CZ201315A3 - Magnetorheologic damper control circuit - Google Patents

Abstract

Ovládací obvod magnetoreologického tlumiče, v němž jsou sériově zapojeny zdroj napětí, spínač a první dioda v propustném směru vzhledem ke zdroji napětí a paralelně zapojeny cívka tlumiče s rezistorem v jedné větvi a druhá dioda opačně orientovaná ve druhé větvi má spínač ovládaný komparátorem skutečného a žádaného proudu v cívce. Tento obvod je opatřen třetí větví (3), která je na straně výstupu druhé diody (D2) propojena s druhou větví (2) přes odpojitelný kondenzátor (C).A magnetorheological damper control circuit in which a voltage source, a switch and a first diode in a forward direction relative to a voltage source are connected in series and a damper coil with a resistor in one branch is connected in parallel, and a second diode opposite in the second branch has a switch controlled by a real and desired comparator current in the coil. This circuit is provided with a third branch (3) which is connected to the second branch (2) on the output side of the second diode (D2) via a detachable capacitor (C).

Description

Oblast technikyTechnical field

Vynález se týká ovládacího obvodu magnetoreologického tlumiče, v němž jsou sériově zapojeny zdroj napětí, spínač a první dioda a paralelně zapojeny cívka tlumiče s rezistorem v jedné větvi a druhá dioda opačně orientované ve druhé větvi, přičemž spínač je ovládán komparátorem skutečného a žádaného proudu v cívce.The present invention relates to a magnetorheological damper control circuit in which a voltage source, a switch and a first diode are connected in series, and a coil of a damper with a resistor in one branch and a second diode oppositely oriented in a second branch are connected in series. .

Dosavadní stav technikyBACKGROUND OF THE INVENTION

Hydraulické tlumiče slouží u vozidel k omezení dokmitu nápravy, která reaguje kmitáním na nerovnosti na vozovce nebo v terénu. Známé aktivní systémy tlumení vyžadující značný přívod energie z vnějšku a jsou konstrukčně náročné a nákladné a proto u běžných kolových vozidel nenacházejí použití. V automobilovém průmyslu, zejména u speciálních vozidel, se užívají magnetoreologické (MR) tlumiče umožňující semiaktivní řízení charakteristiky odpružení. Nejsou náročné na příkon, neboť k tlumení dokmitu využívají energii vznikající kmitáním nápravy.Hydraulic shock absorbers are used on vehicles to limit the axle of the axle, which responds by oscillating to road or terrain irregularities. Known active damping systems requiring considerable external energy supply and are structurally demanding and costly and therefore are not used in conventional wheeled vehicles. In the automotive industry, especially in special vehicles, magnetorheological (MR) shock absorbers are used to enable semi-active control of the suspension characteristics. They are not power intensive, as they use the energy generated by the oscillation of the axle to damp the docmite.

Součástí magnetoreologických hydraulických tlumičů je speciální magnetoreologická kapalina. Tato kapalina se skládá ze tří základních složek: nosné kapaliny, ferromagnetických částic a aditivních přísad. Jako nosnou kapalinu lze použít vodu, olej nebo jinou kapalinu. Magnetoreologický efekt nastává v MR kapalině po jejím vystavení magnetickému poli vytvářenému indukční cívkou. Vlivem působení homogenního magnetického pole se původně rovnoměrně rozptýlené mikročástice stanou magnetickými dipóly a začnou se shlukovat do řetězců ve směru magnetických siločar magnetického pole. Tento jev se projeví změnou některých fyzikálních vlastností, jako je viskozita nebo mez kluzu. Kapalina se působením magnetického pole chová jako viskózně plastická látka. Když přestane magnetická síla působit, proces se obrátí, částice v řetězcích se volně rozptýlí a kapalině se vrátí do původního stavu s původními vlastnostmi. Tímto způsobem lze pomocí magnetického pole měnit zdánlivou viskozitu kapaliny při jejím průchodu kanálkem v pístu tlumiče, mezerou mezi pístem a pláštěm, případně obtokovým kanálkem a tím ve velké míře regulovat tlumicí schopnosti tlumiče.Magnetorheological hydraulic dampers include a special magnetorheological fluid. This liquid consists of three basic components: carrier liquid, ferromagnetic particles and additive additives. Water, oil or other liquid may be used as the carrier liquid. The magnetorheological effect occurs in MR fluid after exposure to the magnetic field produced by the induction coil. Due to the action of a homogeneous magnetic field, the originally uniformly dispersed microparticles become magnetic dipoles and begin to cluster into chains in the magnetic field lines of the magnetic field. This phenomenon results in a change in some physical properties, such as viscosity or yield strength. The liquid acts as a viscous plastic under the action of a magnetic field. When the magnetic force ceases, the process reverses, the particles in the chains freely disperse and the liquid returns to its original state with its original properties. In this way, the apparent viscosity of the liquid as it passes through the channel in the damper piston, the gap between the piston and the casing or the bypass channel can be varied by means of a magnetic field, and thus the damper capabilities of the damper can be largely controlled.

Kvalitní tlumič musí mít schopnost reagovat adekvátně, tj. rychle na každé vychýlení nápravy v důsledku nerovnosti na vozovce. U MR tlumiče se semiaktivním řízením charakteristiky je proto třeba, aby se charakteristika tlumiče, tj. stav MR náplně, mohla měnit dostatečně rychle - přibližně 10x rychleji, než jsou nejvyšší frekvence kmitání regulované nápravy. Jak je zřejmé ze schématu základního zapojení ovládacího obvodu MR tlumiče uvedeného na obr. 6, je jeho součástí spínač připojující napětí na cívku magnetoreologického tlumiče o indukčnost L a odporu R_l.A good quality shock absorber must be able to respond adequately, ie quickly to any axle deflection due to road unevenness. In the case of an MR damper with semi-active characteristic control, it is therefore necessary that the damper characteristic, ie the state of the MR load, can change sufficiently quickly - approximately 10 times faster than the highest oscillation frequencies of the controlled axle. As seen from the schematic diagram of the basic control circuit for the MR damper of FIG. 6, the connecting part of the switch coil voltage magnetoreologického damper inductance L and resistance R _L.

Po připojeni zdroje konstantního napětí lze proud / vyjádřit rovnici (za předpokladu že odpor Rs spínacího prvku je roven nule):After connecting a constant voltage source, the current / can be expressed by the equation (assuming that the resistance Rs of the switching element is zero):

(1) kde U je napětí zdroje, L indukčnost cívky a Rl odpor rezistoru.(1) where U is the source voltage, L the inductance of the coil and the R1 resistor of the resistor.

Z této rovnice je patrné, že od okamžiku připojení napětí na cívku tlumiče je zapotřebí čas T = R_l/L (doba odezvy), než obvodem začne protékat 63.2 % požadovaného proudu. Proud cívkou způsobí zřetězení železných částic v MR kapalině a tím i změnu charakteristiky tlumiče. Pokud proud nedosáhne potřebné velikosti, ani síla vyvozovaná tlumičem neodpovídá požadované hodnotě.From this equation it is evident that from the moment this voltage damper is required time T R = _l / L (response time) than the circuit begins to flow 63.2% of the desired current. Current through the coil causes chaining of iron particles in the MR liquid and thus changes the damper characteristics. If the current does not reach the required magnitude, the force exerted by the damper does not meet the required value.

Pro efektivní semiaktivní řízení (skyhook groundhook) je proto třeba dobu náběhu proudu minimalizovat. Po dosažení požadovaného proudu je možné udržovat proud (s určitou mírou rozptylu) na konstantní úrovni pomocí pulzně šířkové modulace (PWM). Ovládací obvod pak pracuje jako step - down měnič. Jako akumulátor energie je využita samotná cívka MR tlumiče. Střídají se dva režimy, viz obr. 7. V režimu I je sepnut spínač S1, na cívku je připojeno napětí zdroje. Jakmile se dosáhne požadovaného proudu (plus hystereze), spínač S1 se rozepne a zdrojem proudu se stává cívka L (režim II). Energie magnetického pole cívky je přeměněna na teplo v rezistoru RL a diodě D2. Odpovídající průběhy napětí a proudů jsou na obr. 8.Therefore, for efficient semi-active control (skyhook groundhook), the rise time of the current must be minimized. Once the desired current has been reached, it is possible to maintain the current (with some scattering) at a constant level by means of pulse width modulation (PWM). The control circuit then acts as a step-down converter. The MR coil itself is used as an energy storage device. Two modes alternate, see Fig. 7. In mode I the switch S1 is closed, the voltage of the source is connected to the coil. When the desired current (plus hysteresis) is reached, switch S1 opens and the coil L (mode II) becomes the current source. The magnetic field energy of the coil is converted to heat in resistor RL and diode D2. The corresponding waveforms of voltages and currents are shown in Fig. 8.

Odezvu náběhu proudu je možno zkracovat zvyšováním napětí. Toto řešení má ale několik nevýhod. Pokud by mělo být dosaženo stejného rozptylu proudu, vyžádalo by si to vyšší spínací frekvenci a tím i větší celkové ztráty v obvodu. Pokud frekvence bude nižší, zvětší se rozptyl proudu. Zvýšeni proudu také nesnižuje odezvu na požadavek snížení proudu. Nevýhody provozu se zvýšeným napětím jsou zřejmé z diagramu na obr. 9.The response of the inrush current can be shortened by increasing the voltage. However, this solution has several disadvantages. If the same current dissipation were to be achieved, this would require a higher switching frequency and thus greater overall circuit losses. If the frequency is lower, the current dissipation will increase. Also, the current increase does not reduce the response to the current reduction requirement. The disadvantages of increased voltage operation are shown in the diagram in Fig. 9.

Vynález si klade za úkol navrhnout ovládací obvod magnetoreologického tlumiče, který by snížil odezvu tlumiče při zachování vysoké míry efektivity, malém rozptylu proudu a minimalizaci počtu součástek potřebných ke zhotovení zařízení.SUMMARY OF THE INVENTION It is an object of the present invention to provide a magnetorheological damper control circuit that reduces damper response while maintaining a high degree of efficiency, low current dissipation, and minimizing the number of components required to fabricate the device.

Podstata vynálezuSUMMARY OF THE INVENTION

Uvedený úkol řeší ovládací obvod magnetoreologického tlumiče, v němž jsou sériově zapojeny zdroj napětí, spínač a první dioda v propustném směru vzhledem ke zdroji napětí a paralelně zapojeny cívka tlumiče s rezistorem v jedné větvi a druhá dioda opačně orientovaná (v závěrném směru) ve druhé větvi, přičemž spínač je ovládán komparátorem skutečného a žádaného proudu v cívce. Podstata tohoto obvodu spočívá v tom, že obvod je opatřen třetí větví, která je na straně výstupu druhé diody s druhou větví propojena přes odpojitelný kondenzátor.This problem is solved by a magnetorheological damper control circuit in which a power supply, a switch and a first diode in the forward direction relative to the voltage source are connected in series and a coil of a damper with a resistor in one branch and a second diode opposite (in reverse) wherein the switch is controlled by a comparator of the actual and desired current in the coil. The essence of this circuit is that the circuit is provided with a third branch, which is connected to the second branch on the output side of the second diode via a detachable capacitor.

Ve výhodném provedení je napojení kondenzátoru na druhou, jakož i na třetí větev oboustranně opatřeno spínači, přičemž tyto spínače, jakož i sériově zapojený spínač jsou propojeny s komparátory skutečného a žádaného proudu v cívce.In a preferred embodiment, the connection of the capacitor to the second and the third branch is provided with switches on both sides, these switches as well as a series connected switch being connected to comparators of actual and desired current in the coil.

Je třeba zdůraznit, že pod pojmem „spínač“ se v předchozím i následujícím textu rozumí jakýkoliv technický prvek umožňující spínat napětí. Při praktické realizaci mohou být použity např. tranzistory, MOSFET tranzistory, tyristory atd.It should be pointed out that the term "switch" means in the preceding and subsequent text any technical element enabling the voltage to be switched. In practice, for example, transistors, MOSFET transistors, thyristors, etc. may be used.

Objasnění obrázků na výkreseClarification of the figures in the drawing

Vynález bude dále objasněn pomocí výkresu, na němž je na obr. 1 až 4 výhodné zapojení ovládacího obvodu magnetoreologického tlumiče ve čtyřech různých provozních režimech, přičemž obr. 5 představuje průběh napětí a proudu v obvodu podle vynálezu. Další obrázky se vztahují ke známému stavu techniky: Obr. 6 je základní zapojení ovládacího obvodu MR tlumiče, obr. 7 je srovnáním dvou režimů provozu tlumiče, obr. 8 je diagram průběhu napětí a proudů ve střídavém režimu podle obr. 7 a obr. 9 je diagram provozu se zvýšeným napětím.The invention will be further elucidated by means of the drawing in which FIGS. 1 to 4 show the advantage of connecting a control circuit of a magnetorheological damper in four different operating modes, and FIG. 5 shows the voltage and current curve of the circuit according to the invention. Further figures relate to the prior art: FIG. Fig. 6 is a basic circuit of the MR damper control circuit; Fig. 7 is a comparison of the two damper operation modes; Fig. 8 is a diagram of the AC voltage and current waveforms of Fig. 7; and Fig. 9 is a diagram of increased voltage operation.

Příklady uskutečnění vynálezuDETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

Ovládací obvod magnetoreologického tlumiče podle obr. 1 až 4, je tvořen sériové zapojeným zdrojem napětí U, spínačem S5 a první diodou D1, jakož i paralelně zapojenou cívkou L tlumiče s rezistorem RL v první větvi 1 a druhou diodou D2 opačně orientovanou ve druhé větvi 2. Obvod je dále opatřen třetí větví 3, která je s druhou větví 2 propojena přes kondenzátor C, přičemž napojení kondenzátoru C na druhou větev 2 je provedeno na výstupní straně druhé diody D2. Napojení kondenzátoru na druhou větev 2 i na třetí větev 3 je na obou stranách opatřeno spínači S1, S2 resp. S3, S4. Tyto spínače SI, S2, S3, S4, jakož i sériově zapojený spínač S5 jsou propojeny s komparátory 4 skutečného a žádaného proudu 5, 6 v cívce, které na základě porovnání skutečného a žádaného proudu 5, 6 zapínají a vypínají jednotlivé spínače.The control circuit of the magnetorheological damper according to FIGS. 1 to 4 consists of a series connected power supply U, a switch S5 and a first diode D1, as well as a parallel connected damper coil L with a resistor RL in the first branch 1 and a second diode D2 oppositely oriented in the second branch 2. The circuit is further provided with a third branch 3, which is connected to the second branch 2 via a capacitor C, the connection of the capacitor C to the second branch 2 being provided on the output side of the second diode D2. The connection of the capacitor to the second branch 2 and to the third branch 3 is provided on both sides with switches S1, S2 resp. S3, S4. These switches S1, S2, S3, S4 as well as the series connected switch S5 are connected with comparators 4 of actual and set current 5, 6 in the coil, which switch individual switches on and off by comparing the actual and set current 5, 6.

Funkce ovládacího obvodu je zřejmé ze schémat na obr. 1 až 4.The operation of the control circuit is evident from the diagrams in FIGS. 1 to 4.

Obvod se může nacházet v 5 různých stavech:The circuit can be in 5 different states:

Stav I. - počáteční podmínky:Condition I. - initial conditions:

Kondenzátor C je nabit na napětí Uc vyšší, než je napětí palubní sítě automobilu, přičemž je dán požadavek na zvýšení proudu.The capacitor C is charged to a voltage Uc higher than the voltage of the car's on-board network, with the requirement to increase the current.

V této situaci komparátory vyhodnotí, že se zvýšil žádaný proud 6. Dokud skutečný proud 5 nedosáhne žádaného (plus hystereze), spínače S2, S3 a S5 jsou sepnuty. Na cívku L tlumiče je tedy připojeno vyšší napětí, než je napětí zdroje U, tedy palubní sítě. Viz obr. 1.In this situation, the comparators evaluate that the desired current 6 has increased. Until the actual current 5 reaches the desired (plus hysteresis), the switches S2, S3 and S5 are closed. Thus, a higher voltage is connected to the coil L of the damper than the voltage of the source U, i.e. the on-board power supply. See Figure 1.

Stav II. - počáteční podmínky:Condition II. - initial conditions:

Kondenzátor C je nabit na napětí Uc, které je vyšší, než napětí palubní sítě automobilu, přičemž bylo dosaženo žádaného proudu 6, proud je vyšší pouze o nastavenou hysterezi.The capacitor C is charged to a voltage Uc which is higher than the voltage of the on-board network of the car, while the desired current 6 has been reached, the current is only higher by the set hysteresis.

Sepnuty jsou spínače S1 a S2, zdrojem napětí resp. proudu je cívka L MR tlumiče, proud pomalu klesá. Viz obr. 2.Switches S1 and S2 are closed. current is coil L of MR damper, current slowly decreases. See Figure 2.

Stav III. - počáteční podmínky:Condition III. - initial conditions:

Kondenzátor C je nabit na napětí Uc, které je vyšší, než napětí palubní sítě automobilu, přičemž skutečný proud 5 poklesl pod hranici žádaného proudu 6 (mínus hystereze), žádaný proud 6 se nezměnil.The capacitor C is charged to a voltage Uc which is higher than the voltage of the on-board network of the automobile, whereby the actual current 5 has fallen below the setpoint current 6 (minus hysteresis), the setpoint current 6 has not changed.

Sepnut je spínač S5, zdrojem napětí resp. proudu je zdroj U - akumulátor automobilu. Viz obr. 3.Switch S5 is switched on, the voltage source resp. power supply is the U - car battery. See Figure 3.

Stav IV. - počáteční podmínky:Condition IV. - initial conditions:

Žádaný proud 6 se zmenšil, nebo napětí na kondenzátoru C pokleslo pod nastavenou mez Uc, nebo nastaly tyto dvě podmínky najednou.The required current 6 has decreased, or the voltage at capacitor C has fallen below the set threshold Uc, or these two conditions have occurred at once.

Sepnuty jsou spínače S1 a S4, zdrojem napětí resp. proudu je cívka L MR tlumiče, kondenzátor C se nabíjí. Viz obr. 4.Switches S1 and S4 are closed. current is coil L of MR damper, capacitor C is charging. See Figure 4.

Stav V. - počáteční podmínky: Žádaný proud 6 je nulový, skutečný proud 5 je nulový a kondenzátor C je nabit na napětí vyšší než Uc.State V - initial conditions: The setpoint current 6 is zero, the actual current 5 is zero and the capacitor C is charged to a voltage higher than Uc.

Všechny spínače S1 až S5 jsou rozepnuty, obvodem tlumiče neprotéká žádný proud.All switches S1 to S5 are open, no current flows through the damper circuit.

Průběh napětí a proudu v popsaném obvodu podle vynálezu je zřejmý z obr. 5.The course of voltage and current in the described circuit according to the invention is apparent from FIG. 5.

Ovládací obvod podle vynálezu zajistí zkrácení doby odezvy tlumiče tím, že připojí na cívku L vyšší napětí než je napětí palubní sítě automobilu, a to v okamžiku zvýšení žádaného proudu 6. Přitom zdrojem tohoto vyššího napětí je kondenzátor C. Generování vyššího napětí bude zajišťovat přímo cívka L MR tlumiče.The control circuit according to the invention will reduce the response time of the shock absorber by applying a higher voltage to the coil L than the on-board voltage of the car at the time of the desired current 6. The capacitor C is the source of this higher voltage. L MR shock absorbers.

Při snížení žádaného proudu 6 cívka L MR tlumiče nabije kondenzátor C. Zkrátí se tak časová konstanta náběhu proudu v obvodu resp. náběh síly tlumiče, přičemž energie magnetického pole cívky L není přeměněna na teplo, ale uloží se do kondenzátoru C.When the required current 6 is lowered, the MR coil L of the damper charges the capacitor C. This shortens the time constant of the current rise in the circuit or the circuit. the silencer force rise, whereby the magnetic field energy of the coil L is not converted to heat but stored in the capacitor C.

V případě, že má být žádaný proud 6 konstantní, bude proud řízen na principu step-down měniče s napětím menším nebo stejným jako je napětí palubní sítě automobilu. Tento režim zajistí nízké ztráty v obvodu (nízká frekvence měniče) a malé kolísání žádaného proudu 6.If the desired current 6 is to be constant, the current will be controlled on the principle of a step-down converter with a voltage less than or equal to the on-board voltage of the car. This mode ensures low circuit losses (low frequency of the drive) and low fluctuation in the setpoint current 6.

Předpokládá se, že obvod je připojen na palubní síť automobilu.It is assumed that the circuit is connected to the on-board network of the car.

Claims (2)

PATENTOVÉ NÁROKYPATENT CLAIMS 1. Ovládací obvod magnetoreologického tlumiče, v němž jsou sériově zapojeny zdroj napětí, spínač a první dioda v propustném směru vzhledem ke zdroji napětí a paralelně zapojeny cívka tlumiče s rezistorem v jedné větvi a druhá dioda opačně orientovaná ve druhé větvi, přičemž spínač je ovládán komparátorem skutečného a žádaného proudu v cívce, vyznačující se tím, že obvod je opatřen třetí větví (3), která je na straně výstupu druhé diody (D2) propojena s druhou větví (2) přes odpojitelný kondenzátor (C).A magnetorheological damper control circuit in which a voltage source, a switch, and a first diode in a forward direction relative to a voltage source are connected in series, and a coil of a damper with a resistor in one branch and a second diode oppositely oriented in the other branch are connected in parallel. of the actual and desired current in the coil, characterized in that the circuit is provided with a third branch (3), which on the output side of the second diode (D2) is connected to the second branch (2) via a disconnectable capacitor (C). 2. Ovládací obvod podle nároku 1, vyznačující se tím, že napojení kondenzátoru (C) na druhou větev (2), jakož i na třetí větev (3) je oboustranně opatřeno spínači (S1, S2, S3, S4), přičemž tyto spínače (S1, S2, S3, S4), jakož i sériově zapojený spínač (S5) jsou propojeny s komparátory (4) skutečného a žádaného proudu (5, 6) v cívce.Control circuit according to claim 1, characterized in that the connection of the capacitor (C) to the second branch (2) and to the third branch (3) is provided on both sides with switches (S1, S2, S3, S4), these switches (S1, S2, S3, S4) as well as the series switch (S5) are coupled to the comparators (4) of the actual and set current (5, 6) in the coil.