度不可變的阻尼元件和彈性元件構成，被動懸掛系統(tǒng)在構建前需要設定好阻尼系數(shù) 和剛度。由于參數(shù)設定好后不具可調性，僅僅能夠適應一定工況下的振動，對多變的行駛路 況適應能力很差。主動懸架和半主動懸架結合使用可以根據(jù)具體的路面情況選擇合適的懸 架進行調節(jié)，具有適應能力強、控制性能好、容錯性好等特點。

【發(fā)明內容】

[0003] 本發(fā)明所要解決的技術問題是提供一種基于天棚控制算法的懸掛控制系統(tǒng)，提高 車體行駛平順性和乘坐舒適性。
[0004] 本發(fā)明解決其技術問題所采用的技術方案是:提供一種基于天棚控制算法的懸掛 控制系統(tǒng)，包括車輛狀態(tài)傳感器、數(shù)據(jù)采集器、工控機、磁流變減振器、電機驅動器和伺服電 機，所述車輛狀態(tài)傳感器用于檢測車輛狀態(tài)數(shù)據(jù);所述數(shù)據(jù)采集器用于對車輛狀態(tài)傳感器 進行采集以獲得車輛狀態(tài)數(shù)據(jù);所述工控機根據(jù)所述車輛狀態(tài)數(shù)據(jù)對電機驅動器和程控電 流源進行控制，所述電機驅動器產(chǎn)生一驅動力帶動所述伺服電機反饋作用于懸掛系統(tǒng)的主 動懸架，所述程控電流源產(chǎn)生一控制電流使得磁流變減振器產(chǎn)生一阻尼力反饋作用于懸掛 系統(tǒng)的半主動懸架。
[0005] 所述工控機通過天棚控制算法控制程控電流源輸出一個控制電流使得所述磁流 變減振器產(chǎn)生一阻尼力。
[0006] 所述磁流變減振器產(chǎn)生的阻尼力大小為
中，F(xiàn)max為磁流變減振器能產(chǎn)生的最大阻尼力;Fmin為磁流變減振器能產(chǎn)生的最小阻尼力;C s 為天棚阻尼系數(shù);尤2為車體向上速度;尤為車輪向上速度;Fd為理想天棚控制力。
[0007] 所述車輛狀態(tài)傳感器為加速度傳感器，用于采集垂直方向上車體質心加速度和駕 駛員座椅處的加速度。
[0008] 有益效果
[0009] 由于采用了上述的技術方案，本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比，具有以下的優(yōu)點和積極效 果:本發(fā)明將磁流變減振器和永磁式伺服電機結合應用于基于天棚控制算法的車輛懸掛裝 置中，提高了車體行駛平順性和乘坐舒適性。本發(fā)明采用的磁流變減振器是利用新型材料 磁流變液在變化磁場作用下快速可逆的流變特性而設計的一種新型作動器，具有耗能低、 可產(chǎn)生連續(xù)阻尼力、方便控制等優(yōu)點。
【附圖說明】
[0010] 圖1是二自由度懸掛系統(tǒng)模型圖；
[0011] 圖2是理想天棚控制懸架模型圖；
[0012]圖3是本發(fā)明的系統(tǒng)結構圖；
[0013]圖4是本發(fā)明的軟件實現(xiàn)圖；
[0014]圖5是路面激勵示意圖；
[0015] 圖6是車體質心處加速度功率譜密度變化情況示意圖；
[0016] 圖7是駕駛員座位處加速度功率譜密度變化情況示意圖；
[0017] 圖8是車體質心處加速度隨時間變化情況示意圖；
[0018] 圖9是駕駛員座位處加速度隨時間變化情況示意圖；
[0019] 圖10是車體質心位移隨時間變化情況示意圖；
[0020] 圖11是駕駛員座位處位移隨時間變化情況示意圖。
【具體實施方式】
[0021] 下面結合具體實施例，進一步闡述本發(fā)明。應理解，這些實施例僅用于說明本發(fā)明 而不用于限制本發(fā)明的范圍。此外應理解，在閱讀了本發(fā)明講授的內容之后，本領域技術人 員可以對本發(fā)明作各種改動或修改，這些等價形式同樣落于本申請所附權利要求書所限定 的范圍。
[0022] 本發(fā)明以提高車輛行駛平順性和乘坐舒適性為目的，將磁流變減振器和伺服電機 分別應用于基于天棚控制算法的半主動懸架和主動懸架中，搭建硬件設備平臺和實現(xiàn)軟件 設計，從而提高車體行駛平順性和乘坐舒適性。
[0023] 為了達到上述目的，本發(fā)明的技術方案是提供了一種基于天棚控制算法的懸掛控 制系統(tǒng)，整車一般由四個懸掛系統(tǒng)組成，但理論分析時常采用1/4車二自由度懸掛系統(tǒng)模 型，如圖1所示為二自由度懸掛系統(tǒng)模型。假設坐標原點選取在各自平衡位置，則該懸掛動 力學方程可表示為
[0024]
(1)
[0025]式中，M2、1^分別為車體質量和車輪質量;ks、kt分別為懸掛彈簧和車輪剛度;C e為懸 掛阻尼系數(shù);X2、XdPX〇分別為車體、車輪垂直位移和路面不平度激勵；；^為車體向上加速 度;名為車輪向上加速度；矣為車體向上速度;名為車輪向上速度;請補充為為車體向上加 速度、尤為車輪向上加速度;F為控制力，當F不作用時上述模型可以等效為被動懸掛模型。 [0026]如圖2所示為理想天棚控制懸架。天棚控制算法的基本思想是在車輛車體和假設 的"天棚"之間安裝一個阻尼器。該阻尼器的阻尼系數(shù)變化時會產(chǎn)生不同的阻尼力作用于該 控制懸架，起到減振的效果。假設坐標原點選取在各自平衡位置，假設車輛懸架的簧載質量 與慣性參考地面之間具有阻尼。
[0027] 理想的天棚阻尼力為：
[0028] .i? = -C^ (2)
[0029] 式中：(^是天棚阻尼系數(shù)，根據(jù)懸掛系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化確定。根據(jù)圖2寫出運動微分方 程如下：
[0030]
[0031] 根據(jù)與天棚阻尼等效的原則，圖1所示的懸架模型中的力F由磁流變減振器(半主 動懸架）或伺服電機（主動懸架）來提供，即圖1中的F與天棚阻尼力F s存在某種關系。由于 K =-Q矣，所以當矣和fe -名)同向時，F(xiàn)*FS同向，因此可以通過改變勵磁電流的大小使 匕與？相等；當；^和:(1；2-尤;)反向時，？和匕反向。為了盡可能縮小兩者差異，應該讓F最小。 考慮到磁流變減振裝置自身存在一定的阻尼，因此F最小值不能取到0值，F(xiàn)e [Fmin，F(xiàn)max]，因 此F的取值可以表述為：
[0032]
[0033] 其中，F(xiàn)max為磁流變減振器能產(chǎn)生的最大阻尼力;Fmin為磁流變減振器能產(chǎn)生的最 小阻尼力;Fd為理想天棚控制力;上式中的力F由磁流變阻尼器提供。
[0034]懸掛控制系統(tǒng)包括硬件結構搭建和軟件算法部分。硬件部分主要包括車輛狀態(tài)傳 感器、PCI數(shù)據(jù)采集器、工控機、程控電流源、磁流變減振器、電機驅動器和伺服電機，如圖3 系統(tǒng)結構圖所示。所述車輛狀態(tài)傳感器為加速度傳感器，用于采集垂直方向上車體質心加 速度和駕駛員座椅處的加速度;所述數(shù)據(jù)采集器用于對車輛狀態(tài)傳感器進行采集以獲得車 輛狀態(tài)數(shù)據(jù);所述工控機根據(jù)所述車輛狀態(tài)數(shù)據(jù)對電機驅動器和程控電流源進行控制。軟 件需要實現(xiàn)模擬輸入信號的采集、濾波、積分和微分，然后通過上述的天棚算法對程控電流 源進行控制，使得程控電流源輸出一個控制電流的指令，最后通過電流信號改變磁流變阻 尼器產(chǎn)生一個阻尼力反饋作用于懸掛系統(tǒng)，達到減緩系統(tǒng)振動的效果，如圖4軟件實現(xiàn)圖。 [0035]下面以一個具體的實施例來進一步說明本發(fā)明。
[0036]設某越野車在特定路面上以9m/s勻速直線行駛。本次試驗采用某公司的752A13加 速度傳感器采集垂直方向上車體質心加速度和駕駛員座椅處的加速度信號，通過對懸掛控 制系統(tǒng)上的磁流變阻尼器輸出控制指令和終止對磁流變阻尼器輸出電流指令兩種情況下 的數(shù)據(jù)采集，顯示車體質心和駕駛員座位處加速度的變化情況。磁流變阻尼器沒有工作的 情況下該懸掛系統(tǒng)等效于被動懸架。
[0037]圖5為某段時刻路面輸入情況。圖6-圖9所示的是加速度變化情況，由于懸掛系統(tǒng) 中的控制裝置產(chǎn)生的力F對整個控制系統(tǒng)起到了一定的調節(jié)作用，所以在相同的路面條件 下裝有磁流變阻尼器和伺服電機的車輛在行駛過程中垂直方向的加速度變化明顯低于半 主動/主動懸架沒有起到任何作用時候的情況。從圖10和圖11中可以看出駕駛員位置和車 體質心處，裝有磁流變阻尼器和伺服電機的懸掛系統(tǒng)比被動懸掛控制系統(tǒng)的垂直方向的振 動加速度下降了百分之七十左右垂直方向的位移幅度也有很明顯的降低，特別是在低頻段 尤為明顯，明顯會提高車輛行駛平順性和乘坐舒適性。由此可見磁流變阻尼器應用于半主 動懸掛系統(tǒng)中有利于降低低頻共振的幅值，具有推廣意義。
[0038]不難發(fā)現(xiàn)，本發(fā)明將磁流變減振器和永磁式伺服電機結合應用于基于天棚控制算 法的車輛懸掛裝置中，提高了車體行駛平順性和乘坐舒適性。本發(fā)明采用的磁流變減振器 是利用新型材料磁流變液在變化磁場作用下快速可逆的流變特性而設計的一種新型作動 器，具有耗能低、可產(chǎn)生連續(xù)阻尼力、方便控制等優(yōu)點。
【主權項】
1. 一種基于天棚控制算法的懸掛控制系統(tǒng)，包括車輛狀態(tài)傳感器、數(shù)據(jù)采集器、工控 機、程控電流源、磁流變減振器、電機驅動器和伺服電機，其特征在于，所述車輛狀態(tài)傳感器 用于檢測車輛狀態(tài)數(shù)據(jù);所述數(shù)據(jù)采集器用于對車輛狀態(tài)傳感器進行采集以獲得車輛狀態(tài) 數(shù)據(jù);所述工控機根據(jù)所述車輛狀態(tài)數(shù)據(jù)對電機驅動器和程控電流源進行控制，所述電機 驅動器產(chǎn)生一驅動力帶動所述伺服電機反饋作用于懸掛系統(tǒng)的主動懸架，所述程控電流源 產(chǎn)生一控制電流使得磁流變減振器產(chǎn)生一阻尼力反饋作用于懸掛系統(tǒng)的半主動懸架。2. 根據(jù)權利要求1所述的基于天棚控制算法的懸掛控制系統(tǒng)，其特征在于，所述工控機 通過天棚控制算法控制程控電流源輸出一個控制電流使得所述磁流變減振器產(chǎn)生一阻尼 力。3. 根據(jù)權利要求1所述的基于天棚控制算法的懸掛控制系統(tǒng)，其特征在于，所述磁流變 減振器產(chǎn)生的阻尼力大小為，其中，F(xiàn)max為磁流 變減振器能產(chǎn)生的最大阻尼力;Fmin為磁流變減振器能產(chǎn)生的最小阻尼力;Cs為天棚阻尼系 數(shù);文2為車體向上速度；名為車輪向上速度;Fd為理想天棚控制力。4. 根據(jù)權利要求1所述的基于天棚控制算法的懸掛控制系統(tǒng)，其特征在于，所述車輛狀 態(tài)傳感器為加速度傳感器，用于采集垂直方向上車體質心加速度和駕駛員座椅處的加速 度。
【文檔編號】B60G17/018GK105946496SQ201610269968
【公開日】2016年9月21日
【申請日】2016年4月27日
【發(fā)明人】周武能, 張楊, 潘亮
【申請人】東華大學