复合馈能式磁流变半主动座椅悬架及其控制方法技术
Compound energy fed magnetorheological semi-active seat suspension and its control method
The invention discloses a compound regenerative semi-active seat suspension, including seat suspension body and seat suspension control system, seat suspension body comprises a coil feed are sequentially arranged from bottom to top, the first piezoelectric mechanism can feed mechanism and second piezoelectric energy feedback mechanism, feeding mechanism comprises a coil the spring fixing plate and coil fixing plate and arranged at intervals, and a plurality of coil power component is arranged between the fixed plate and the fixed plate coil spring, a spring fixing plate is arranged at the bottom of the coil spring lug, power assembly includes a coil, which are sequentially arranged from bottom to top of the strong magnet and the spring seat suspension control system including seat suspension controller, a rectifier, battery charging circuit and controllable constant current source circuit; the invention also discloses a compound regenerative semi-active seat suspension control The method of making. The invention adopts a variety of energy recovery and utilization ways, which can make the seat in the best state of shock absorption, high working reliability and good use effect.
【技术实现步骤摘要】
复合馈能式磁流变半主动座椅悬架及其控制方法
本专利技术属于座椅悬架
，具体涉及一种复合馈能式磁流变半主动座椅悬架及其控制方法。
技术介绍
磁流变液是一种可控流体，在不同的磁场环境下表现出不同的性质。当在零磁场或弱磁场条件下呈现出牛顿流体特性；当在强磁场条件下呈现出宾汉体特性。因此，利用磁流变液的这个性质制成磁流变减振器，在施加不同的磁场条件下，产生不同的阻尼力以适应变化的路况。磁流变减振器作为耗能元件，一方面消耗振动能量，另一方面需要消耗车载电池的电能。因此，如何将路面振动能量回收，来供给磁流变减振器和其他耗能元件，成为大家研究的重点。汽车在行驶过程中，由于路面的起伏颠簸，对人体脊椎骨骼造成极大的危害。特别是对于悬架减振效果不佳的车辆，由于路面及发动机的振动激励对人体的危害更大。而且在能源日渐短缺的今天，汽车振动能量的回收成为各国学者研究的关键问题。因此，如何能在减小振动的基础上，将振动能量回收并储存在电池中，是很多专家学者共同研究的问题。汽车座椅悬架分为主动座椅悬架、半主动座椅悬架以及被动座椅悬架。相对于被动座椅悬架，主动座椅悬架及半主动座椅悬架的减振效果更好。但是，主动座椅悬架结构复杂，控制难度大和耗能多等问题，成为主动座椅悬架发展的瓶颈。因此在这，半主动座椅悬架的优势就逐渐凸显出来。磁流变半主动座椅悬架具有耗能少，结构简单的特点，成为汽车领域争相研究的对象。另一方面，如何将振动能量回收进汽车储能原件中，成为汽车领域的又一个问题。振动能量的回收分为压电式、电磁式和静电式三种方式，三种方式各有特点和其应用领域。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问...
【技术保护点】
一种复合馈能式磁流变半主动座椅悬架，其特征在于：包括座椅悬架本体和座椅悬架控制系统，所述座椅悬架本体包括从下到上依次设置的线圈馈能机构、第一压电片馈能机构和第二压电片馈能机构，所述线圈馈能机构包括一上一下间隔设置的弹簧固定板(26)和线圈固定板(21)，以及设置在弹簧固定板(26)和线圈固定板(21)之间的多个线圈发电组件，所述弹簧固定板(26)的底部设置有弹簧吊耳(25)，所述线圈发电组件包括从下到上依次设置的线圈(20)、能够在线圈(20)内上下运动的强磁铁(22)和用于吊装强磁铁(22)的弹簧(24)，所述强磁铁(22)的顶部设置有磁铁吊耳(23)，所述线圈(20)的底部与线圈固定板(21)固定连接，所述弹簧(24)的上端与弹簧吊耳(25)连接，所述弹簧(24)的下端与磁铁吊耳(23)连接；所述第一压电片馈能机构包括固定连接在弹簧固定板(26)顶部的压电片固定底板(28)、设置在压电片固定底板(28)顶部的压电片下固定板(30)和设置在压电片下固定板(30)顶部的压电片上固定板(32)，所述压电片固定底板(28)、压电片下固定板(30)和压电片上固定板(32)三者固定连接，所述压...
【技术特征摘要】
1.一种复合馈能式磁流变半主动座椅悬架，其特征在于：包括座椅悬架本体和座椅悬架控制系统，所述座椅悬架本体包括从下到上依次设置的线圈馈能机构、第一压电片馈能机构和第二压电片馈能机构，所述线圈馈能机构包括一上一下间隔设置的弹簧固定板(26)和线圈固定板(21)，以及设置在弹簧固定板(26)和线圈固定板(21)之间的多个线圈发电组件，所述弹簧固定板(26)的底部设置有弹簧吊耳(25)，所述线圈发电组件包括从下到上依次设置的线圈(20)、能够在线圈(20)内上下运动的强磁铁(22)和用于吊装强磁铁(22)的弹簧(24)，所述强磁铁(22)的顶部设置有磁铁吊耳(23)，所述线圈(20)的底部与线圈固定板(21)固定连接，所述弹簧(24)的上端与弹簧吊耳(25)连接，所述弹簧(24)的下端与磁铁吊耳(23)连接；所述第一压电片馈能机构包括固定连接在弹簧固定板(26)顶部的压电片固定底板(28)、设置在压电片固定底板(28)顶部的压电片下固定板(30)和设置在压电片下固定板(30)顶部的压电片上固定板(32)，所述压电片固定底板(28)、压电片下固定板(30)和压电片上固定板(32)三者固定连接，所述压电片上固定板(32)和压电片固定底板(28)围成的空间内设置有多个压电发电单元(17)，所述压电发电单元(17)的简支端夹装在压电片下固定板(30)和压电片上固定板(32)之间，所述压电发电单元(17)的自由端固定连接有配重块(18)；所述第二压电片馈能机构包括设置在压电片上固定板(32)上方的座椅固定板(2)，以及设置在座椅固定板(2)与压电片上固定板(32)之间的磁流变减振器(12)、座椅弹簧(43)、第一剪叉(38)和第二剪叉(40)，所述座椅固定板(2)的一侧底部设置有第一滚动槽(7)，所述座椅固定板(2)的另一侧底部设置有第一座椅固定板吊耳(44)，所述座椅固定板(2)的底部设置有位于第一滚动槽(7)和第一座椅固定板吊耳(44)之间的第二座椅固定板吊耳(45)，所述第一滚动槽(7)内部顶面上和底面上均设置有第一压电发电片(5)，所述第一滚动槽(7)的底部设置有第一滚动槽吊耳(8)，所述压电片上固定板(32)的一侧顶部设置有位于第一滚动槽(7)下方的第二滚动槽(13)，所述压电片上固定板(32)的另一侧顶部设置有位于第一座椅固定板吊耳(44)下方的第一压电片上固定板吊耳(35)，所述压电片上固定板(32)的顶部设置有位于第二滚动槽(13)和第一压电片上固定板吊耳(35)之间的第二压电片上固定板吊耳(33)，所述第二滚动槽(13)内部顶面上和底面上均设置有第二压电发电片(15)，所述第一剪叉(38)和第二剪叉(40)十字交叉铰接，所述第一剪叉(38)的下端与第一压电片上固定板吊耳(35)铰接，所述第一剪叉(38)的上端转动连接有设置在第一滚动槽(7)内且能够在第一滚动槽(7)内往复滚动的第一滚轮(4)，所述第二剪叉(40)的上端与第一座椅固定板吊耳(44)铰接，所述第二剪叉(40)的下端转动连接有设置在第二滚动槽(13)内且能够在第二滚动槽(13)内往复滚动的第二滚轮(16)，所述磁流变减振器(12)的活塞杆(11)的端部设置有磁流变减振器上吊耳(10)，所述磁流变减振器(12)的下端设置有磁流变减振器下吊耳(37)，所述磁流变减振器上吊耳(10)与第一滚动槽吊耳(8)铰接，所述磁流变减振器下吊耳(37)与第二压电片上固定板吊耳(33)铰接，所述座椅弹簧(43)的一端与第二座椅固定板吊耳(45)固定连接，所述座椅弹簧(43)的另一端与第二剪叉(40)的上端固定连接；所述座椅悬架控制系统包括座椅悬架控制器(31)、整流器(49)、用于为车载蓄电池(50)充电的蓄电池充电电路(51)和用于为磁流变减振器(12)内的电磁线圈提供稳定的输入电流的可控恒流源电路(46)，所述座椅悬架控制器(31)的输入端接有用于对线圈固定板(21)的加速度进行实时检测的第一加速度传感器(47)和用于对座椅本体(1)的加速度进行实时检测的第二加速度传感器(48)，所述蓄电池充电电路(51)接在整流器(49)与车载蓄电池(50)之间，所述可控恒流源电路(46)与车载蓄电池(50)的输出端和座椅悬架控制器(31)的输出端连接，所述磁流变减振器(12)内的电磁线圈与可控恒流源电路(46)的输出端连接，所述整流器(49)的输入端与线圈(20)的输出端以及串联后的第一压电发电片(5)、第二压电发电片(15)和压电发电单元(17)连接。2.按照权利要求1所述的复合馈能式磁流变半主动座椅悬架，其特征在于：设置在弹簧固定板(26)和线圈固定板(21)之间线圈发电组件的数量为两个，所述压电片上固定板(32)和压电片固定底板(28)围成的空间内设置有二十个压电发电单元(17)；设置在第一滚动槽(7)内部顶面上的第一压电发电片(5)与第一滚动槽(7)内部顶面粘接，设置在第一滚动槽(7)内部底面上的第一压电发电片(5)与第一滚动槽(7)内部底面粘接；设置在第二滚动槽(13)内部顶面上的第二压电发电片(15)与第二滚动槽(13)内部顶面粘接，设置在第二滚动槽(13)内部底面上的第二压电发电片(15)与第二滚动槽(13)内部底面粘接。3.按照权利要求1所述的复合馈能式磁流变半主动座椅悬架，其特征在于：所述压电片固定底板(28)通过螺栓(27)固定连接在弹簧固定板(26)顶部，所述压电片固定底板(28)、压电片下固定板(30)和压电片上固定板(32)三者通过两个自攻沉头螺丝(29)固定连接。4.按照权利要求1所述的复合馈能式磁流变半主动座椅悬架，其特征在于：所述第一剪叉(38)和第二剪叉(40)通过第一剪叉连接销(39)十字交叉铰接，所述第一剪叉(38)的下端通过第二剪叉连接销(34)与第一压电片上固定板吊耳(35)铰接，所述第一剪叉(38)的上端通过第一滚轮剪叉连接销(6)转动连接有第一滚轮(4)；所述第二剪叉(40)的上端通过第三剪叉连接销(41)与第一座椅固定板吊耳(44)铰接，所述第二剪叉(40)的下端通过第二滚轮剪叉连接销(14)转动连接有第二滚轮(16)；所述磁流变减振器上吊耳(10)通过第一磁流变减振器连接销(9)与第一滚动槽吊耳(8)铰接，所述磁流变减振器下吊耳(37)通过第二磁流变减振器连接销(36)与第二压电片上固定板吊耳(33)铰接；所述第二剪叉(40)的上端设置有向上弯折的部分且在向上弯折的部分设置有剪叉通孔(42)，所述座椅弹簧(43)的另一端通过穿过剪叉通孔(42)的方式与第二剪叉(40)的上端固定连接。5.按照权利要求1所述的复合馈能式磁流变半主动座椅悬架，其特征在于：所述第一滚轮(4)和第二滚轮(16)均为胶轮。6.按照权利要求1所述的复合馈能式磁流变半主动座椅悬架，其特征在于：所述座椅固定板(2)上设置有供第一压电发电片(5)的导线穿出的第一导线导向槽(3)，所述压电片上固定板(32)上设置有供第二压电发电片(15)的导线穿出的第二导线导向槽(19)。7.按照权利要求1所述的复合馈能式磁流变半主动座椅悬架，其特征在于：所述压电发电单元(17)包括从上到下依次连接的陶瓷板(17-1)、铜基板(17-2)和Pu板(17-3)。8.一种对如权利要求1所述的复合馈能式磁流变半主动座椅悬架进行控制的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：步骤Ⅰ、所述第一加速度传感器(47)对线圈固定板(21)的加速度进行实时检测，第二加速度传感器(48)对座椅本体(1)的加速度进行实时检测；所述座椅悬架控制器(31)对线圈固定板(21)的加速度和座椅本体(1)的加速度进行周期性采样；步骤Ⅱ、当车辆行驶在不平路面上时，车辆轮胎因受到激励而发生垂直于地面的振动，车辆轮胎的振动经过汽车悬架传递到车身，车身将振动传递到线圈固定板(21)；一方面，线圈固定板(21)再将振动往上传递，带动压电片下固定板(30)振动，线圈(20)产生的电能通过整流器(49)整流后，再经过蓄电池充电电路(51)给车载蓄电池(46)充电，车载蓄电池(46)输出电能给可控恒流源电路(50)；压电发电单元(17)构成悬臂梁结构，压电发电单元(17)发生正压电效应，产生电能并通过整流器(49)整流后，再经过蓄电池充电电路(51)给车载蓄电池(46)充电，车载蓄电池(46)输出电能给可控恒流源电路(50)；同时，压电片上固定板(32)发生振动，第二滚轮(16)在第二滚动槽(13)中滚动，压电片上固定板(32)在上下往复运动过程中，第二滚轮(16)与第二压电发电片(15)的表面接触挤压，第二压电发电片(15)表面受到外力的作用，内部产生电极化现象，产生电能，产生的电能通过整流器(49)整流后，再经过蓄电池充电电路(51)给车载蓄电池(46)充电，车载蓄电池(46)输出电能给可控恒流源电路(50)；第一剪叉(38)通过第一滚轮剪叉连接销(6)将运动传递给第一滚轮(4)，第一滚轮(4)在第一滚动槽(7)内往复滚动的过程中，给予第一压电发电片(5)垂直方向的力，第一压电发电片(5)表面受到外力的作用，内部产生电极化现象，产生电能，产生的电能通过整流器(49)整流后，再经过蓄电池充电电路(51)给车载蓄电池(46)充电，车载蓄电池(46)输出电能给可控恒流源电路(50)；另一方面，所述座椅悬架控制器(31)根据模糊PID控制的方法对其采样得到的线圈固定板(21)的加速度和座椅本体(1)的加速度进行分析处理，得到磁流变减振器(12)内的电磁线圈需要的输入电流并控制可控恒流源电路(46)的输出电流为磁流变减振器(12)内的电磁线圈需要的输入电流，实时调节磁流变减振器(12)内的电磁线圈的输入电流，从而实时调节磁流变减振器(12)内的电磁线圈产生的磁场强度，即实时调节磁流变减振器(12)产生的阻尼力，减小经过座椅悬架传递到座椅本体(1)的振动；步骤Ⅱ中所述座椅悬架控制器(31)根据模糊PID控制的方法对其采样得到的线圈固定板(21)的加速度和座椅本体(1)的加速度进行分析处理，得到磁流变减振器(12)内的电磁线圈需要的输入电流并控制可控恒流源电路(46)的输出电流为磁流变减振器(12)内的电磁线圈需要的输入电流的具体过程为：步骤一、座椅悬架控制器(31)根据公式对其第i次采样得到的座椅本体(1)的加速度和线圈固定板(21)的加速度作差，得到第i次采样时座椅本体(1)的加速度与线圈固定板(21)的加速度的偏差ei；步骤二、座椅悬架控制器(31)根据公式对第i次采样时座椅本体(1)的加速度与线圈固定板(21)的加速度的偏差ei求导，得到第i次采样时座椅本体(1)的加速度与线圈固定板(21)的加速度的偏差ei随时间t的变化率步骤三、座椅悬架控制器(31)根据公式Ei＝ei×Ki对第i次采样时座椅本体(1)的加速度与线圈固定板(21)的加速度的偏差ei进行量化，得到偏差ei的量化量Ei；其中，Ki为第i次采样时座椅本体(1)的加速度与线圈固定板(21)的加速度的偏差ei的量化因子，Ki的取值方法为：当|ei|≤0.2时，Ki的值取为30，当0.2≤|ei|≤0.4时，Ki的值取为15，当|ei|>0.4时，Ki的值取为10；偏差ei的量化量Ei的论域为[-0.6,0.6]；步骤四、座椅悬架控制器(31)根据公式对第i次采样时座椅本体(1)的加速度与线圈固定板(21)的加速度的偏差ei随时间t的变化率进行量化，得到偏差ei随时间t的变化率的量化量其中，为第i次采样时座椅本体(1)的加速度与线圈固定板(21)的加速度的偏差ei随时间t的变化率的量化因子，的取值方法为：当的值取为0.6，当时，的值取为0.2，当时，的值取为0.1；偏差ei随时间t的变化率的量化量的论域为[-30,30]；步骤五、座椅悬架控制器(31)对偏差ei的量化量Ei按照四舍五入的方法进行整数化，得到偏差ei的量化量Ei的整数化结果并将偏差ei的量化量Ei的整数化结果作为模糊PID控制的第一个输入Ei′；步骤六、座椅悬架控制器(31)对偏差ei随时间t的变化率的量化量按照四舍五入的方法进行整数化，得到偏差ei随时间t的变化率的量化量的整数化结果作为模糊PID控制的第二个输入步骤七、座椅悬架控制器(31)根据模糊PID控制的第一个输入Ei′和模糊控制的第二个输入查询存储在座椅悬架控制器(31)内部存储器中的由座椅悬架控制器(31)预先制定好的模糊PID控制查询表，得到第i次采样时模糊控制部分的输出Kpi、Kii、Kdi，即第i次采样时PID控制部分的比例控制参数Kpi、积分控制参数Kii和微分控制参数Kdi；步骤八、座椅悬架控制器(31)根据公式计算得到励磁线圈(19)需要的输入电流I(i)，即座椅悬架控制器(31)控制可控恒流源电路(46)的输出电流I(i)；其中，k为0～i的自然数，ei-1为第i-1次采样时座椅本体(1)的加速度与线圈固定板(21)的加速度的偏差且为第i-1次采样得到的座椅本体(1)的加速度，为第i-1次采样得到的线圈固定板(21)的加速度。9.按照权利要求8所述的方法，其特征在于：步骤七中所述座椅悬架控制器(31)预先制定模糊PID控制查询表的过程为：步骤701、所述第一加速度传感器(47)对线圈固定板(21)的加速度进行实时检测，第二加速度传感器(48)对座椅本体(1)的加速度进行实时检测；所述座椅悬架控制器(31)对线圈固定板(21)的加速度和座椅本体(1)的加速度进行周期性采样；步骤702、座椅悬架控制器(31)根据公式对其第i次采样得到的座椅本体(1)的加速度和线圈固定板(21)的加速度作差，得到第i次采样时座椅本体(1)的加速度与线圈固定板(21)的加速度的偏差ei；步骤703、座椅悬架控制器(31)根据公式对第i次采样时座椅本体(1)的加速度与线圈固定板(21)的加速度的偏差ei求导，得到第i次采样时座椅本体(1)的加速度与线圈固定板(21)的加速度的偏差ei随时间t的变化率步骤704、座椅悬架控制器(31)根据公式Ei＝ei×Ki对第i次采样时座椅本体(1)的加速度与线圈固定板(21)的加速度的偏差ei进行量化，得到偏差ei的量化量Ei；其中，Ki为第i次采样时座椅本体(1)的加速度与线圈固定板(21)的加速度的偏差ei的量化因子，Ki的取值方法为：当|ei|≤0.2时，Ki的值取为30，当0.2≤|ei|≤0.4时，Ki的值取为15，当|ei|>0.4时，Ki的值取为10；偏差ei的量化量Ei的论域为[-0.6,0.6]；步骤705、座椅悬架控制器(31)根据公式对第i次采样时座椅本体(1)的加速度与线圈固定板(21)的加速度的偏差ei随时间t的变化率进行量化，得到偏差ei随时间t的变化率的量化量其中，为第i次采样时座椅本体(1)的加速度与线圈固定板(21)的加速度的偏差ei随时间t的变化率的量化因子，的取值方法为：当时，的值取为0.6，当时，的值取为0.2，当时，的值取为0.1；偏差ei随时间t的变化率的量化量的论域为[-30,30]；步骤706、座椅悬架控制器(31)对偏差ei的量化量Ei进行模糊化处理，其具体过程如下：步骤7061、定义偏差ei的量化量Ei的模糊状态集合为{负大、负中、负小、零、正小、正中、正大}；步骤7062、座椅悬架控制器(31)根据偏差ei的量化量Ei的三角形隶属函数计算得到偏差ei的量化量Ei对应的模糊状态的隶属度值trimf(Ei,a1,b1,c1)，并根据最大隶属度原则确定偏差ei的量化量Ei对应的模糊状态，且当偏差ei的量化量Ei在两种不同的模糊状态下对应的隶属度值相等时，选取小于偏差ei的量化量Ei的数据对应的模糊状态为偏差ei的量化量Ei对应的模糊状态；其中，a1为偏差ei的量化量Ei的三角形隶属函数对应的三角形底边左顶点的横坐标，b1为偏差ei的量化量Ei的三角形隶属函数对应的三角形底边右顶点的横坐标，...
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