CN112477578B - 一种压电-电磁复合馈能主动悬置及其控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种压电‑电磁复合馈能主动悬置,包括:主动液压悬置本体和集成控制回路;液压悬置本体包括连接螺栓、橡胶主簧、金属外壳、金属底座、上惯性通道体、下惯性通道体、解耦膜、橡胶底膜、节流盘、电磁作动器、电磁屏蔽网和馈能***;馈能***包括第一压电馈能***、第二压电馈能***和电磁馈能***。第一压电馈能机构包括由压紧螺母、上层复合材料压电片、基板、下层复合材料压电片、连接螺栓和保护壳组成,为双晶悬臂式压电馈能结构;第二压电馈能机构包括复合材料压电圆筒和传力压块;电磁馈能机构包括永磁体、硅钢片、励磁线圈和密封顶盖。本发明还公开了一种压电‑电磁复合馈能主动悬置的控制方法。
Description
技术领域
本发明涉及汽车动力总成悬置隔振技术领域,尤其涉及一种压电-电磁复合馈能主动悬置及其控制方法。
背景技术
随着道路交通环境的不断改善,以及轿车朝着大扭矩、轻量化方向发展,发动机产生的振动和噪声在整车振动噪声中所占比例大大增加,发动机隔振技术受到广泛关注。橡胶悬置和液压悬置可以在一定程度上隔离发动机的振动噪声向车内传递,但由于发动机多振源、宽频带、形态复杂的特点,传统的被动式悬置刚度、阻尼特性单一,无法满足各种工况的隔振要求。半主动悬置虽然可以在一定范围内改变刚度或阻尼特性,但由于对***结构参数敏感、需要严格的设计要求和制造工艺保障,常仅被用来改善低频隔振性能,同样无法适应复杂工况。主动悬置由于可以通过控制解耦膜运动,输出与激振力等幅反向的做动力抵消振动,隔振性能优越,已被应用到高端轿车上。但由于主动悬置需要实时输出作动力,能量耗损较大,与节能要求相斥。而现存的节能式悬置往往由于其节能机构较简单、单一,振动能量转换率较低,因而节能效果有限,无法满足主动悬置工作的需要。这些弊端都限制了节能式主动悬置的发展。因此,急需设计一款具有高能量回收效率的主动悬置。
发明内容
技术上述技术问题,本发明设计开发了一种压电-电磁复合馈能主动悬置,本发明通过两套压电馈能机构和一套电磁馈能机构将振动能量转为可供主动悬置工作利用的电能,达到节能的效果。
本发明设计开发了一种压电-电磁复合馈能主动悬置的控制方法,本发明使主动悬置对激振响应更迅速、精准,提升主动隔振效果。
本发明提供的技术方案为:
一种压电-电磁复合馈能主动悬置,包括:
主簧,其为圆台型,且所述主簧中心处具有第一容纳空腔;
双晶结构圆板压电片,其支撑在所述主簧的上部;
筒形压电片,其固定在所述第一容纳空腔内壁上,并且形成第二容纳空腔;
传力压块,其匹配设置在所述第二容纳空腔内;
连接螺栓,其一端依次穿过所述双晶结构圆板压电片和所述传力压块,且所述连接螺栓与所述双晶结构圆板压电片固定连接;
节流盘,其固定在所述连接螺栓的一端;
环形永磁体,其周向均布在所述节流盘的端部;
金属外壳,其固定在所述主簧的底部,且所述金属外壳的底部具有第一容纳槽,所述金属外壳的侧壁具有卡槽;
上惯性通道体,其匹配设置在所述第一容纳槽内,且所述上惯性通体具有中部节流孔和惯性通道;
硅钢片,其匹配卡合在所述卡槽内;
励磁线圈,其缠绕在所述硅钢片上;
金属底壳,其与所述金属外壳可拆卸的连接,且所述金属底壳的顶部具有第二容纳槽;
下惯性通道体,其匹配设置在所述第二容纳槽内,且所述上惯性通体具有中部节流孔和惯性通道;
解耦膜,其设置在所述上惯性通道体和所述下惯性通道体之间,且设置在所述中部节流孔内;
底膜,其设置在所述金属底壳内;
电磁作动器,其固定设置在所述金属底壳的底座上,且所述电磁作动器的传动器推杆与所述解耦膜固定连接;
其中,所述上惯性通道体、所述主簧和所述金属外壳形成上液室,所述下惯性通道体和所述底膜形成下液室,在所述上液室、所述下液室和所述惯性通道内均充满粘性液体。
优选的是,所述双晶结构圆板压电片包括:
上层复合材料压电片,其由多层压电复合材料堆叠;
下层复合材料压电片,其由多层压电复合材料堆叠;
金属基板,其由所述上层复合材料压电片和所述下层复合材料压电片包夹固定。
优选的是,所述双晶结构圆板压电片沿径向均布多个矩形槽。
优选的是,还包括:碳纤维电磁屏蔽网,其罩在所述电磁作动器外部。
一种压电-电磁复合馈能主动悬置的控制方法,其特征在于,使用所述的压电-电磁复合馈能主动悬置进行控制,包括如下步骤:
步骤一、根据采样周期,确定蓄电池电压;
步骤二、当所述蓄电池电压小于额定值时,所述电磁作动器不工作;当所述蓄电池电压达到额定值时,所述电磁作动器工作,产生作动力。
优选的是,在所述步骤二中,确定所述作动力包括:
步骤1、采集所述双晶结构圆板压电片产生的第一电压和所述筒形压电片产生的第二电压后,确定发动机端的激振力和所述电磁作动器的初始作动力:
FO=BI0L0;
其中,α=hm/h1,A=1-α3+α3β,β=Em/Ep;
式中,Fi为发动机端的激振力,FO为电磁作动器的初始作动力,U1为第一电压,U2为第二电压,hm为金属基板的厚度,h1为双晶结构圆板压电片总厚度,Em为金属基板的杨氏模量,Ep为上层或者下层复合材料压电片的杨氏模量,L为上层或者下层复合材料压电片的等效长度,W为上层或者下层复合材料压电片的等效宽度,g31为复合压电材料变形方向的压电电压常数,εr为相对介电常数,ε0为真空介电常数,S为筒形复合材料压电片的受力面积,d为材料变形方向压电系数,h2为筒形复合压电材料片厚度,θ为筒形复合材料压电片斜面与垂直平面的夹角,B为磁场强度,I0为电流强度,L0为励磁线圈总长;
步骤2、得到相对误差E:
步骤3、当所述相对误差E大于0.1时,采用模糊控制得到所述电磁作动器实时更新的输入电流,进而控制所述电磁作动器的实时作动力进行主动隔振;以及
当所述相对误差E小于0.1时,采用BP神经网络PID控制得到所述电磁作动器实时更新的输入电流,进而控制所述电磁作动器的实时作动力进行主动隔振。
优选的是,在所述步骤3中采用模糊控制得到所述电磁作动器实时更新的输入电流,包括如下步骤:
分别将发动机激振力向车架的传递率的模糊量化量、发动机主振频率的模糊量化量以及输出电流控制信号转换为模糊论域中的量化等级;
将所述发动机激振力向车架的传递率的模糊量化量以及所述发动机主振频率的模糊量化量输入模糊控制模型,均分为5个等级;模糊控制模型输出为所述输出电流控制信号,分为5个等级;
其中,所述发动机激振力向车架的传递率的模糊量化量的论域为[0,6],所述发动机主振频率的模糊量化量的论域为[0,6];输出电流控制信号的论域为[0,6],比例因子为2.5;
所述发动机激振力向车架的传递率的模糊量化量的模糊集为{PZ,PS, PM,PB,PL},所述发动机主振频率的模糊量化量的模糊集为{PZ,PS,PM, PB,PL},所述输出电流控制信号的模糊集为{PZ,PS,PM,PB,PL};隶属函数均选用三角函数。
优选的是,在所述步骤3中采用BP神经网络PID控制得到所述电磁作动器实时更新的输入电流,包括如下步骤:
按照采样周期,确定三层BP神经网络的输入层向量为x={x1,x2,x3,x4};其中,x1=e(k)-e(k-1),x2=e(k),x3=e(k)-2e(k-1)+e(k-2),x4=I0;e=Fi-FO;
将所述输入层映射到隐含层;
得到输出层向量o={o1,o2,o3},o1为PID控制器参数的Kp,o2为PID控制器参数的Ki,o3为PID控制器参数的Kd;
更新PID控制器的控制参数,PID控制器接受误差信号,通过如下计算得到输出电流控制信号:
Sc(k)=Sc(k-1)+kP(e(k)-e(k-1))+kIe(k)+kD(e(k)-2e(k-1)+e(k-2))。
本发明与现有技术相比较所具有的有益效果:
1、本发明所述的压电-电磁复合馈能式主动悬置,在主动液压悬置的基础上引进了馈能***,可将悬置振动的机械能转换为可利用的电能并储存起来,以供主动悬置工作使用,弥补了主动悬置工作能耗大的缺点,达到了绿色节能的效果;
2、本发明所述的压电-电磁复合馈能式主动悬置,结合了压电效应和电磁感应原理,设计了压电-电磁复合馈能***,具有三套独立馈能子***,通过多种途径实现振动能量回收,具有并联性、实时性和高效性,能量回收功率高,一定情况下可实现主动悬置自供能工作;
3、本发明所述的压电-电磁复合馈能式主动悬置,设置有两套压电馈能***,其中第一套压电馈能***采用了双晶悬臂梁式压电发电结构,由于引入了第二片压电晶体且压电材料工作时弯曲变形,相比拉压变形的总变形量大幅提升,同时第二压电馈能***利用拉压变形并行发电,发电功率大大提高;
4、本发明所述的压电-电磁复合馈能式主动悬置,其第一套压电馈能***采用的双晶悬臂梁式发电***,结构新颖、简单、紧凑,易于布置,无需增加过多生产成本,实用性强;
5、本发明所述的压电-电磁复合馈能式主动悬置,其压电馈能***所用的压电材料均选用新型复合材料压电片,具有更好的压电性能,提升了馈能效率;
6、本发明所述的压电-电磁复合馈能式主动悬置,其电磁馈能***仅在悬置本体结构上额外引入永磁体、励磁线圈、硅钢片和密封顶盖,仅需对普通悬置金属外壳做少许改动即可加装电磁馈能***,结构紧凑、设计新颖、馈能可靠,且采用硅钢作为导磁材料,提升了磁导率,增加了电磁感应发电量;
7、本发明所述的压电-电磁复合馈能式主动悬置,能够智能控制工作模式,电子控制单元实时检测蓄电池电压,当蓄电池电压达到额定值时进入主动工作模式,当蓄电池电压不足时进入储能模式即被动工作模式,能量利用合理,调控完全自动化;
8、本发明所述的压电-电磁复合馈能式主动悬置的控制算法,采用自适应模糊PID控制,偏差大时实用模糊控制大幅度改变作动力,具有相应快速的特点,偏差小时采用PID算法小幅调整作动力,具有控制精准的优势,此外还在PID算法中引入BP神经网络进行PID参数自整定,令PID控制器时刻适应当前工作状态,多种算法综合控制使得主动悬置的隔振性能更优越。
附图说明
图1为本发明所述的压电-电磁复合馈能主动悬置的结构示意图。
图2为本发明所述的第一压电馈能***的双晶结构圆板结构示意图。
图3为集成电路连接示意图。
图4为控制算法流程图。
图5为传递率TA隶属度函数。
图6为发动机主谐振频率ω隶属度函数。
图7为输出电流控制信号SC隶属度函数。
图8为模糊控制***输入输出曲面图。
图9为BP神经网络结构示意图。
图10为输出层神经元的激活函数Sigmoid函数。
图11为隐含层神经元的激活函数Simoid函数。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的详细说明,以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。
如图1、图2所示,本发明提供一种压电-电磁复合馈能主动悬置,包括主动液压悬置本体和集成控制回路;
其中,主动液压悬置本体由连接螺栓1、橡胶主簧24、金属外壳19、金属底座17、上惯性通道体20、下惯性通道体18、解耦膜11、橡胶底膜13、节流盘23、电磁作动器15、电磁屏蔽网14和馈能***组成;
具体而言,橡胶主簧24为圆台形,硫化连接在金属外壳19上;金属外壳19与金属底座17通过螺栓将固定连接,连接面应垫有密封垫保证密封性;橡胶底膜13硫化在金属底座17内壁;上惯性通道体20和下惯性通道体18 被支撑并压紧固定在金属底座17和金属外壳19的内槽中;上惯性通道体20 与橡胶主簧24和金属外壳19围成上液室,下惯性通道体18与橡胶底膜13 形成下液室;上惯性通道体20和下惯性通道体18中均开有中部节流孔和截面为圆形惯性通道,其中,上液室、圆形惯性通道和下液室中充满粘性液体可通过惯性通道在上液室和下液室间自由流动;在本实施例中,作为一种优选,粘性液体可以选为乙二醇;解耦膜11夹在上惯性通道体20和下惯性通道体18之间,可以随粘性液体或在电磁作动器15带动下在节流孔中上下运动;节流盘23置于上液室以螺母固定在连接螺栓1的尾部,置于上液室,其扰流作用可用以降低悬置的高频动态硬化;橡胶限位缓冲块21固定在节流盘 23的底部,用以限位和缓冲;电磁作动器15通过螺栓固定在金属底座17上,同时在电磁作动器15外罩有碳纤维电磁屏蔽网14以阻断电磁互扰,导线从尾端伸出与外接电路相连;在本实施例中,作为一种优选,主动液压悬置本体通过连接螺栓与发动机和车架连接。
馈能***由第一压电馈能***、第二压电馈能***和电磁馈能***组成;具体而言,第一压电馈能***由压紧螺母2、上层复合材料压电片3、基板4、下层复合材料压电片5、连接螺栓1和保护壳25组成;第二压电馈能***由筒形复合材料压电片7和传力块6组成;电磁馈能***由永磁体22、硅钢片 10、励磁线圈9和密封顶盖8组成;
作为一种优选,在本实施例中,复合材料压电片是一种智能型压电纤维复合材料(MFC,macro fiber composite),由矩形截面的压电纤维和交叉电极以环氧聚合物交合而成,具有强度大、韧性高、可弯曲、厚度薄、重量轻、压电常数和机电耦合系数高等特点;
在第一压电馈能***中,上层复合材料压电片3和下层复合材料压电片 5完全相同,为圆盘形,由多层超薄压电复合材料堆叠而成;上层复合材料片3和下层复合材料片5包夹基板4,并与基板4用导电胶紧密粘接,形成双晶结构圆板;基板4为经热处理后磨去表面氧化层的磷青铜板;将双晶结构圆板内开圆孔套装连接螺栓,并沿径向每隔圆心角30度开截面为矩形的槽,形成12组悬臂梁,以提升发电功率,同时降低弯曲刚度减少对液压悬置主簧刚度的影响;矩形槽不应完全开口到双晶圆板尾端,保留部分面积未开槽的圆面以增大弯曲强度提升疲劳寿命;开槽后的双晶结构圆板外端圆面与保护壳粘接牢固,由连接螺栓1和压紧螺母2夹紧双晶结构圆板内圆周,即 12组悬臂梁悬空端,使其随连接螺栓1上下运动产生交变弯曲变形,由正压电效应可知,复合材料压电片表面交替产生正电荷和负电荷,上下表面形成压差向外输出交流电并产生第一电压信号;其原理为双晶悬臂梁结构中压电材料与中性层最远,由材料力学可知,这样会使压电材料上的应变更大,因而输出电能更多;在本实施中,作为一种优选,通过调整连接螺栓台座的厚度和传力螺母的固定位置来调节双晶结构圆板的变形程度,以适应不同的悬置行程。
在第二压电馈能***中,筒形复合材料压电片7由多层超薄复合材料压电片堆叠后弯曲成形,粘接在橡胶主簧24内圆孔壁;传力压块6外圆面与筒形复合材料压电片7粘接在一起,其上端支撑连接螺栓1,下端与节流盘23 用螺母固定连接;传力压块6随连接螺栓1上下振动时,会拉伸压缩筒形复合材料压电片7致其产生垂直筒面方向的交变正应变,从而在筒形复合材料压电片7表面交替产生正电荷和负电荷,上下表面形成压差向外输出交流电并产生第二电压信号;作为一种优选,在本实施例中,传力压块6外表面为倒圆台形,且对上圆面圆周倒角,其倒角倾斜角度与尺寸应保证连接螺栓1 处于向上最大动行程位置处时传力压块6与下层复合材料压电片5下表面不接触;
在电磁馈能***中,环形永磁体22周向固定布置在节流盘23外圆面;硅钢片10为圆筒形,由金属外壳19内壁上的卡槽和密封顶盖8固定,并与金属外壳19内壁形成密闭空腔,用于引导、集中和加强永磁体磁场;励磁线圈9围绕在硅钢片10和金属外壳19形成的空腔内与外接电路形成闭合回路;密封顶盖8置于金属外壳19和硅钢片10顶部,用于固定硅钢片10和密封励磁线圈9;当发动机振动时,连接螺栓1带动节流盘23上的永磁体22上下运动,而励磁线圈9固定在金属外壳19中不动,环形永磁体22与励磁线圈 9产生相对上下运动,根据法拉第电磁感应定律,磁场强度发生变化时将在励磁线圈9中产生交变感生电动势及交变感应电流,并对外输出交流电;作为一种优选,在本实施例中,在布置空间允许的情况下,环形永磁体22应尽量靠近硅钢片10以减小磁隙,并在节流盘23上开孔减少液体流阻。
集成控制回路由整流器、稳压器、蓄电池、电子控制单元、可控电流源和继电器组成;其中,整流器输入端分别与第一压电馈能***、第二压电馈能***和电磁馈能***相连,以将交变电流转化为可为蓄电池充电的直流电;稳压器串连在整流器之后,将馈能***输入的瞬时不稳定电压转变为稳定电压以为蓄电池充电;蓄电池串联在稳压器后接受稳定电压充电,存储馈能***产生的电能,并为主动悬置的工作提供能量;电子控制单元内部存储有所述控制算法,在输入端与发动机转速传感器、馈能***压电传感器、输出反馈传感器和蓄电池电压传感器相连,传感信号经电子控制单元分析计算后得到输出信号,电子控制单元在输出端与可控电流源和继电器相连,并分别输出电流控制信号和继电器通断信号;可控电流源接受蓄电池供给的电能并生成所需的变幅变频电流供给电磁继电器;继电器输入端连接可控电流源,输出端与电磁作动器相连,以控制回路的通断,从而控制电磁作动器的工作。电磁作动器通过控制解耦膜的振动经悬置液向外输出作动力,同时由于解耦膜的面积小于主簧的等效面积,作动力在传递过程中相当于被放大了,这样也节省了能量消耗。
本发明还提供了一种压电-电磁复合馈能式主动悬置的控制方法,包括如下步骤:
步骤1、电子控制单元对发动机转速传感器、第一压电馈能***压电传感器、第二压电馈能***压电传感器、输出电流反馈传感器和蓄电池电压传感器传来的发动机转速信号、第一压电馈能***电压信号、第二压电馈能***电压信号、输出电流信号和蓄电池电压信号进行周期采样,在第k次采样中,电子控制单元综首先判断蓄电池电压信号是否达到额定电压值;在本实施中,作为一种优选,额定电压值选择为12V;
步骤2、当第k次采样得到的蓄电池电压信号小于额定值时,电子控制单元对外做零输出响应,可控电流源不放电,电磁作动器不工作,悬置处于被动工作模式,此时所述馈能***持续产生电流,为蓄电池充电;在本实施中,作为一种优选,额定电压值选择为12V;
步骤3、当第k次采样得到的蓄电池电压信号达到额定值时,电子控制单元根据内置算法对得到的发动机转速信号ne、第一电压信号U1、第二电压信号U2、输出电流反馈信号I0分析处理,控制电磁作动器做动,悬置处于主动工作模式,此时所述馈能***仍持续产生电流,为蓄电池供电;在本实施中,作为一种优选,额定电压值选择为12V;
具体工作步骤如下:
其中,α=hm/h1,hm为金属基板的厚度,h1为双晶结构圆板总厚度; A=1-α3+α3β,β=Em/Ep,Em为金属基板的杨氏模量,Ep为上层/下层复合材料压电片的杨氏模量;L、W分别为上层/下层复合材料压电片的等效长度、等效宽度;g31为复合压电材料变形方向的压电电压常数;εr为相对介电常数,ε0为真空介电常数;S为筒形复合材料压电片的受力面积;d为材料变形方向压电系数;h2为筒形复合压电材料片厚度;θ为筒形复合材料压电片斜面与垂直平面的夹角;通过公式FO=BI0L0得到作动器输出力FO;其中,B为磁场强度,I0为电流强度,L0为励磁线圈总长。
步骤3.3、若相对误差信号值E大于0.1,选择模块接通模糊控制算法:
电子控制单元将得到的输入量即发动机激振力向车架的传递率TA和发动机主振频率ω通过量化公式和模糊化处理,得到模糊量化量 MTA和Mω,模糊集上的论域均为[0,6];输出量即输出电流控制信号SC(k)在模糊集上的论域为[0,6],比例因子为模糊控制器的输入、输出语言变量均取{PZ,PS,PM,PB,PL},其中,PZ为“正零”,PS为“正小”, PM为“正中”,PB为“正大”,PL为“正很大”;输入与输出变量的隶属度函数均选用三角隶属度函数;其中,作为一种优选,模糊量化公式可根据实际车型小幅调整;
根据得到的模糊量化量MTA和Mω对比储存在控制器内部的模糊查询表,采用Mandani极大极小法进行模糊推理,采用重心法对模糊输出进行反模糊化处理,得到输出电流控制信号SC(k);
模糊控制表格
步骤3.4、若相对误差信号值E小于0.1,选择模块接通神经网络PID算法:
BP神经网络模块采用4-5-3结构,电子控制单元根据公式e=Fi-FO, x1=e(k)-e(k-1),x2=e(k),x3=e(k)-2e(k-1)+e(k-2),x4=I0,计算得到x1,x2,x3,x4作为神经网络输入层的输入;输出层神经元的激活函数选用Sigmoid函数,隐含层神经元的激活函数选正负对称的Simoid函数:
根据BP神经网络内嵌学习算法公式(为同一公式不再赘述)计算隐含层和输出层的权系数;其中,选取性能指标函数为惯性系数为η=0.8;惯性系数为α=0.05;初始权系数均为1,经神BP经网络加权计算后从输出层得到KP、KI、KD值;
更新PID控制器的控制参数,PID控制器接受误差信号,通过公式 Sc(k)=Sc(k-1)+kP(e(k)-e(k-1))+kIe(k)+kD(e(k)-2e(k-1)+e(k-2))计算得到输出电流控制信号Sc(k);其中,KP、KI、KD为比例系数、积分系数和微分系数;
步骤3.5、电子控制单元将输出电流控制信号输入到可控电流源,将继电器开断信号输入到继电器,继电器接通,可控电流源将此刻相应大小控制电流IO输出经继电器流入到电磁作动器中,控制电磁作动器输出相应大小作动力,将上一时刻输出作动力更新为k时刻输出作动力,进行主动隔振;
本发明的压电-电磁复合馈能式主动悬置工作原理包括:
汽车在怠速或行驶时,发动机的点火做功过程会产生变幅变频的振动,压电-电磁复合馈能主动悬置的连接螺栓随发动机壳体一同发生垂直振动,连接螺栓通过拉压运动带动第一压电馈能装置中的双晶结构板发生交变弯曲变形,从而产生馈能电流经整流电路储能于蓄电池中,同时连接螺栓带动传力压块运动,使得第二压电馈能装置中的筒形复合材料压电片受到垂直于表面的正应力而发生变形产生馈能电流,电流通过整流回路也储能在蓄电池中,固联在连接螺栓尾端杆上的节流盘随着连接螺栓垂直振动时,其***固定的永磁体由于垂直位置的变化而产生变化的磁场,根据法拉第电磁感应定律可知,围绕在悬置金属壳体内的励磁线圈将产生感应电流与附加阻尼,感应电流将经过整流回路储能于蓄电池中,此外电磁馈能装置产生的附加阻尼也可以衰减发动机端传来的振动。
压电-电磁复合馈能式主动悬置具有两种工作模式,即被动工作模式和主动工作模式:当悬置工作时,控制单元采集蓄电池电压信号,当蓄电池电压小于12V时,悬置将处于被动工作模式;当蓄电池电压达到额定值12V时将处于主动工作模式;
其中,当悬置被动工作时,相当于一个液压悬置;当悬置进行主动工作时,电子控制单元根据自适应模糊-神经网络PID控制算法对得到的发动机转速信号、第一电压信号、第二电压信号、输出电流反馈信号分析处理,计算得到k时刻继电器开断信号和输出电流控制信号,并令控制电流输入到电磁作动器,产生相应作动力,与发动机端传来的激振力相抵消,从而达到降低振动传递率的效果,减少发动机振动对车内的影响,提升驾乘舒适性;
馈能***无论在被动/主动工作模式,都能持续保持高效率馈能,达到了节能减排、振动能量再利用的效果。
尽管本发明的实施方案已公开如上,但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用,它完全可以被适用于各种适合本发明的领域,对于熟悉本领域的人员而言,可容易地实现另外的修改,因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下,本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。
Claims (10)
1.一种压电-电磁复合馈能主动悬置,其特征在于,包括:
主簧,其为圆台型,且所述主簧中心处具有第一容纳空腔;
双晶结构圆板压电片,其支撑在所述主簧的上部;
筒形压电片,其固定在所述第一容纳空腔内壁上,并且形成第二容纳空腔;
传力压块,其匹配设置在所述第二容纳空腔内;
连接螺栓,其一端依次穿过所述双晶结构圆板压电片和所述传力压块,且所述连接螺栓与所述双晶结构圆板压电片固定连接;
节流盘,其固定在所述连接螺栓的一端;
环形永磁体,其周向均布在所述节流盘的端部;
金属外壳,其固定在所述主簧的底部,且所述金属外壳的底部具有第一容纳槽,所述金属外壳的侧壁具有卡槽;
上惯性通道体,其匹配设置在所述第一容纳槽内,且所述上惯性通体具有中部节流孔和惯性通道;
硅钢片,其匹配卡合在所述卡槽内;
励磁线圈,其缠绕在所述硅钢片上;
金属底壳,其与所述金属外壳可拆卸的连接,且所述金属底壳的顶部具有第二容纳槽;
下惯性通道体,其匹配设置在所述第二容纳槽内,且所述上惯性通体具有中部节流孔和惯性通道;
解耦膜,其设置在所述上惯性通道体和所述下惯性通道体之间,且设置在所述中部节流孔内;
底膜,其设置在所述金属底壳内;
电磁作动器,其固定设置在所述金属底壳的底座上,且所述电磁作动器的传动器推杆与所述解耦膜固定连接;
其中,所述上惯性通道体、所述主簧和所述金属外壳形成上液室,所述下惯性通道体和所述底膜形成下液室,在所述上液室、所述下液室和所述惯性通道内均充满粘性液体。
2.如权利要求1所述的压电-电磁复合馈能主动悬置,其特征在于,所述双晶结构圆板压电片包括:
上层复合材料压电片,其由多层压电复合材料堆叠;
下层复合材料压电片,其由多层压电复合材料堆叠;
金属基板,其由所述上层复合材料压电片和所述下层复合材料压电片包夹固定。
3.如权利要求1或2所述的压电-电磁复合馈能主动悬置,其特征在于,所述双晶结构圆板压电片沿径向均布多个矩形槽。
4.如权利要求3所述的压电-电磁复合馈能主动悬置,其特征在于,还包括:碳纤维电磁屏蔽网,其罩在所述电磁作动器外部。
5.一种压电-电磁复合馈能主动悬置的控制方法,其特征在于,使用如权利要求1-4中任一项所述的压电-电磁复合馈能主动悬置进行控制,包括如下步骤:
步骤一、根据采样周期,确定蓄电池电压;
步骤二、当所述蓄电池电压小于额定值时,所述电磁作动器不工作;当所述蓄电池电压达到额定值时,所述电磁作动器工作,产生作动力。
6.如权利要求5所述的压电-电磁复合馈能主动悬置的控制方法,其特征在于,在所述步骤二中,确定所述作动力包括:
步骤1、采集所述双晶结构圆板压电片产生的第一电压和所述筒形压电片产生的第二电压后,确定发动机端的激振力和所述电磁作动器的初始作动力:
FO=BI0L0;
其中,α=hm/h1,A=1-α3+α3β,β=Em/Ep;
式中,Fi为发动机端的激振力,FO为电磁作动器的初始作动力,U1为第一电压,U2为第二电压,hm为金属基板的厚度,h1为双晶结构圆板压电片总厚度,Em为金属基板的杨氏模量,Ep为上层或者下层复合材料压电片的杨氏模量,L为上层或者下层复合材料压电片的等效长度,W为上层或者下层复合材料压电片的等效宽度,g31为复合压电材料变形方向的压电电压常数,εr为相对介电常数,ε0为真空介电常数,S为筒形复合材料压电片的受力面积,d为材料变形方向压电系数,h2为筒形复合压电材料片厚度,θ为筒形复合材料压电片斜面与垂直平面的夹角,B为磁场强度,I0为电流强度,L0为励磁线圈总长;
步骤2、得到相对误差E:
步骤3、当所述相对误差E大于0.1时,采用模糊控制得到所述电磁作动器实时更新的输入电流,进而控制所述电磁作动器的实时作动力进行主动隔振;以及
当所述相对误差E小于0.1时,采用BP神经网络PID控制得到所述电磁作动器实时更新的输入电流,进而控制所述电磁作动器的实时作动力进行主动隔振。
7.如权利要求6所述的压电-电磁复合馈能主动悬置的控制方法,其特征在于,在所述步骤3中采用模糊控制得到所述电磁作动器实时更新的输入电流,包括如下步骤:
分别将发动机激振力向车架的传递率的模糊量化量、发动机主振频率的模糊量化量以及输出电流控制信号转换为模糊论域中的量化等级;
将所述发动机激振力向车架的传递率的模糊量化量以及所述发动机主振频率的模糊量化量输入模糊控制模型,均分为5个等级;模糊控制模型输出为所述输出电流控制信号,分为5个等级;
其中,所述发动机激振力向车架的传递率的模糊量化量的论域为[0,6],所述发动机主振频率的模糊量化量的论域为[0,6];输出电流控制信号的论域为[0,6],比例因子为2.5;
所述发动机激振力向车架的传递率的模糊量化量的模糊集为{PZ,PS,PM,PB,PL},所述发动机主振频率的模糊量化量的模糊集为{PZ,PS,PM,PB,PL},所述输出电流控制信号的模糊集为{PZ,PS,PM,PB,PL};隶属函数均选用三角函数。
9.如权利要求6所述的压电-电磁复合馈能主动悬置的控制方法,其特征在于,在所述步骤3中采用BP神经网络PID控制得到所述电磁作动器实时更新的输入电流,包括如下步骤:
按照采样周期,确定三层BP神经网络的输入层向量为x={x1,x2,x3,x4};其中,x1=e(k)-e(k-1),x2=e(k),x3=e(k)-2e(k-1)+e(k-2),x4=I0;e=Fi-FO;
将所述输入层映射到隐含层;
得到输出层向量o={o1,o2,o3},o1为PID控制器参数的Kp,o2为PID控制器参数的Ki,o3为PID控制器参数的Kd;
更新PID控制器的控制参数,PID控制器接受误差信号,通过如下计算得到输出电流控制信号:
Sc(k)=Sc(k-1)+kP(e(k)-e(k-1))+kIe(k)+kD(e(k)-2e(k-1)+e(k-2))。
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