车辆悬挂系统用磁流变阻尼器控制装置及控制方法

摘要

本发明涉及用于重型车辆(或履带车辆)底盘悬挂系统的圆盘式磁流变阻尼器，公开了一种车辆悬挂系统用磁流变阻尼器控制装置及控制方法。该控制装置，包括至少一个路谱测量通道，多个阻尼力控制通道以及一一对应的多个设置在车体上的磁流变阻尼器。该控制方法基于上述控制装置，具体步骤为：首先建立振级控制表；再通过路谱测量通道，检测车辆行驶中的路面振动信号，根据振级控制表，确定振级，提供控制参考信号；最后，将控制信号提供给多个阻尼力控制通道，多个阻尼力控制通道独立控制各自相对应的磁流变阻尼器。

说明书

技术领域

本发明涉及用于重型车辆(或履带车辆)底盘悬挂系统的圆盘式磁流变阻尼器，特别涉及一种车辆悬挂系统用磁流变阻尼器控制装置及控制方法。

背景技术

悬挂系统是车辆的重要组成之一，它对车辆行驶的平顺性和操纵稳定性起着十分重要的作用。按照振动控制方法，悬挂系统一般可分为被动、半主动、主动三种类型。目前，重型车辆(或履带车辆)的悬挂系统基本上都是被动式悬挂系统。然而传统的被动式悬挂系统因为弹簧刚度和阻尼系数等参数固定，不能实时根据路况进行调节，减振效果不够理想。主动控制虽然具有最优的控制效果，但由于结构复杂、可靠性差、成本高和能耗大，其实用性受到了极大的限制。因此半主动悬挂成为当今人们研究的重点。

磁流变阻尼器(Magnetorheological Damper，简称MR阻尼器)是实现半主动悬挂系统的一种新型阻尼器。和传统的液压阻尼器不同，磁流变液(MRF)是一种智能材料，当无外加磁场作用时，呈现低粘度的牛顿流体特性；在强磁场作用下，可在短时间(毫秒级)内表观粘度增加两个数量级以上，呈现高粘度、低流动性的Bingham流体特性，且这种变化是连续、可逆、可控的，采用这一材料的磁流变阻尼器具有阻尼力大、可调范围宽、反应迅速等特点，是现代车载系统智能减振器研究的重点。目前，这一半主动悬挂系统应用于车载系统其关键问题是缺乏合理的控制器与相应的控制策略。

发明内容

本发明目的在于提出一种车辆悬挂系统用磁流变阻尼器控制装置，它能够实现对磁流变阻尼器的阻尼力控制，降低路面不平度引起悬架系统的振动，实现宽动态范围的减振。

本发明的另一个目的在于提出一种车辆悬挂系统用磁流变阻尼器控制方法，基于上述控制装置，能够使磁流变阻尼器方便地应用于重型车辆底盘的悬架系统。

为达到上述目的，本发明采取如下技术方案予以实现：

(1)一种车辆悬挂系统用磁流变阻尼器控制装置，其特征在于，包括至少一个路谱测量通道，多个阻尼力控制通道以及一一对应的多个设置在车体上的磁流变阻尼器；

所述路谱测量通道，包含：路谱处理器和路谱振动传感器，所述路谱处理器内设置有振级控制表，每个振级对应一个控制参考信号，所述路谱振动传感器输出的路面振动信号与该振级控制表比照，输出对应的控制参考信号；

所述阻尼力控制通道，包含：阻尼力控制器，功率放大器以及负反馈振动传感器，所述阻尼力控制器将所述控制参考信号与所述负反馈振动传感器的负反馈振动信号相比较，输出阻尼力控制信号，控制所述功率放大器产生调节电流，调节相对应的磁流变阻尼器。

本装置的进一步改进和特点在于：

所述功率放大器包含：电流负反馈放大器，依次串联的可调增益放大器、PWM脉宽调制器、MOSFET开关功放，所述MOSFET开关功放输出调节电流，所述可调增益放大器输入端接收阻尼力控制信号，电流负反馈放大器反馈调节电流到可调增益放大器的输入端。

所述路谱振动传感器包含：依次串接的加速度传感器、电荷放大器和RMS电路，所述RMS电路输出路面振动信号。

所述负反馈振动传感器包含：依次串接的加速度传感器、电荷放大器和RMS电路，所述RMS电路输出负反馈振动信号。

(2)一种车辆悬挂系统用磁流变阻尼器控制方法，基于上述控制装置，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：建立振级控制表

根据路谱标准或实际路况的路面振动信号范围，划分出多个振级，确定每个振级对应的控制参考信号，建立振级控制表；

步骤2：通过路谱测量通道，检测车辆行驶中的路面振动信号，根据振级控制表，确定振级，提供控制参考信号；

步骤3：将控制参考信号提供给多个阻尼力控制通道，多个阻尼力控制通道独立控制各自相对应的磁流变阻尼器。

本发明具有以下优点：(1)控制装置的反应速度快，这是因为控制装置采用了“集中-分布式”的控制策略；阻尼力控制通道和路谱测量通道，每一通道都由独立的路谱处理器或阻尼力控制器进行控制，自动完成采集、运算、参数调节。(2)阻尼力控制通道的动态范围大，这是因为采用了双参数控制，一是敏感路谱的振动信号，一是敏感负载(磁流变阻尼器线圈)的电流信号。(3)阻尼力控制通道抗干扰能力强，这主要是由于采用了电流负反馈电路。(4)阻尼力控制通道可连续输出0-3安培的电流，用于对各个磁流变阻尼器的阻尼力控制。

附图说明

图1为磁流变阻尼器控制装置总体结构示意图；

图2为路谱测量通道结构示意图；

图3为电荷放大器的结构原理图；

图4为RMS电路原理图；

图5为阻尼力控制通道结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图及具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。

参照图1，本发明的控制装置总体结构示意图。该控制装置包含1-2个路谱测试通道、多个阻尼力控制通道以及一一对应的多个设置在车体上的磁流变阻尼器。路谱测量通道，包含：路谱处理器和路谱振动传感器，所述路谱处理器内设置有振级控制表，每个振级对应一个控制参考信号，所述路谱振动传感器的路面振动信号与该振级控制表比照，输出控制参考信号，为阻尼力控制通道提供控制参考。该控制装置可根据悬架系统结构配置多个阻尼力控制通道。所述阻尼力控制通道，包含：阻尼力控制器，功率放大器以及反馈振动传感器。

本发明的控制装置可安装在驾驶室中，而磁流变阻尼器则对称安装在底盘悬架系统中，以与弹性支撑元件并联的方式连接车轮与车体，分别由独立的一个阻尼力控制通道控制，降低路面不平度引起的车体振动。控制装置的路谱测量通道和各个阻尼力控制通道都是独立的电路板，可以独立地测量路谱或控制一个磁流变阻尼器，电路板的电源可由汽车上的直流电瓶统一供电。一台控制装置的通道数可由所控制的磁流变阻尼器的数量来决定。

本发明采用“集中-分布式”的控制方法，所谓“集中-分布式”的控制方法是指利用1-2个通道采集路谱，作为磁流变阻尼器阻尼力的控制决策参考，其余各通道用于控制磁流变阻尼器的阻尼力。

具体步骤为：

步骤1：根据路谱标准或实际路况的路面振动信号范围，划分出多个振级，确定每个振级对应的控制参考信号，建立振级控制表；

步骤2：通过路谱测量通道，检测车辆行驶中的路面振动信号，根据振级控制表，确定振级，提供控制参考信号；

步骤3：将控制参考信号提供给多个阻尼力控制通道，多个阻尼力控制通道独立控制各自相对应的磁流变阻尼器。

例如：在六轮装甲车上安装本装置，前两轮设置路谱测量通道，后四轮安装阻尼力控制通道以及磁流变阻尼器。路谱测量通道根据事先确定的振级表判断振动等级，并通过串口输出控制参考信号到后四轮的阻尼力控制通道，后四轮得到前轮计算出的控制参考信号并采集车体的负反馈振动信号，最终通过阻尼力控制器对后轮的振动进行控制。

根据路谱测量通道所测的振动信号范围，划分出不同的振动等级，对应不同的路面状态。考虑到实际控制难以将车体振动完全消除，因此以降低车体振动的等级为目标，以此为原则确定控制参考信号。例如对某型车辆，根据振动信号范围平均划分了六个振动等级，如表1所示。第一振级表明路面振动较小，设置控制参考信号为0V，表明以控制车体振动降至0为目标；第二振级表明路面振动加强，设置控制参考信号为0.5V，表明以控制车体振动降至第一振级为目标；第三振级表明路面振动进一步加强，设置控制参考信号为1.0V，表明以控制车体振动降至第二振级下限为目标；第四振级表明路面振动加剧，设置控制参考信号为2.0V，表明以控制车体振动降至第三振级下限为目标；第五振级设置控制参考信号为2.5V，表明以控制车体振动降至第三振级中间为目标；第六振级设置控制参考信号为3.0V，表明以控制车体振动降至第三振级上限为目标。

表1某型车辆的振级控制表

  路面振动信号/V  振动等级  控制参考信号/V  0---1.0  第一振级  0  1.0---2.0  第二振级  0.5  2.0---3.0  第三振级  1.0  3.0---4.0  第四振级  2.0  4.0---5.0  第五振级  2.5  ＞5.0  第六振级  3.0

当采用两个或两个以上通道采集路谱时，输入电压应是多路通道电压的平均值，建立振级控制表的方法同上。

参照图2，路谱测量通道结构示意图。路谱测量通道，包含：路谱处理器和路谱振动传感器。所述路谱振动传感器，包含：依次串接的加速度传感器、电荷放大器和RMS电路，所述RMS电路输出振动测量信号。路谱处理器由微处理器、A/D转换器和通讯接口组成，路谱处理器存储有振级控制表。路谱测量通道主要用于在车辆行驶时测量路谱，以决定阻尼力控制通道的各控制参考信号。

进行路谱测量，振动传感器可以选用位移传感器、速度传感器或加速度传感器。本控制装置采用加速度传感器测量路谱，加速度传感器一般应安装在前轮轮毂上，车辆在行驶过程中，加速度传感器实时测得路面振动情况。通过传感器、电荷放大器、由RMS电路将振动信号转换成与能量相关的真有效值电压，经过A/D转换器传送到微处理器中，查询振级控制表，将该振级对应的控制参考信号经通讯接口传递到各阻尼力控制通道，作为控制参考信号(电压信号)。

控制装置根据路谱振动传感器的RMS值进行振级设置，可分为6档或6档以上。振级控制表的确定参见表1。振级控制表可在微处理器上电之后利用串口通讯将数据导入到微处理器内存当中，作为控制参考电压以备查用。

参照图3，为电荷放大器的结构原理图。本实施例采用的电荷放大器是可编程增益电荷放大器，其包含两个部分：电荷放大器和可编程放大器。电荷放大器将路谱振动传感器检测到的振动信号转换为电压信号，然后放大输出以满足各种灵敏度的要求。可编程电荷放大器通过改变电阻网络的电阻即可实现放大器的增益的变化。可编程电荷放大器的增益可以设定。

参照图4，为RMS电路原理图。经过滤波的振动信号V_in通过引脚IN进入芯片AD536，该芯片在本电路中将直流或交流信号根据公式$>V_{\mathrm{rms}}=\sqrt{\mathrm{avg}\left({V_{\mathrm{in}}}^2\right)}$>转换为直流信号，即此芯片可以提取出路谱的真有效值并转换为直流电平通过OUT引脚输出。

参照图5，阻尼力控制通道结构示意图。阻尼力控制通道，包含：阻尼力控制器，功率放大器以及反馈振动传感器。所述阻尼力控制器将所述控制参考信号与所述反馈振动传感器的负反馈振动信号相比较，输出阻尼力控制信号，控制所述功率放大器产生调节电流，调节相对应的磁流变阻尼器，改变其阻尼特性，达到车体减振的目的。

阻尼力控制器主要用于控制磁流变阻尼器的阻尼力。阻尼力控制器主要以微控制器单元MCU和PI控制算法(PI控制器)为核心的，包括输入输出接口单元：A/D变换器、I/O接口、D/A变换器。

功率放大器包含：电流负反馈放大器，依次串联的可调增益放大器、PWM脉宽调制器、MOSFET开关功放，所述MOSFET开关功放输出调节电流，所述可调增益放大器输入端接收阻尼力控制信号，电流负反馈放大器反馈调节电流到可调增益放大器的输入端。

反馈振动传感器包含：依次串接的加速度传感器、电荷放大器和RMS电路，所述RMS电路输出振动测量信号。

阻尼力控制通道工作原理。在车辆行驶时，加速度传感器检测的车体振动信号，经过电荷放大器放大后，输出到RMS电路，转换出车体的负反馈振动信号，送入A/D转换器转变为电压值，该电压值与路谱处理器的控制参考信号相比较可得到误差信号，误差信号经过PI控制算法计算出当前阻尼力控制信号，即电压u_i，其计算公式为

$>u_i=k(e_i+\frac{T}{T_I}\underset{j=0}{\overset{i}{\Sigma }}{e}_j)$>

e_i＝u_r-u_ci

其中，

u_i为当前阻尼力控制信号的电压；

e_i为控制参考信号u_r与车体的负反馈振动信号u_ci比较所得误差信号；

u_r是振级控制表中的控制参考信号，该信号是由路谱测量通道得到的数值再查振级控制表得到的；

u_ci是车体的负反馈振动信号；

k是PI控制器的比例增益；

T₁是PI控制器的积分时间常数；

T是PI控制器的控制周期。

为了保证D/A转换器的精度，将其输出固定在5V上，通过调整可调增益放大器改变控制增益，将阻尼力控制信号u_i送到PWM脉宽调制器的输入端。可调增益放大器的增益可以通过$>k_m=\frac{5000}{u_i}$>计算，该k_m值经I/O口动态地改变控制器的增益系数，使控制器的输出随路况动态改变，达到实时控制的效果。可调增益放大器的输出电压送入PWM电压脉宽调制器，PWM脉宽调制器根据输入电压大小不同产生占空比不同的方波，将此方波送给MOSFET开关功率放大器，就会产生0-3A不同大小的输出电流，由电流大小可以改变磁流变阻尼器的阻尼力大小。为了提高控制器抗干扰能力，还设置了电流负反馈电路，反馈系数可设置在0.1-0.3之间。控制中采用位置式PI(比例加积分)控制算法，能消除调节系统的偏差，实现无差调节。

通讯电路是实现“集中-分布式”控制策略的重要部件。因而在各个电路板上都设置了串行通讯接口，其主要作用有二：一是实现通道之间的通讯和数据传递功能，主要是路谱测试通道与各阻尼力控制通道的通讯和数据传递；二是完成各通道和PC机之间的程序和数据的下载功能，通常编程、修改程序和数据的后处理都是在PC机上完成的，编程或修改程序后应将程序通过接口下载到微处理器中用于控制。

本发明控制装置不仅可用于重型汽车悬挂系统的磁流变阻尼器的控制，也可用于履带车辆悬挂系统磁流变阻尼器的控制，不仅能用于控制圆盘式磁流变阻尼器，也可用于控制其它型式的磁流变阻尼器。