主動懸掛的製作方法

2023-05-27 03:37:21 3

專利名稱：主動懸掛的製作方法
技術領域：
本發明涉及主動懸掛。
背景技術：
在所需方向上移動的車輛不可避免地會受到其他方向移動的影響。這種不希望出現的移動常常來自車輛行駛所處介質中的擾動。例如，不論乘坐汽車、輪船或者飛機，人都可能遇到顛簸、波動和氣泡等。最好情況下，這種偶然的加速會導致乘客感覺不舒服和厭煩。對於ー些易受影響的人來說，這些偶然的加速會導致眩暈噁心。不過，在一些情況下，特別猛烈的加速會致使操作人員短暫地對車輛失去控制。即使車輛靜止不動吋，也存在一些與車輛發動機有關的殘餘振動。在移動過程中，即使道路平坦，該殘餘振動也會使人感到壓抑和疲勞。

發明內容
通常在ー個方面，本發明涉及ー種主動懸掛車輛中的實際裝置的方法，該方法包括根據實際裝置的屬性以及名義裝置的屬性之間的差異對控制信號進行改進，實際裝置的屬性由實際裝置對該控制信號的響應進行表示。本發明的實施方法可包括下述特徵的ー個或多個。該實際裝置包括車輛座位。該實際裝置被被動地支撐從而使連接於該實際裝置的主動懸掛經受零均值負載。主動懸掛該實際裝置包括使用電磁致動器主動懸掛該實際裝置。通常在另ー個方面，本發明涉及主動懸掛車輛中實際裝置的方法，該方法包括檢測該實際裝置中特性的變化，該變化表示異常狀態；並且響應於所檢測到的變化而緩衝該實際裝置的移動。本發明的實施方法可包括下述特徵的ー個或多個。檢測變化包括檢測傳感器的故障狀態。緩衝該實際裝置的移動包括夾住連接於該實際裝置的電磁馬達的馬達引線。一般情況下，在另一方面內容中，本發明涉及主動懸掛車輛中實際裝置的控制系統，該控制系統包括該裝置的參考模型；確定該實際裝置的屬性和該實際裝置的參考模型的屬性之間的差異的裝置估測器；以及裝置補償器，該補償器響應於該差異而對抑制該實際裝置振動的控制信號進行改迸。本發明的實施方法可包括下述特徵的ー個或多個。重量傳感器測量與該裝置相關
的重量。一般情況下，在另一方面內容中，本發明涉及用於車輛中裝置的主動懸掛系統，該系統包括電磁致動器；放大器，該放大器具有接收控制信號的控制輸入，與該致動器電連通的輸出，以及接收由該控制信號調製的電源的能量輸入；有源電源，該電源與該放大器的能量輸入電連通，該有源電源具有向該放大器提供恆定能量的飽和運轉狀態以及向該放大器提供可變能量的不飽和運轉狀態；以及無源電源，該電源與該放大器的能量輸入電連通，當該有源電源運轉於該飽和狀態時該無源電源向該放大器提供能量，當該有源電源運轉於該非飽和狀態時該無源電源存儲該有源電源的能量。本發明的實施方法可包括下述特徵的ー個或多個。該無源電源包括電容。該電容設置成使該放大器基本上在55毫秒內停止工作。—般情況下，在另一方面內容中，本發明的特徵包括主動懸掛，該主動懸掛包含連接於車輛中裝置的電磁致動器；以及連接於該裝置的力偏差消除器，用於使該致動器經受零均值負載。本發明的實施方法可包括下述特徵的ー個或多個。該電磁致動器包括多相致動器。傳感器提供表示該裝置的狀態的信息。MEM傳感器提供表示該裝置的狀態的信息。冗餘傳感器提供表示該裝置的狀態的信息。該カ偏差消除器包括氣動系統。該カ偏差消除器 包括液壓系統。電源連接於該電磁致動器，該電源包括響應於最高能源需求的能量存儲元件。該電源包括向該致動器提供能量的有源電源；以及在最高能量需求期間補充由該有源電源提供的能量的無源電源。該無源電源包括在最高能量需求時間段之間由該有源電源重新充電的電容。該能量存儲元件包括電容。該カ偏差消除器設置成能夠對該裝置的位置進行調節。還存在一種被動懸掛，該主動懸掛和該被動懸掛相互平行地連接於該裝置。該設備還包括被動懸掛，並且其中該主動懸掛和該被動懸掛相互串聯地連接於該裝置。該主動懸掛設置成抑制該裝置沿一個軸線的振動，並且該被動中止系統設置成抑制該裝置沿多個軸線的振動。該主動懸掛設置成抑制該裝置沿多個軸線的振動。該多個軸線包括垂直軸線以及沿前後方向延伸的軸線。一般情況下，在另一方面內容中，本發明涉及一種設備，包括主動懸掛，該懸掛包括連接於車輛中裝置的電磁致動器；以及連接於該裝置的力偏差消除器，用於使該致動器經受零均值負載；該主動懸掛設置成具有多個運轉模式，包括主動模式和被動模式。本發明的實施方法可包括下述特徵的ー個或多個。該設備設置成響應於對事件的檢測而在該主動模式和該被動模式之間進行自動轉換。該設備設置成響應於用戶的選擇而在主動模式和被動模式之間進行自動轉換。該電磁致動器具有在被動模式中被短路的端子引線。該カ偏差消除器包括連接於該裝置的被動組件，該被動組件具有可變的彈性件特性。該被動組件在主動模式中具有第一弾性件特性，在被動模式中具有第二弾性件特性。該電磁致動器設置成在主動模式中調節該裝置的位置。該被動組件設置成在被動模式中調節該裝置的位置。該第一弾性件特性受到控制，從而使該被動組件在被動模式中調節該裝置的位置，並且其中該第二弾性件特性被選擇成當與該致動器共同運轉以在主動模式中調節該裝置的位置時，該被動組件移除控制該致動器的控制信號中的力偏差。—般情況下，在另一方面內容中，本發明涉及主動懸掛設備，包括座位；用於向該座位施加カ的電磁致動器；以及連接於該座位的力偏差消除器，用於使該電磁致動器經受零均值負載。一般情況下，在另一方面內容中，本發明涉及一種懸掛座位的設備，該設備包括懸掛該座位的主動懸掛系統；以及故障-安全系統，用於響應於對觸發事件的檢測而控制該座位的懸掛。本發明的實施方法可包括下述特徵的ー個或多個。該懸掛系統包括具有端子引線的電磁致動器，該故障-安全系統響應於對觸發事件的檢測而使該電磁致動器的端子引線短路。該故障-安全系統響應於觸發事件使該主動懸掛處於被動運轉模式。該故障-安全系統設置成響應於檢測到的傳感器故障而對該座位的懸掛進行控制，在運轉中，該故障堤供表示該座位的狀態的信息。該故障-安全系統設置成響應於檢測到該懸掛系統中的故障而對該座位的懸掛進行控制。該故障-安全系統設置成響應於檢測到用戶的選擇而對該座位的懸掛進行控制。一般情況下，在另一方面內容中，本發明涉及一種控制車輛中被主動懸掛的裝置的設備，該設備包括包含電磁致動器的主動懸掛；振動隔離塊，用於響應於該被主動懸掛 的裝置的測得特性而產生控制信號；連接於該裝置的力偏差消除器，用於使該電磁致動器經受零均值負載。本發明的實施方法可包括下述特徵的ー個或多個。補償系統響應於該被主動懸掛的裝置的測得特性與名義裝置之間的差異而改進該控制信號。該裝置包括座位和乘客，並且該補償系統設置成響應於由所述裝置的質量變化所導致的差異而改進控制信號。該補償系統包括反饋迴路，該迴路傳送表示裝置加速度的反饋信號；該補償系統設置成保持該反饋迴路的常數帶寬。一般情況下，在另一方面內容中，本發明涉及一種設備，包括包含電磁致動器的被主動懸掛的座位；與該座位相關聯的特徵，從而使該被主動懸掛的座位的移動與該特徵的移動相匹配。本發明的實施方法可包括下述特徵的ー個或多個。該特徵從下述組中選定，該組包括飲料託座、瀏覽設備、顯示器、控制單元、數據輸入/取回設備、插座和踏板。連接於該裝置的支撐件，該支撐件可響應於由該主動懸掛系統施加的力而進行移動。該支撐件包含剪式支撐件。該支撐件包含四桿連接件。該支撐件包含電磁致動器。該支撐件設置成使響應於沿第一軸線施加的力而進行的移動獨立於響應於沿第二軸線施加的力而進行的移動。該支撐件設置成使響應於沿第一軸線施加的力而進行的移動依賴於響應於沿第二軸線施加的力而進行的移動。該車輛從下述組中選出，該組包括拖拉機、載重拖車、娛樂車輛(RV)、飛行器、汽車、武器平臺、工具機隔離工作檯、電梯、船、卡車、輪椅、救護車、嬰兒車、滾輪車、建築設備以及農用機械，該裝置包括座位。一般情況下，在另一方面內容中，本發明涉及一種設備，包括車輛中的裝置，該裝置可沿多個方向移動；以及用幹支撐該裝置的主動懸掛系統，該主動懸掛系統包括多個電磁致動器，用於沿該多個方向中的每ー個方向施加抑制該裝置振動的カ；控制系統，用於響應於表示該裝置的狀態的信息而控制該多個致動器；該控制系統包括多個控制器，每個控制器的帶寬設計成適應沿該多個方向中的每ー個方向的振動特性。本發明的實施方法可包括下述特徵的ー個或多個。該多個方向包括垂直方向和前後方向，其中與該垂直方向相關聯的帶寬小於與該前後方向相關聯的帶寬。一般情況下，在另一方面內容中，本發明涉及一種設備，連接於座位的主動懸掛；用於控制該主動懸掛系統的控制系統；以及設置於該座位上的坐墊，該坐墊的諧振根據該控制系統的特性進行選擇。
本發明的實施方法可包括下述特徵的ー個或多個。該特性包括與該控制系統相關聯的帶寬，其中該坐墊選擇為具有帶寬外部的諧振頻率。該特性包括與該控制系統相關聯的帶寬，其中該坐墊選擇為具有所述帶寬之上的諧振頻率。一般情況下，在另一方面內容中，本發明涉及ー種使用包括電磁致動器的主動懸掛系統懸掛座位的方法，該方法包括在主動模式和被動模式之間選擇性地轉換主動懸掛的運轉。本發明的實施方法可包括下述特徵的ー個或多個。選擇性地轉換包括響應於對事件的檢測而自動地進行轉換。該事件包括該主動懸掛系統的故障。該事件包括用戶選擇。一般情況下，在另一方面內容中，本發明涉及ー種主動懸掛車輛中裝置的方法，該方法包括使用主動懸掛系統向該裝置施加力，該主動懸掛系統包括電磁致動器；並且激發故障-安全系統從而響應於觸發事件而懸掛該裝置。本發明的實施方法可包括下述特徵的ー個或多個。該觸發事件還包括傳感器中的故障，在運轉過程中，該故障提供表示該裝置的狀態信息。該觸發事件還包括該主動懸掛系統中的故障。本發明的其他特徵和優點將通過隨後的詳細說明和權利要求而變得清楚明了。


圖I和圖4-7示出了被主動懸掛的裝置；圖2和3示出了與被主動懸掛的裝置的平行和串連的連接；圖8示出了控制圖I以及圖4-7所示的被主動懸掛的裝置的控制系統；圖9示出了圖8所示控制系統的實施例；圖IO示出了振動隔離模塊；圖11-12示出了具有不同類型的裝置估測器的控制系統；圖13是由カ偏差消除器使用的算法的流程圖；圖14示出了示例性的力偏差消除器；圖15是示出了力偏差消除器所進行處理的方框圖；圖16示出了測量裝置重量的控制系統；圖17示出了故障-安全系統的算法；圖18示出了一般情況下的能量需求；圖19示出了電源；圖20示出了用於座位的支撐裝置，該裝置使沿不同軸的移動之間實現耦合；圖21示出了改進成適應沿不同軸的移動所進行的耦合的控制系統。
具體實施例方式被主動懸掛的裝置包括連接於一個或多個主動懸掛元件的座位,或者其他平臺，每個主動懸掛元件沿軸線提供主動懸桂。在許多情況下，沿ー個或多個軸線使用與主動懸掛元件共同運轉的被動元件是有用的，但並不是必須的。在這種情況下，主動懸掛元件可與被動懸掛元件串連安裝或者平行安裝。
在下述說明中，將對裝置的位置和移動進行大量的指代。可以理解，為了便於在所公開的實施例中進行討論，「位置」表示裝置相對於車輛的位置，「移動」表示裝置相對於慣性參考基準的移動。因此，對位置信號進行的指代表示具有關於裝置相對於車輛的位置的信息的信號。對移動信號進行的指代表示具有關於裝置相對於慣性參考基準的移動的信息的信號，諸如加速度。下述說明中的實施例表示裝置沿笛卡兒坐標系的三個坐標軸中的任何一個或者多個進行的移動。然而，控制系統的運轉並不需要任何特定的坐標系。例如，裝置可設置成沿兩個軸的任何一個或者多個進行移動。此外，裝置可設置成沿一個或多個非正交軸和正交軸進行移動。下述控制系統也並不局限於對裝置移動的控制。控制系統也可用於控制旋轉移動，諸如傾斜(pitch)、轉動或者偏轉。或者,控制系統可用於控制旋轉移動和平移移動的任 何結合。圖I示出了被主動懸掛的裝置10，該裝置具有影響裝置16沿垂直軸z的移動的垂直主動懸掛元件12，諸如壓縮，還具有影響裝置16沿縱向軸y的移動的縱向主動懸掛元件14。裝置16沿橫向軸X的移動受被動懸掛元件18的影響，諸如彈性件或者基於彈性件/緩衝件的系統。在裝置16包括座位的情況下，如圖I所示，使用主動懸掛元件14抑制縱向移動而不使用純被動懸掛裝置是尤其有用的，因為在カ施加於外部環境上時主動懸掛元件允許座位仍然保持靜止。這ー技術特徵在例如防止座位在駕駛員壓下腳踏板時向後移動的情況下是有用的。如用於本說明書中那樣，主動懸掛是ー種使用致動器作為其整體部分的懸掛。這種致動器能夠產生大小和方向都可獨立於懸掛的位置和移動進行控制的力。在一些實施例中，致動器是電磁致動器，或者電磁馬達，線性的或者旋轉的，單相的或者多相的。術語「裝置」是用來包括接收控制信號並且其位置和移動都將被控制的系統。該裝置可包括座位、乘客、任何與座位相關聯的固定物、座位的支撐結構、電源電子設備，以及主動和/或被動懸掛元件的數學模型，只要是影響待控制系統的動態屬性的元件都處於該範圍內。被主動懸掛的裝置可用於各種應用中。例如，被主動懸掛的裝置可以是發動機的固定件，船上的平臺，座位，床，或者用於任何移動車輛的駕駛室中，諸如轎車、卡車、遊船或者其他水運工具、火車、公共汽車、娛樂車輛、救護車、拖拉機、載貨汽車掛車、農用車輛、建築車輛、武器平臺、飛機、直升機或者其他飛行器，諸如輪椅或者嬰兒床的個人交通設備。被主動懸掛的裝置的其他實例包括車床隔離臺、幹涉儀工作檯、光刻法工作檯等。裝置並不需要包括座位。該裝置也可以是例如貨車駕駛室中或者火車的臥室艙中睡覺用的床。而且，該裝置也不一定是載人裝置。例如，需要非常仔細運輸的易碎品(例如，陶瓷和水晶)或者易爆品(例如，爆炸物)。被主動懸掛的裝置可提供合適的方式運輸這種貨物。而且，該裝置可用於很多地方。例如，在豪華遊船上，該裝置可用於理髮室或者暈船恢復休息室，從而即使在遊船傾斜和轉動的情況下也可保持固定。這種裝置能夠使人在海上暴風雨時倖免遇難。姆個懸掛元件,不論是主動懸掛元件還是被動懸掛元件，都可抑制沿至少ー個軸的移動。在一些實施例中，所有的軸線上設置有主動懸掛元件，在這種情況下不需要使用被動懸掛元件。不過，其他的實施例包括下述情況一個軸，最好是垂直軸上，設置有主動懸掛；垂直軸以外的軸上設置有被動懸掛元件。另外ー種方案是將ー個軸，最好是橫向軸，設置被動懸掛，並在橫向軸以外的軸上設置主動懸桂。在其他實施例中，諸如傾斜、轉動以及偏轉的旋轉移動可被控制。在這種情況下，主動懸掛可設置成促進裝置的傾斜、轉動、偏轉或者它們的組合。沒有設置主動懸掛的軸也不需要設置被動懸桂。但是，如果在其他軸上不設置被動懸掛，那麼乘客就會感到不舒服。由於這個原因，理想情況是將ー個或多個軸上設置主動和被動懸掛。在這種情況下，主動和被動懸掛可串連於主動懸掛或者位於被動懸掛下方，如圖2所示，或者在被動懸掛上方(未示出)。可選擇地，主動和被動懸掛可平行設置，如圖3所示。在一些實施例中，主動懸掛可被不定時地或者時時地打開和關閉，可以一次作用於所有軸上或者可ー個軸ー個軸地進行。在一些情況下，如果與某軸相關聯的主動懸掛元件沒有起到作用，那麼設置與該主動懸掛元件有關的故障-安全系統以緩衝沿著該軸線的裝置的移動將是有用的。可選擇地，如果主動和被動懸掛是串聯的，那麼主動懸掛的電源可被切斷。在這種情況下，任何與主動懸掛相關聯的移動部件都被夾住。一旦主動懸掛的移動部件被夾住，那麼只有被動懸掛會影響裝置的移動。在其他情況下，主動懸掛的移動部件仍然可響應於被動懸掛元件的作用而保持自由移動。垂直主動懸掛元件12包括垂直加速度計20 ;垂直位置傳感器24 ；以及垂直致動器28，該致動器在所示實施例中與垂直位置傳感器24平行並且最好儘可能地接近垂直加速度計20。相似地，縱向主動懸掛元件14包括縱向加速度計22 ;縱向位置傳感器26 ;以及縱向致動器30，該致動器與縱向位置傳感器26平行並且最好儘可能地接近縱向加速度計22。可用於主動懸掛元件12、14的致動器28、30包括単相或者多相的電磁致動器，諸如三相線性致動器、單相線性致動器、旋轉致動器和可變磁阻致動器。一個合適的致動器是一種諸如美國專利No. 4，981,309公開的電磁線性致動器，其內容在這裡以參考的方式引用。任何具有足夠分辨度和精度的位置傳感器24、26都可以使用。合適的位置傳感器24,26的實例包括具有電位計的傳感器、利用霍爾效應的傳感器以及使用磁致伸縮的傳感器。具有電位計的位置傳感器的實例包括來自於德國Ostfildern的Novotechnik Inc公司的傳感器。其他可與主動懸掛元件共同使用的位置傳感器24、26包括具有編碼器的傳感器，並具有限制開關以確定絕對位置。這種類型的各種位置傳感器在固定於參考基準上時可用於獲得相對於參考基準的加速度。適合的加速度計20的實例包括基於MEM(微電子機械)的加速度計，諸如由紐約Ithaca的Kionix, Inc.製造的KXM60系列中的加速度計。為了幫助抑制垂直移動，被主動懸掛的裝置10包括移除致動器命令力信號中的 偏置力的元件，從而使致動器經受零均值負載。在一些實施例中，該元件具有可變低剛度彈性件的動態特性。低剛度彈性件的特性確保致動器在進行主動隔離時不與弾性件「鬥爭」。這可減少能量損失。這種元件，稱之為「カ偏差消除器系統」，可實施為具有相關聯貯存器的汽缸，如圖14所示。力偏差消除器系統提供偏置力，由此使致動器不提供力。這種偏置可由諸如裝置16重量的因素而得到。因為カ偏差消除器系統提供了偏置力，所以垂直致動器28隻需要抑制偏離於預定平衡位置的偏移。在優選實施例中，汽缸和相關聯的貯存器設置成使致動器保持零均值負載。如下所述，力偏差消除器系統也可在使用或不使用附加緩衝的情況下提供被動懸桂。如圖4所示，被主動懸掛的裝置16的另ー實施例提供用於抑制裝置16沿垂直軸移動的單獨主動懸掛元件34。在這種情況下，主動懸掛元件34與多軸被動懸掛元件36串聯安裝。如圖4所示，多軸被動懸掛元件36安裝於主動懸掛元件34和裝置16之間。但是，被動懸掛元件36也可安裝於裝置16和車輛地板37之間，如圖5所示。如圖6所示，裝置16可包括除了座位40和其乘坐者以外的其他各種特徵或者結構。這些附加特徵或者結構屬於通過相對於裝置16保持固定而極大受益的類型。示例性結構包括水杯託架42，該託架中常放有在車輛隨機加速作用下易於灑落的飲料，書寫表面、數據輸入/取回設備、菸灰缸或者其他容器44、諸如瀏覽顯示的顯示器以及控制器47，尤其是不需要與車輛進行直接機械連接的控制器。示例性控制器包括操作重型裝置的電子控制 器，諸如踏板或槓桿的用於制動和加速的控制器。雖然所示的特徵或結構裝接於裝置16，但是應該注意，這些特徵或結構可位於遠離裝置16 (未示出)的位置處，但是受裝置16移動的「控制」。圖I和圖4-7所示的被主動懸掛的裝置16包括基部46，該基部設置成可通過螺栓固定於各種馬達車輛和其模型的標準螺栓孔中。但是，被主動懸掛的裝置16可被各種支撐結構中的任何結構支撐，包括圖7所示的將在致動器衝程與行程的比率小於I時所使用的剪式機構51、改進的剪式機構、四桿連接件以及改進的四桿連接件。而且，致動器本身可設計為支撐結構的一部分。主動懸掛元件12、14與控制系統48進行數據交換，如圖8詳細所示。控制系統48接收傳感器24、26的數據信號，諸如裝置加速度an和裝置16相對於車輛的位置pr。然後，控制系統48經由控制器49提供控制信號ur用於使相應的致動器28、30(見圖I)施加力，從而使裝置16恢復至平衡位置；最大程度地減小裝置16所受的加速度。數據信號表示裝置16的位置和加速度，以及裝置16屬性的數據指標。與裝置16交換數據的力偏差消除器模塊60從致動器カ控制信號u r中移除偏差，從而保持零均值負載作用於致動器。在實際情況中，實際裝置16的相應特性可能不會被精確地得知。因此，一般情況下，任何控制器49的設計以及控制器49所輸出的控制信號(ur)會以關於這些特性的假設為基礎。因此，用於控制實際裝置16(real plant)的控制信號可能不會實現預期的效果。因此，控制系統48估測出有關實際裝置16的假設中的錯誤並且對這些錯誤進行補償。在這些實施例中，如下文所述，所述估測和假設使用同一參考模型。圖9示出了示例性控制系統48，在該系統中參考模型包括名義裝置的數學參考模型50，其形式為名義裝置對複合頻率輸入s的響應Pn (S)。為了表述的簡潔起見，名義裝置的該數學模型50將簡單地指代為「名義裝置50」。名義裝置的響應與實際裝置的位置和移動的數據指標由振動隔離模型52使用從而計算出名義控制信號un。因此，名義裝置50是用於實際裝置16的參考模型。這種模型可定義為包括ー個或多個參數，包括理想的性能特性、頻率響應、極點/零點或者這些參數的結合。例如，在實際裝置16包括車輛座椅的情況下，表示名義司機重量的參數可定義為大量典型司機的平均體重。可使用各種方法實現振動隔離模塊52。例如，圖10示出了包括位置和加速度反饋信號的振動隔離模塊52。在一些實現方法中，具有位置反饋迴路的位置控制器將相對位置信號Pr作為輸入並促使實際裝置16保持預定的平衡位置r。在一些情況中，平衡位置可對應於致動器衝程的中點。在其他實施方法中，具有加速度反饋迴路的加速度控制器將加速度信號ar作為輸入並控制實際裝置16所受的加速度。為了方便討論，下述描述以雙迴路控制結構為基礎。不過，一般來講，控制器使用實際裝置16的位置和加速度作為輸入並提 供控制信號作為輸出。實現方法不需要為雙迴路控制器結構。例如，控制器可具有單迴路。其他實施例包括具有2n個輸入和η個輸出的控制器，其中η是被主動控制的軸線的數量。位置迴路的帶寬可根據乘客所感受到的不舒服而進行設計的。所進行的設計隨著實際裝置16的待控制移動所沿的特定軸線進行變化。例如，大多數乘客可在垂直方向上承受比前後方向上更大的振動。此外，一般情況下，在前後方向上振動的光譜具有比垂直方向上振動的光譜大的高頻分量。因此，在一些實施例中，用於抑制垂直方向上振動的位置迴路具有比用於抑制水平方向上振動的位置迴路更小的帶寬。當多於ー個軸線被主動控制吋，每個主動軸的位置迴路可具有適應於沿著該軸的振動特性的帶寬。在圖10所示的實施方法中，所測量的位置信號pr表示實際裝置16和車輛框架之間的相對位移，該信號被從裝置16的理想平衡位置!·中減去。所得的差值輸入振動隔離模塊52。測得的加速度信號ar從理想的加速度中減去，該理想加速度在所示實施例中是零加速度。所得的差值輸入振動隔離模塊52。振動隔離模塊52的輸出是名義控制信號un。合適的振動隔離模塊52包括美國專利3，701，499和6，460，803中記載的模塊，其內容在這裡以參考的方式加以引用。在一些情況中，理想的是在對裝置16進行主動控制的同時改變實際裝置16的理想平衡位置r。例如，當實際裝置16包括座位時，希望調節座位的高度以適應不同的乘客。這一點可通過改變理想平衡位置r得以實現。對於圖9所示的控制系統48來說，理想平衡位置r中的變化將會引起控制信號ur中的偏差力分量。偏差力分量由力偏差消除器模塊60移除。如上所述，振動隔離模塊52產生名義控制信號，該信號在名義裝置50受到由測得位置和加速度信號表示的特定擾動時可用於控制名義裝置50的移動。為了使振動隔離模塊52產生名義控制信號，將表示這些擾動的信號ar、pr輸入振動隔離模塊52中。不過，一般來講，名義裝置50具有與實際裝置16不同的動態特性。因此，振動隔離模塊52的輸出一般不會被優化以控制經受那些相同擾動的實際裝置16的移動。但是，在大多數情況下，名義裝置50和實際裝置16具有足夠相似的動態特性，從而使控制實際裝置16的控制信號，這裡稱之為「實際控制信號」與名義控制信號相似。不存在任何的正經受任何實際物理移動的實際名義裝置50，注意到這一點是很重要的。只存在名義裝置的模型。該模型被選擇成以與實際裝置16相同的響應方式進行響應。實際上，控制系統48使用名義裝置50模擬實際裝置16對控制信號的響應。控制系統48可自由地使用名義裝置50對控制信號的假設響應以及實際裝置16對該控制信號的實際測得響應。根據假設響應和實際測得響應之間的不同，控制系統48對控制信號進行調整。為了補償實際裝置16和名義裝置50之間的差異，控制系統48使用裝置估測器62至少部分根據表示實際裝置16移動的信號對該差值進行估測。然後，裝置估測器62向裝置補償器64提供表示該差異的誤差信號e (s)。然後，裝置補償器64通過在名義控制信號un輸入實際裝置16之前對其進行改進而對該差異進行補償。裝置估測器62和裝置補償器 64的結合使用即被稱為「補償系統65」。雖然裝置估測器62和補償器64相互分離，但是將其進行分離只是為了示出它們各自的功能。在實際使用中，裝置估測器62和補償器64的功能可通過嵌入在単獨硬體元件或者軟體中的電路得以實現。實際上，裝置補償器64使用誤差信號幹擾名義控制信號un。該幹擾可得到實際控制信號ur，該控制信號輸入實際裝置16中。如圖11所示，裝置補償器64包括放大器。但是，裝置補償器64也可包括過濾器。注意，如這裡所使用的那樣，「實際」表示控制信號將輸入實際裝置16中。而不表示其常用的數學含義，即信號沒有虛數分量。在圖9中，裝置估測器62示出為接收各種輸入，其中包括表示實際裝置16所受擾動的實際擾動信號，例如位置和加速度信號ar、pr以及表示由名義控制信號un控制的名義裝置50所受的相應擾動的名義擾動信號51。可選擇地，從控制系統48外部獲得的其他信息可用於估測所述差異，如下所述。這些輸入表示裝置估測器62可用於產生誤差信號的信息的可能來源。裝置估測器62的實施例並不需要實際接收或者使用如圖9所示的所有信息來源，而是可替代地接收或者使用這些信息來源的子集。設計補償系統65的細節取決於將要實現的控制目標。在一項實施例中，如圖11所示，補償系統65的控制目的是保持開環加速度迴路傳遞函數的常數帶寬，該帶寬是通過開環加速度迴路傳遞函數的幅值與Odb線相交處的頻率確定的，而不取決於由乘客體重所導致的任何裝置差異。補償系統65是通過下述方式實現這一點的，即響應於在相同條件下實際裝置16所受的實際加速度和名義裝置50將要經受的名義加速度之間的差異而適應性地調整加速度迴路傳遞函數的増益。在這種情況下，合適的補償系統65是模型參考適應性控制器。在這種情況下，裝置估測器62根據實際裝置16的實際加速度信號ar以及表示名義裝置50將要經受的加速度的名義加速度信號un產生誤差信號e (s)。在這種情況下，裝置補償器64是放大器，將名義控制信號un與誤差信號e相乘從而獲得實際控制信號ur。如圖12所示，使用模型參考適應性控制器所實現的補償系統65包括過濾名義裝置50在相同情況下將會經受的名義加速度an的第一過濾器66，以及過濾實際裝置16經受的實際加速度ar的第二過濾器68。當使用名義控制信號un作為輸入時，可獲得名義加速度an作為名義裝置50的輸出。第一過濾器66的輸出是經過濾的名義加速度ajn，第二過濾器68的輸出是經過濾的實際加速度afr。第一和第二過濾器66、68主要處理理想的相交頻率(即，Odb處的頻率)。經過濾的名義加速度在減法器70中從經過濾的實際加速度減去從而產生誤差信號。該誤差信號可進ー步以多種方式進行處理從而最大限度地減小誤差e的某些量化指標。在圖12所示的實施例中，將要被最小化的誤差的量化指標是誤差e的最小均方根(LMS)。這是通過在放大器72中將誤差信號乘以經過濾的名義加速度afn而實現的。這ー過程的結果，即補償信號的導數，隨後被輸入積分器74。積分器74的輸出然後與名義控制信號相乘從而產生實際控制信號。補償系統65的可選特徵使積分器74在特殊情況下提供單位輸出。在這些特殊情況下，當積分器74的輸出與名義控制信號相乘時，名義控制信號將保持不變。因此，實際控制信號將與名義控制信號相同。示例性特殊情況包括對名義控制信號進行檢測，該名義控制信號將使致動器施加非常小的力，大約為摩擦力。其他的特殊情況包括檢測低於閾值的加速度，或者任何其他特殊情況的結合。
圖12示出補償系統65的特定實施例，該系統可只補償許多因素中的ー個因素，在這種情況下，該因素為實際裝置16的動態屬性的變化。例如，這種變化來自於乘客重量的變化，而乘客重量的變化會導致實際裝置16和名義裝置50的動態屬性之間的差異。不過，補償系統65可指定為補償其他的這類因素。這類因素中的ー個包括電源電子設備(powerelectronics)參數中的偏差(drift)。控制系統48是使用連續時間信號的模擬系統。但是，控制系統48也可實現為使用離散時間，在這種情況下，積分器74變為加法塊，低通過濾器66、68變為適當定義的數字過濾器。如上所述，抑制垂直方向上移動的垂直主動懸掛元件12包括垂直致動器28，該致動器施加必要的カ以將裝置16保持在平衡垂直位置。不過，在垂直方向上，裝置16—直受到重力的作用。因此，致動器28消耗大量的能量以支撐裝置16的重量。在一項實施方法中，力偏差消除器系統用於在垂直方向上施加偏置力，該力足夠抵消實際控制信號ur中的力偏差分量，由此保持垂直致動器28的零均值負載。使用由此得到的力偏差消除器系統，垂直致動器28備用於施加ー個將裝置16保持於平衡位置處的力。而垂直致動器28隻需要施加カ以補償離開平衡位置的較小偏移。如上所述的カ偏差消除器系統並不是嚴格必須的。原則上，僅需使垂直致動器28施加一適當的偏差力。如果室溫超導體適用於傳送產生這種カ所需的電流，那麼這種結構是有實際用處的。不過，對於已知的電磁致動器，對裝置16進行支撐所需的電流將會是非常的大，並會產生顯著的廢熱。力偏差消除器系統可以是比較簡單的系統，諸如可調節彈性件或者具有低剛度可調節彈性件的機械特性的裝置。不論車輛是否行進，適當的力偏差消除器系統最好都進行運轉。這將在所有能源都關閉的情況下使車輛的乘客能夠舒服地乘坐。這ー特徵對於保證安全來說也是重要的。如果在以高速行進的車輛中，失去動カ的車輛上的所有座位的位置都突然下降，那麼乘客會不安的。為了對這一力偏差消除器系統進行控制，控制系統48也包括力偏差消除器模塊60(見圖11)，其功能是使カ偏差消除器系統在各種變化的環境中提供適當的偏置力。如圖9所示，力偏差消除器模塊60從實際裝置16中接收加速度和位置數據，從補償系統65中接收實際控制信號ur。根據該數據，力偏差消除器模塊60向力偏差消除器系統提供偏差控制信號，這將在下文中結合圖13進行討論。如下所述，主動懸掛系統設置成以多種模式進行運轉安全(被動/故障安全)模式、主動(力偏差消除)模式和顛簸停止(bump stop)模式。如圖13所示，該系統經由カ偏差消除器模塊60或者分離的故障-安全系統(見下文詳細內容)首先檢測是否出現觸發事件。觸發事件響應於裝置16的特性的任何變化而產生，該變化可能表示異常狀態。示例性觸發事件包括主動懸掛元件出現故障、嚴重的電纜故障或者傳感器故障(步驟76)。通過對觸發事件的檢測，力偏差消除器模塊60使力偏差消除器系統86以下述模式運轉，即包括「被動模式」、「安全模式」或者「故障-安全模式」(步驟78)。在這種模式中，裝置16的位置經由カ偏差消除器模塊60進行調節，如下文結合圖14和15所述。在一些實施例中，轉換至「被動模式」的操作可實現為可由用戶選擇的技術特徵。主動懸掛元件是否在工作可容易地通過例如檢測輸入其中的能量而得以確定。如果系統確定主動懸掛元件正在工作，那麼就可使用實際裝置16的加速度和位置信號確定垂直致動器28是否可能到達其行程的末端，即垂直致動器28是否可能碰到其兩個顛簸停止件中的ー個(步驟80)。如果這樣，那麼カ偏差消除器模塊60使力偏差消除器系統以「顛簸停止」模式(步驟82)運轉。否則，力偏差消除器模塊60使力偏差消除器系統以正常模式或者「主動模式」(步驟84)運轉，如 下結合圖14和15所述，其中裝置16的位置通過控制一個或多個致動器而進行調節。示例性力偏差消除器系統86是氣動力偏差消除器(如圖14所示)，該消除器包括支撐有裝置16的缸88和匹配活塞90。活塞頭部下方的缸體，即「下缸腔」(lower cylinderchamber)通過供給氣門92連接於壓縮氣源(未示出)上，或者通過放氣氣門94連接於周圍的空氣。可選擇地，下缸腔可通過操作三向手動調節氣門96連接於壓縮氣源(未示出)或者周圍的空氣。壓縮氣源可容易地使用機載氣源，例如通過泵而保持於高壓的壓縮空氣儲存器。座位結構的中空部分也可用作空氣儲存器，由此將空氣儲存器結合或者集成於座位結構本身。可選擇地，力偏差消除器系統可以是液壓系統。缸88可包括響應於氣壓和裝置重量而進行移動的活塞90。或者，缸88可響應於壓カ和重量而簡單地膨脹與收縮，橡膠輪胎也以頗為相同的方式膨脹與收縮。與汽缸88液體連通的膨脹腔98可以是外部空氣存儲器。可選擇地，膨脹腔98可構建於座位結構本身，由此節省車輛內部的空間。在正常模式或者「主動模式」中，力偏差消除器模塊60根據例如控制信號ur確定壓カ是否需要増加或者減小，如圖11所示。如果壓カ需要増加，那麼カ偏差消除器模塊60使供給氣門92開啟，並使放氣氣門94關閉，由此使低缸腔充滿壓縮空氣。相反地，如果壓力需要減小，那麼控制器使供給氣門92關閉，放氣氣門94開啟。這可放出下缸腔中的高壓空氣。圖15示出了通過使用實際控制信號ur作為以主動模式運轉的力偏差消除器模塊60對實際控制信號的偏差分量進行檢測和移除的過程。實際控制信號ur首先通過低通過濾器100移除高頻偏差，該高頻偏差很可能是消除隨機加速度時所得的結果。因此，低通過濾器100隔離很可能是裝置16中實際重量變化所得結果的低頻變化。合適的低通過濾器100具有大約O. 5赫茲的轉角頻率。然後，力偏差消除器模塊60使用實際控制信號的低頻分量的符號或者相角確定是否施加偏置力以抵消ur中的偏差信號分量。對於圖15中的實施方法，使用實際控制信號ur作為輸入的力偏差消除器模塊60確定對抗活塞90的壓カ是否需要増加或者減小。然後，力偏差消除器模塊60向對供給氣門92進行控制的供給氣門中繼器(未示出)以及對放氣氣門94進行控制的放氣氣門中繼器(未示出)發送適當的氣門致動信號V。如果壓カ需要増加，那麼カ偏差消除器模塊60向供給氣門92中繼器發送信號以開啟供給氣門井向放氣氣門中繼器發送信號以關閉放氣氣門94。相反地，如果壓カ需要減小，那麼カ偏差消除器模塊60向放氣氣門94中繼 器發送氣門致動信號V以開啟放氣氣門井向供給氣門中繼器發送信號以關閉供給氣門92。在一些實施例中，具有「間隙(backlash)」(磁滯)的中繼器可防止圍繞中繼器定點的開啟-關閉氣門的振動。力偏差消除器系統86也包括上、下顛簸停止氣門102、104，所述氣門用幹「顛簸停止」模式從而防止下述情況下的移動，即在垂直致動器28不可能防止裝置16突然達到其行程末端的情況下。上顛簸停止氣門102提供了在活塞頭部上方的缸體(「上缸體」)和周圍空氣之間的通路。在正常運轉中，該上顛簸停止氣門102是開啟的，從而使空氣可自由地進出上缸腔。但是，如果カ偏差消除器模塊60檢測到垂直致動器28不可能使裝置16停止達到其行程的頂端，那麼該模塊關閉上顛簸停止氣門102。這就防止空氣在活塞90向上移動的同時從上缸體溢出。因此，空氣隨著活塞90的上升而被壓縮，由此施加ー個防止活塞90進ー步向上移動的カ(因此也就作用於裝置16上)。下顛簸停止氣門104根據放氣氣門94和供給氣門92是否開關提供了下缸腔與周圍空氣或者壓縮氣源之間的通路。在正常運轉中，下顛簸停止氣門104是開啟的。這就允許カ偏差消除器模塊60通過選擇性地開啟和關閉放氣氣門和供給氣門92而自由地控制裝置高度。但是，如果カ偏差消除器模塊60檢測到垂直致動器28不可能停止裝置16達到其行程的底部，那麼該模塊即關閉下顛簸停止氣門104。這就會防止空氣隨著活塞90的向下移動而從下缸腔中溢出，由此施加ー個防止活塞90進ー步向下移動的カ(因此也就作用於裝置16上)。當力偏差消除器模塊60確定主動懸掛元件已經不起作用，該模塊發送氣門致動信號V以通過同時關閉上和下顛簸停止氣門102、104而密封上下腔室。這就使力偏差消除器系統86以「安全模式」運轉，該模式中力偏差消除器系統86起到弾性件的功能。當以安全模式運轉時，空氣進入和離開缸88的唯一通道是通過三向手動調節氣門96。該三向手動調節氣門96具有閉合位置，在該位置處沒有空氣可以進入或者離開下腔室；放氣位置，在該位置處下腔室連接於周圍空氣；以及填充位置，在該位置處下腔室連接於壓縮氣源(未示出)。在安全模式中，裝置16的高度通過操作調節氣門96進行控制。升高裝置16吋，調節氣門96使壓縮氣源與下腔室連接。降低裝置16時，調節氣門96使周圍空氣與下缸腔連接。當裝置16處於理想位置時，調節氣門96密封下缸腔。下表總結了圖14所示的各種氣門在各種運轉模式下的設置
權利要求
1.一種裝置，包括 主動懸掛(14)，該主動懸掛(14)包括耦合到車輛中設備(16)的電磁執行器(28，30)；耦合到所述設備(16)的力偏壓消除器(86)，用於使得所述執行器(28，30)經歷零平均值的負載；其特徵在於 隔振模塊(52)，用於基於標稱設備對被主動懸掛的設備的所測量幹擾的響應來生成控制信號；以及 補償系統(64)，用於響應於所述標稱設備對所述控制信號的響應與所述被主動懸掛的設備對所述控制信號的被測量響應之間的差別來修改所述控制信號。
2.根據權利要求I所述的裝置，進一步包括傳感器(24，26)，用於提供指示所述設備(16)的狀態的信息。
3.根據權利要求I所述的裝置，進一步包括重量傳感器，用於測量與所述設備(16)相關聯的重量。
4.根據權利要求I所述的裝置，其中所述力偏壓消除器(86)包括氣壓系統。
5.根據權利要求I所述的裝置，其中所述主動懸掛(14)配置為具有多個操作模式，包括主動模式和被動模式。
6.根據權利要求5所述的裝置，其中所述裝置配置為響應於檢測到事件而在所述主動模式與被動模式之間自動地切換。
7.根據權利要求5所述的裝置，其中所述裝置配置為響應於用戶選擇而在所述主動模式與被動模式之間切換。
8.根據權利要求I所述的裝置，其中所述設備(16)包括座椅，並且其中所述電磁執行器(28，30)耦合到所述座椅以對所述座椅施加力。
9.根據權利要求8所述的裝置，其中 所述補償系統￠4)配置為響應於所述座椅的不同乘客的重量的差別來修改所述控制信號。
10.根據權利要求8所述的裝置，其中 所述補償系統(64)包括反饋環路，其攜帶指示設備加速的反饋信號；並且 其中所述補償系統￠4)配置為保持所述反饋環路的恆定帶寬。
11.根據權利要求1、3、4、8或9所述的裝置，其中所述補償系統(64)配置為響應於所述設備(16)的重量的快速改變來修改所述控制信號。
12.根據權利要求11所述的裝置，其中所述設備(16)的重量的快速改變是由於裝載或者卸載所述設備(16)而引起的。
13.根據權利要求11所述的裝置，其中所述控制信號被修改，從而在所述力偏壓消除器(86)被允許適應於新的設備重量時，所施加的最大執行器力降低。
14.根據權利要求I或8所述的裝置，其中所述補償系統￠4)設置為獨立於設備差異而保持恆定的開環加速傳遞函數。
15.根據權利要求I所述的裝置，其中如果所述控制信號將使得所述執行器施加大小處於摩擦力級別上的力，則所述補償系統(64)不修改所述控制信號。
16.根據權利要求I或15所述的裝置，其中如果所述控制信號將使得所述設備的加速小於預定閾值，則所述補償系統(64)不修改所述控制信號。
全文摘要
本發明涉及主動懸掛。具體地，一種裝置，包括主動懸掛(14)，該主動懸掛(14)包括耦合到車輛中設備(16)的電磁執行器(28，30)；耦合到所述設備(16)的力偏壓消除器(86)，用於使得所述執行器(28，30)經歷零平均值的負載；其特徵在於隔振模塊(52)，用於基於標稱設備對被主動懸掛的設備的所測量幹擾的響應來生成控制信號；以及補償系統(64)，用於響應於所述標稱設備對所述控制信號的響應與所述被主動懸掛的設備對所述控制信號的被測量響應之間的差別來修改所述控制信號。
文檔編號B60N2/54GK102649406SQ201210155388
公開日2012年8月29日 申請日期2005年10月27日 優先權日2004年10月29日
發明者丹尼爾·F·奧皮拉, 厄潘德拉·V·烏梅薩拉, 託馬斯·C·施洛德, 琳達·伊斯圖塔, 羅曼·利託夫斯基, 詹姆斯·A·帕裡森 申請人:伯斯有限公司