CN110228343A - 一种半主动磁流变空气悬挂控制系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

一种半主动磁流变空气悬挂控制系统，包括载荷、悬挂装置、传感系统和控制器，悬挂装置以空气弹簧为弹性元件，以磁流变减振器为阻尼元件，空气弹簧经定位控制阀与附加气室相连，空气弹簧的刚度特性随定位控制阀输入电压的改变而改变，磁流变减振器的阻尼特性随励磁线圈输入电流的改变而改变。一种半主动磁流变空气悬挂控制系统的控制方法，包括，将路面输入分为若干频段，针对各频段分别设定定位控制阀的输入电压和励磁线圈的输入电流；通过传感系统获取载荷的垂向响应加速度，将垂向响应加速度传输给控制器；控制器对加速度信号进行频谱分析，判断路面激励所处频段，并根据路面激励所处频段控制定位控制阀的输入电压和励磁线圈的输入电流。

Description

一种半主动磁流变空气悬挂控制系统及其控制方法

技术领域

本发明涉及汽车领域，具体涉及一种半主动空气悬挂控制系统及其控制方法。

背景技术

半主动悬挂由可调减振器或可调弹簧构成，靠改变阻尼或刚度实现减振目的。由于调节减振器的阻尼较易实现，因此，多年来半主动悬挂的研究主要侧重于阻尼可调式悬挂的研究上，阻尼可调式悬挂虽能迅速衰减车身在共振频域内的振动能量，但依然无法避开共振频率。为了避免共振现象的发生，需要改变悬挂刚度，使悬挂系统的固有频率避开路面激励频率。在空气弹簧的基础上增加附加气室，通过节流孔将空气弹簧与附加气室相连，设计出的带附加气室空气悬挂可以得到较低的固有频率，并且可实现悬挂刚度可调。

路面不平度用来描述路面的起伏程度，是车辆行驶过程中的主要激励，影响车辆行驶平顺性、操纵稳定性等各方面。分析路面不平度对于减振控制策略的研究具有重要意义。

路面不平度主要采用路面位移功率谱密度描述其统计特性，其时间历程可视作平稳随机过程处理。路面位移功率谱密度的拟合式为：

对车辆振动系统的输入除了路面不平度外，还要考虑行驶速度v，为此将空间频率谱转换为时间频率谱:

式中，n为空间频率，m^-1，表示每米长度包括几个波长；n₀为参考空间频率，n₀＝0.1m^-1； G_q(n₀)为参考空间频率下的路面功率谱密度值，称为路面不平度系数，m³；w为频率指数， w＝2；f＝vn，f为时间频率，v为车速。

对式(2)两端取对数后作图，得到路面位移功率谱密度，如图1所示。在极短的时间内，路面功率谱密度的频带宽度远小于其中心频率，为一窄带分布，并且随车速的增大向中高频推移。在较长时间内的路面功率谱密度实际上是将不同频率的窄带分布综合起来，得到路面位移功率谱密度。

考虑短时间内的路面激励，激励频率集中在某一个频段内，可通过调节悬挂系统的刚度，使悬挂固有频率避开此频段，从而避免车身响应的功率谱密度在此频段上出现尖峰，再适当调节悬挂阻尼系数，可进一步衰减振动。

发明内容

本发明的目的是提供一种半主动磁流变空气悬挂控制系统及其控制方法，根据短时间内路面激励所处频段，通过调节悬挂系统的刚度，使悬挂固有频率避开路面激励的相应频段，避免了车身响应的功率谱密度在相应频段上出现尖峰，再通过适当调节悬挂的阻尼系数以进一步衰减振动。

为实现上述发明目的，本发明的技术方案具体如下：

一种半主动磁流变空气悬挂控制系统，包括载荷、悬挂装置、传感系统和控制器，悬挂装置以带附加气室空气弹簧为弹性元件，以磁流变减振器为阻尼元件，空气弹簧经定位控制阀与附加气室相连，空气弹簧的刚度特性随定位控制阀输入电压的改变而改变，磁流变减振器的阻尼特性随励磁线圈输入电流的改变而改变，传感系统固定在载荷上，传感系统的数据输出端与控制器相连，定位控制阀和励磁线圈分别与控制器相连，控制器根据传感系统采集的载荷的垂向加速度信息分别控制定位控制阀输入电压和励磁线圈的输入电流。

进一步的，所述传感系统包括位移传感器、加速度传感器和力传感器。

上述半主动磁流变空气悬挂控制系统的控制方法，包括以下步骤：

S1：将路面输入分为若干频段，针对各频段分别设定定位控制阀的输入电压和励磁线圈的输入电流；

S2：通过传感系统获取载荷的垂向响应加速度，并将垂向响应加速度传输给控制器；

S3：控制器对加速度信号进行频谱分析，判断路面激励所处频段，并根据路面激励所处频段确定定位控制阀的输入电压和励磁线圈的输入电流；

S4：控制器根据步骤S3确定的输入电压和输入电流分别控制定位控制阀的输入电压和励磁线圈的输入电流，实现对带附加气室空气弹簧的刚度和磁流变减振器的阻尼控制。

进一步的，所述步骤S1具体包括：

将路面输入分为若干个频段，并针对各频段分别设定定位控制阀的输入电压和励磁线圈的输入电流，具体如下：

(1)低频区，0.1～1Hz，定位阀输入电压设为0v，磁流变减振器励磁电流设为0A；

(2)低频共振区，1～2Hz，定位阀输入电压设为5v，磁流变减振器励磁电流设为0.5A；

(3)中间频段，2～10Hz，定位阀输入电压设为5v，磁流变减振器励磁电流设为1A；

(4)高频共振区，10～20Hz，定位阀输入电压设为10v，磁流变减振器励磁电流设为1.2A。

与现有技术相比，本发明的有益效果：

本发明的一种半主动磁流变空气悬挂系统的频域快速控制方法，不需要预测路面，只需测量车身垂向加速度，算法简单，对硬件要求低，易于实现；由于是根据极短时间内的路面激励进行调整，控制器的切换频率较高，因此即使存在执行滞后或测量误差，也不会对舒适性和安全性造成较大影响。

附图说明

图1为背景技术中的路面位移功率谱密度图；

图2为本发明实施例中的模拟实验系统；

图3本发明实施例中的半主动悬挂控制系统硬件结构示意图；

图4本发明的功率放大电路图；

图5本发明控制方法的控制流程图；

图6本发明实施例中的1.2Hz时的垂向振动响应测试图；

图7本发明实施例中的1.4Hz时的垂向振动响应测试图；

图8本发明实施例中的1.6Hz时的垂向振动响应测试图。

具体实施方式：

实施例

图2所示为模拟实验系统，图3所示为半主动悬挂控制系统的硬件结构示意图，加载金属配重1000kg，采用振幅为4mm的正弦激励，用NI数据采集卡测量载荷的垂向响应加速度。将定位控制阀输入信号线连接到CB－68LP端子板的控制输出端口1，将磁流变减振器的引出导线连接到功率放大器输出端，而功率放大器的信号输入端与CB－68LP端子板的输出端口2连接。本试验采用响应加速度控制系统的输入，控制输出电压信号U与电流 I。以NI6024E数据采集卡为核心，由悬挂机械装置、传感检测系统、带运放的V/I转换器及功率放大器组成一个开放式硬件结构。悬挂机械装置以空气弹簧为弹性元件，空气弹簧经定位控制阀与附加气室相连，通过控制定位控制阀输入电压来改变空气弹簧的刚度特性；以磁流变减振器为阻尼元件，其内部励磁线圈引出的导线连接于V/I转换及功率放大电路的输出，通过控制输出电流的大小来改变磁流变减振器的阻尼特性。传感检测系统主要由位移传感器、加速度传感器和力传感器组成，采集测控系统的信号。在系统初始化及调试之后，开启系统硬件及软件，测控系统开始工作，传感器测量的信号通过采集卡输入端子进入数据采集系统及计算机，计算机根据测量信号，依据控制算法，确定控制信号，经采集卡输出端子输出控制信号，控制信号直接或经放大后改变执行元件的状态，实现对悬挂系统的控制。

采集卡选用美国NI公司生产的DAQCard-6024E数据采集卡。采样速率为200kS/s，具有16路单端(SI)/8路差分(DI)模拟量输入，输入分辨率为12位(精度0.005V)，输入电压范围为-10V～10V；2路模拟量输出，输出分辨率为12位，输出电压范围为-10V～10V，单通道电流驱动能力为5mA,输出最大阻抗为0.1Ω，此外还有2个24位20MHz计数器/定时器和8个数字I/O口。

定位控制阀采用Burkert8802-G1/2定位控制阀，其由位置控制器、执行机构、阀体3 部分组成，根据位置设定值对执行机构的位置进行调整，从而调节阀体开度。位置设定值可通过外部信号进行设置，阀体开度范围为0～Φ13mm，可由设定电压来调节，且电压与开度呈线性对应。本试验系统选用输入信号类型为0～10V电压信号，此时电压信号的输入阻抗为19kΩ，输入功率小于5W，可直接由采集卡的输出端子驱动。

图4所示为功率放大电路，磁流变减振器的线圈内阻约3Ω，要求控制电流范围为0～ 2A，而采集卡输出端子的驱动电流为5mA，输出端子输出的电压信号需经过功率放大，从而驱动磁流变减振器线圈。对功率放大电路的要求是电流大小正比于输入电压，电流大小与负载内阻无关。

运算放大器LM321、三极管D313F、R₂及Re组成负反馈放大电路，其中：

R_e＝R₄R₅/(R₄+R₅)

由于运算放大器的输入阻抗及放大倍数较高，R₁中流过的电流很小，运算放大器输入管脚pin4与pin5可认为等电压，并且电压为输入信号电压U_i。管脚pin4输入阻抗较高，故电阻R_e上电压同样为U_i。因此，流过电阻R_e的电流为：

I_e＝U_i/R_e

令流过负载ZL电流为I_c，三极管电流放大倍数为A，则：

I_c＝A(I_e-I_c)

将式(6-4)代入式(6-5)得流过负载的电流为：

所选用的三极管电流放大倍数约100，电阻R₄、R₅阻值均为10Ω，则I_c近似为：

考虑到半主动悬挂应有两个共振峰，将路面输入分为5个频段，建立以下控制规则：

(1)低频区(0.1～1Hz)。该频段受悬挂刚度和阻尼影响不大，为保证乘坐舒适性，将定位阀输入电压U₁设为0v(此时，定位控制阀处于全开状态，空气弹簧与附加气室之间的节流孔开度为10mm，悬挂刚度最小)；磁流变减振器励磁电流I₁设为0A(此时，减振器提供的阻尼处于最小值)；

(2)低频共振区(1～2Hz)。该频段，保持定位阀输入电压U₂为5v(此时，定位控制阀处于半开状态，空气弹簧与附加气室之间的节流孔开度为5mm，悬挂刚度适中)，磁流变减振器励磁电流I₂设为0.5A(此时，悬挂阻尼加大)；

(3)中间频段(2～10Hz)。该频段减小阻尼有利于降低车身加速度和轮胎动载荷。保持定位阀输入电压U₃为5v，磁流变减振器励磁电流I₃设为1A(此时，悬挂阻尼进一步加大)；

(4)高频共振区(10～20Hz)。该频段可增大悬挂刚度，有利于减低轮胎动载荷，同时适当增加阻尼，但阻尼不宜过大，避免车身加速度的增加。因此，将定位阀输入电压U₄设为10v(此时，定位控制阀处于全闭状态，空气弹簧与附加气室之间的节流孔开度为0mm，悬挂刚度最大)；磁流变减振器励磁电流I₄设为1.2A(此时，悬挂阻尼进一步加大)；

根据上述控制规则，建立的控制流程如图5所示。

为了对控制前、后的平顺性进行评价，在不同激励频率下进行了被动悬挂和半主动悬挂的台架正弦振动试验，分别获得簧上质量响应加速度、响应位移和悬挂动载荷，比较两种类型悬挂下的以上指标，对悬挂性能进行评价。图6～8所示为不同激励频率下，两种悬挂下的垂向振动响应比较。为了从数值上更精确的比较，对试验数据进行相应处理，得到被动悬挂与半主动悬挂的响应加速度均方根值、位移传递率和最大动载荷，如下表1～3所示。

表1响应加速度均方根值(m/s²)

表2位移传递率

表3最大动载荷(kN)

比较图6～8及表1～3中被动空气悬挂和半主动空气悬挂各性能指标可以看出，在1Hz～2Hz的共振区域，半主动悬挂使得各性能指标在任一频率点均得到有效降低，尤其在共振点1.6Hz时，各指标降低最明显，相比被动悬挂，加速度均方根值、位移传递率及动载荷的降低率分别达到87％、84％及16％，而对于共振区内其它频率点，其越接近共振点，该点性能指标的降低率越大，在1.2Hz与1.7Hz的激励频率下，加速度均方根值分别减小了27％、73％，位移传递率分别减小了31％、74％，最大动载荷减小了2.5％及8％。而在非共振区域，各性能指标变化不大，激励频率为2.5Hz时，加速度均方根值与位移传递率分别降低了6％与4％，动载荷略有增大。

需要说明的是，以上只是为了进一步说明本发明的内容，但不应理解为对本发明的限制。在不背离本发明精神和实质的情况下，对本发明方法、步骤或条件所作的修改或替换，均属于本发明的范围。

Claims (4)

1.一种半主动磁流变空气悬挂控制系统，其特征在于，包括载荷、悬挂装置、传感系统和控制器，悬挂装置以空气弹簧为弹性元件，以磁流变减振器为阻尼元件，空气弹簧经定位控制阀与附加气室相连，空气弹簧的刚度特性随定位控制阀输入电压的改变而改变，磁流变减振器内部具有励磁线圈，磁流变减振器的阻尼特性随励磁线圈输入电流的改变而改变，传感系统固定在载荷上，传感系统的数据输出端与控制器相连，定位控制阀和励磁线圈分别与控制器相连，控制器根据传感系统采集的载荷的垂向加速度信息分别控制定位控制阀输入电压和励磁线圈的输入电流。

2.根据权利要求1所述的一种半主动磁流变空气悬挂控制系统，其特征在于，所述传感系统包括位移传感器、加速度传感器和力传感器。

3.权利要求1中的一种半主动磁流变空气悬挂控制系统的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：将路面输入分为若干频段，针对各频段分别设定定位控制阀的输入电压和励磁线圈的输入电流；

S2：通过传感系统获取载荷的垂向响应加速度，并将垂向响应加速度传输给控制器；

S3：控制器对加速度信号进行频谱分析，判断路面激励所处频段，并根据路面激励所处频段确定定位控制阀的输入电压和励磁线圈的输入电流；

S4：控制器根据步骤S3确定的输入电压和输入电流分别控制定位控制阀的输入电压和励磁线圈的输入电流，实现对带附加气室空气弹簧的刚度和磁流变减振器的阻尼控制。

4.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，所述步骤S1具体包括：

将路面输入分为若干个频段，并针对各频段分别设定定位控制阀的输入电压和励磁线圈的输入电流，具体如下：

(1)低频区，0.1～1Hz，定位阀输入电压设为0v，磁流变减振器励磁电流设为0A；

(2)低频共振区，1～2Hz，定位阀输入电压设为5v，磁流变减振器励磁电流设为0.5A；

(3)中间频段，2～10Hz，定位阀输入电压设为5v，磁流变减振器励磁电流设为1A；

(4)高频共振区，10～20Hz，定位阀输入电压设为10v，磁流变减振器励磁电流设为1.2A。