一种多功能减振器及其工作方法
阅读说明：本技术 一种多功能减振器及其工作方法 (Multifunctional shock absorber and working method thereof ) 是由 陈星� 韩森 于 2020-12-16 设计创作，主要内容包括：本发明提供了一种多功能减振器及其工作方法,其中,所述多功能减振器包括：电池系统、悬架减振部、状态采样部、控制计算输出部和控制电路部,所述状态采样部与悬架减振部信号采样连接,所述控制计算输出部分别与状态采样部和控制电路部控制信号连接,所述电池系统、控制电路部与悬架减振部依次电能连接,且流经所述控制电路部的电流与所述状态采样部信号采样连接。本发明可以实现悬架多模式控制效果,通过选择合适的电路参数和控制参数可以精确地跟踪理想控制电流,并能够完成控制模式切换。如果合理的切换控制模式,可以减少能耗甚至能够实现能量自供给。为多模式悬架控制提供了硬件基础,后面可以结合该控制器的特点提出更好的控制策略,极大地提高了悬架的综合性能。(The invention provides a multifunctional vibration absorber and a working method thereof, wherein the multifunctional vibration absorber comprises the following components: battery system, suspension damping portion, state sampling portion, control calculation output portion and control circuit portion, state sampling portion is connected with suspension damping portion signal sampling, control calculation output portion is connected with state sampling portion and control circuit portion control signal respectively, battery system, control circuit portion and suspension damping portion electric energy connection in proper order, and flow through the electric current of control circuit portion with state sampling portion signal sampling connects. The invention can realize the multi-mode control effect of the suspension, can accurately track the ideal control current by selecting proper circuit parameters and control parameters, and can complete the control mode switching. If the control mode is reasonably switched, the energy consumption can be reduced and even the energy self-supply can be realized. Hardware basis is provided for multi-mode suspension control, a better control strategy can be provided by combining the characteristics of the controller, and the comprehensive performance of the suspension is greatly improved.)
技术领域
本发明属于减振器技术领域，尤其涉及一种多功能减振器及其工作方法。
背景技术
减振器是车辆悬架的关键部件，与悬架弹簧相结合，起到过滤车辆在崎岖路面行驶时的振动的作用。通常，来自振动的能量通过液压减振器摩擦以热量耗散。为了降低车辆的能源成本，人们对减振器回收潜力进行了研究。近年来，关于馈能型电磁悬架的研究越来越多，它能够弥补主动悬架高能耗的问题。馈能悬架的提出不仅能够满足乘坐舒适性的需求，还能够回收振动能量减少化石能源的消耗。馈能减振器由以下部分组成：悬架输入模块、传动模块、发电机模块和储能模块，配合控制策略组成完整的悬架系统。
馈能悬架的类型包括电磁减振器、液压减振器和机械减振器。由于液压式馈能减振器结构庞大，而且回收效率低；而机械式馈能减振器需要设计额外的机械结构将往复运动转换为旋转运动；所以直流直线电机由于结构简单、控制性能范围大的特点，得到了广泛的关注。但是，现在关于直线电机控制器的设计普遍以馈能半主动控制为主，无法实现多模式切换，无法满足复杂工况和驾驶需求。
发明内容
本发明公开了一种多功能减振器及其工作方法，弥补了主动悬架和馈能悬架的缺点，结合不同控制策略提高了悬架系统的综合性能。
为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：
一种多功能减振器，包括：电池系统(Battery pack)、悬架减振部、状态采样部、控制计算输出部和控制电路部，所述状态采样部与悬架减振部信号采样连接，所述状态采样部与控制计算输出部控制信号连接，所述控制计算输出部与控制电路部控制信号连接，所述电池系统、控制电路部与悬架减振部依次电能连接，且流经所述控制电路部的电流与所述状态采样部信号采样连接。
作为上述技术方案的进一步描述：
所述悬架减振部包括永磁直线电机和悬架弹簧，永磁直线电机作为作动结构输出所需控制力，而悬架弹簧的作用是缓解冲击。
作为上述技术方案的进一步描述：
所述控制电路部包括直流转换器和全桥整流器，所述电池系统、直流转换器、全桥整流器与悬架减振部依次电流连接。
作为上述技术方案的进一步描述：
所述全桥整流器为全波整流器，所述直流转换器为双向升降压电路；即控制电路部由全波整流器与双向升降压电路组成，可以通过改变控制开关的导通和关断实现电机电流的控制和模式的切换。
作为上述技术方案的进一步描述：
所述全波整流器包括第一开关S1、第二开关S2、第三开关S3和第四开关S4；所述双向升降压电路包括电感L、电容C1、电容C2、第五开关S5和第六开关S6；所述永磁直线电机包括感应电动势E、电感Lm和电阻Rm；所述电源系统包括第七开关S7、电源电压Ec和电阻R。
作为上述技术方案的进一步描述：
所述第一开关S1与第三开关S3串联，第二开关S2与第四开关S4串联，且所述第一开关S1和第三开关S3与第二开关S2和第四开关S4并联组成全波整流器。
作为上述技术方案的进一步描述：
所述电容C1与第五开关S5串联，所述电容C2与第六开关S6串联，且电容C1和第五开关S5串联与电容C2和第六开关S6并联后与电感L串联组成双向升降压电路。
作为上述技术方案的进一步描述：
所述第七开关S7与电源电压Ec和电阻R串联；所述感应电动势E、电感Lm和电阻Rm串联。
作为上述技术方案的进一步描述：
所述状态采样部包括电流传感器、状态传感器和模数转化模块；所述电流传感器和状态传感器分别与模数转化模块信号采样连接，所述控制计算输出部包括悬架控制策略模块、电流控制器和PWM发生器；所述模数转化模块分别与悬架控制策略模块和电流控制器信号采样连接，所述悬架控制策略模块分别与电流控制器和全桥整流器控制信号连接，所述电流控制器、PWM发生器和直流转换器依次控制信号连接。
作为上述技术方案的进一步描述：
所述电流传感器设置在所述电流控制器与全桥整流器连接的电流上，所述状态传感器设置在悬架减振部上。
一种根据上述的多功能减振器的工作方法，包括如下步骤：
(1)通过状态采样部对悬架减振部的加速度、相对位移和轮胎相对动位移的状态量进行采样；同时，对控制电路部流经电机绕组的电流进行采样；
(2)控制计算输出部根据状态采样部采集的悬架状态信号，结合控制策略计算出电机所需的理想电流；
(3)根据理想电流与电机电流采样信号，通过电流控制器与PWM发生器得到控制PWM波，并完成控制模式切换，以减少能耗甚至能够实现能量自供给。
本发明具有如下有益效果：
本发明可以实现悬架多模式控制效果，通过选择合适的电路参数和控制参数可以精确地跟踪理想控制电流，并能够完成控制模式切换。如果合理的切换控制模式，可以减少能耗甚至能够实现能量自供给。为多模式悬架控制提供了硬件基础，后面可以结合该控制器的特点提出更好的控制策略，极大地提高了悬架的综合性能。
附图说明
图1为本发明公开的多功能减振器的整体结构示意图；
图2为电池系统、控制电路部与悬架减振部中的直线电机依次电能连接的电路图；
图3为模糊PID组成电流控制器的电路图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，多功能减振器，包括：电池系统(Battery pack)、悬架减振部、状态采样部、控制计算输出部和控制电路部，所述状态采样部与悬架减振部信号采样连接，所述状态采样部与控制计算输出部控制信号连接，所述控制计算输出部与控制电路部控制信号连接，所述电池系统、控制电路部与悬架减振部依次电能连接，且流经所述控制电路部的电流与所述状态采样部信号采样连接。
在一些实施例中，所述悬架减振部包括永磁直线电机和悬架弹簧，永磁直线电机作为作动结构输出所需控制力，而悬架弹簧的作用是缓解冲击。
在一些实施例中，所述控制电路部包括直流转换器和全桥整流器，所述电池系统、直流转换器、全桥整流器与悬架减振部(即永磁直线电机)依次电流连接；所述全桥整流器为全波整流器，所述直流转换器为双向升降压电路；即控制电路部由全波整流器与双向升降压电路组成，可以通过改变控制开关的导通和关断实现电机电流的控制和模式的切换。
如图2所示，所述全波整流器包括第一开关S1、第二开关S2、第三开关S3和第四开关S4；所述双向升降压电路包括电感L、电容C1、电容C2、第五开关S5和第六开关S6；所述永磁直线电机包括感应电动势E、电感Lm和电阻Rm，所述感应电动势E、电感Lm与电阻Rm串联组成永磁直线电机；所述电源系统包括第七开关S7、控制电压Ec和电阻R；所述第一开关S1与第三开关S3串联，第二开关S2与第四开关S4串联，且所述第一开关S1和第三开关S3与第二开关S2和第四开关S4并联组成；全波整流器在馈能模式下直线电机产生的正负感应电动势E转换为单向电压；在耗能主动模式下全波整流器看作方向选择器，将单向控制电压转换为最终所需电压。所述电容C1与第五开关S5串联，所述电容C2与第六开关S6串联，且电容C1和第五开关S5串联与电容C2和第六开关S6并联后与电感L串联组成双向升降压电路；电容C1和电容C2的作用有滤波、储能和稳压，不仅减少输出电流电压波动还避免了尖峰电压对电路元器件的损坏；第五开关S5和第六开关S6是一对接收PWM控制信号的互补开关，其通断控制着电机的电流和电压，也控制输入端和输出端方向的切换。电感L是整个电路最关键部分是输入和输出能量的承载体，配合开关S5和S6实现双向升降压变换。所述第七开关S7和电源电压Ec串联，第七开关S7避免了在馈能控制时电源能量流入电路消耗能量。
不管在哪种模式下，电路都会存在导通和关断两种状态。在馈能模式下的时候，直线电机由于相对位移而产生感应电动势E，然后通过全波整流器结构，转化为单相电压。当处于0～DT期间时，第五开关S5导通，第六开关S6关闭。由于开关频率较高，导致一个开关周期的时间很小，所以电机的感应电动势可以看作稳定的。由于电容C1在上个开关周期末的电压大于E，所以在0～DT期间，直线电机的感应电动势和电容C1给电感L充电。而在回收电路部分，电容C2存储上个时刻的电压，如果电容C2的电压高于回收电压Ec时，则打开第七开关电容C2给电池充电。达不到条件的话，关闭开关S7以免回收电池的电能被消耗。当电路处于DT～T期间时，第五开关S5关断，第六开关S6导通，在输入端由于电感Lm有电流存在无法突然降为0，所以电流继续流向电容C1进行充电，导致电容C1两端电压逐渐上升。而在回收端，电感L的电流给电容C2和电池Ec进行充电。
在主动模式下，第七开关S7在此模式下一直处于导通状态，第六开关S6的作用类似二极管。在0～DT期间，第六开关S6导通，第五开关S5断开，电容C2由于和控制电压Ec相等，所以电池主要给电感L进行充电。在输出端，电容C1与电机组成回路，电感Lm初始保持原来电流，然后逐渐减小。当第六开关S6断开，第五开关S5导通时，电感L给电感Lm和电容C1充电，而输入端由于电容C2电压与电池电压Ec相等，则没有电流流动。
如图3所示，不管在什么模式下直线电机的电流就是流经Lm的电流，电流的大小直接影响电机电磁力的大小。由于电机电感Lm的值远大于L，所以直流电机电流的波动很小，使输出电磁力的大小稳定。但是由于所提出的直流变压器是非线性系统，无法用准确的数学表达式，为了保证理想电流与输出电流一致，所以需要设计一个电流控制。该发明利用模糊PID控制器进行电流跟踪，提高了效应速度与自适应性。
在一些实施例中，所述状态采样部包括电流传感器、状态传感器和模数转化模块；所述电流传感器和状态传感器分别与模数转化模块信号采样连接，所述控制计算输出部包括悬架控制策略模块、电流控制器和PWM发生器；所述模数转化模块分别与悬架控制策略模块和电流控制器信号采样连接，所述悬架控制策略模块分别与电流控制器和全桥整流器控制信号连接，所述电流控制器、PWM发生器和直流转换器依次控制信号连接；所述电流传感器设置在所述电流控制器与全桥整流器连接的电流上，所述状态传感器设置在悬架减振部上。
一种根据上述的多功能减振器的工作方法，包括如下步骤：
(1)通过状态采样部对悬架减振部的加速度、相对位移和轮胎相对动位移的状态量进行采样；同时，对控制电路部流经电机绕组的电流进行采样；
(2)控制计算输出部根据状态采样部采集的悬架状态信号，结合控制策略计算出电机所需的理想电流；
(3)根据理想电流与电机电流采样信号，通过电流控制器与PWM发生器得到控制PWM波，并完成控制模式切换，以减少能耗甚至能够实现能量自供给。同时为多模式悬架控制提供了硬件基础，后面可以结合该控制器的特点提出更好的控制策略，极大地提高了悬架的综合性能。
最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。