技术领域
[0001] 本公开内容涉及一种主动悬挂系统。
背景技术
[0002] 主动悬挂(active suspension)系统用于抵消簧载
质量的不期望的运动。一个这样的簧载质量是机动车的座椅。驾驶员可能由于恒定的座椅振动而经历显著的疲劳。座椅的其它运动也可能不舒服或者甚至很危险。与疲劳以及座椅运动相关的问题可以使用减小座椅振动以及座椅的其它不期望的运动的主动悬挂系统来缓解。
发明内容
[0003] 一种主动悬挂系统可以用于抵消振动隔离平台以及被耦合至该平台的任何元件的不期望的运动。一种主动悬挂系统使用一个或多个电磁
致动器，一个或多个电磁致动器可以提供基本上线性的输出运动以帮助实现期望的悬挂结果。这样的电磁致动器的示例包括对将旋转运动转换成线性运动的传输机构进行驱动的线性
电机和旋转电机。通常使用来自现有电功率源的
能量对电磁致动器供电。在车辆或者其它运输工具中，能量源通常为现有的车辆
电池。
[0004] 一些这样的主动悬挂系统(例如
卡车座椅主动悬挂系统)使用偏置
力消除器(诸如可动态调节的低
刚度弹簧元件(其中弹簧常量是可调节的))以保持悬挂以其垂直行程为中心，并且使用电磁致动器(诸如
线性电机)以抵消振动以及小的垂直
加速度的其它源。这些悬挂系统从功率源(例如卡车电池)汲取相当多的能量。因此，在运输工具不运行时禁用主动悬挂系统(在被动悬挂系统可用时保持被动悬挂系统处于操作状态)是有用的。
如果在致动器处于被致动以向簧载质量递送力的过程中时关闭向致动器提供的功率，则力的突然中止可能使得簧载质量(例如座椅)突然倾斜；这一运动可以激发振动模式(被动悬挂基频谐振和其它结构模式)，从而导致不期望的谐振并且可能导致噪声。
[0005] 本公开内容的一个方面涉及直接监测源(例如电池)
电压，或者经由将功率源连接至主动悬挂系统的接线来间接监测源电压，作为确定运输工具何时关闭并且然后关闭电磁致动器和/或整个主动悬挂系统的一种手段。监测运输工具是否开启的其它方式包括：监测由引擎产生的运输工具的地板的振动，以及监测被悬挂平台或者由该平台承载的元件(诸如乘客座椅)是否正在经历至少最小
水平的垂直运动。
[0006] 另一方面涉及对电磁致动器的关闭的控制，使得其力输出在短时间段上逐渐降低至零，以便轻轻地中止操作并且抑制可能由于力的突然中止而产生的突然倾斜。在一个非限制性示例中，力输出的逐渐下降实质上是单调降低。
[0007] 本公开内容在一个示例中描绘一种用于被悬挂设备的主动悬挂系统的特征。该系统具有在被悬挂设备上产生力并且由功率源供电的电磁致动器以及提供控制
信号的控制系统，
控制信号使得电磁致动器在被悬挂设备上施加力；控制系统被适配成接收导致禁用电磁致动器在被悬挂设备上产生力的关闭信号。当控制系统接收到关闭信号时，控制系统提供使得由电磁致动器施加的力在过渡时间段上逐渐过渡至零的致动器关闭控制信号。被悬挂设备可以是机动车乘客座椅，并且电磁致动器可以是线性电机。
[0008] 过渡时间段可以是预定的。关闭控制信号可以是这样的，以便使得电磁致动器的力输出在预定时间段上平稳地过渡至零；关闭控制信号可以使力输出在预定时间段上平稳地延时归零。关闭控制信号可以备选地使力输出在预定时间段上实质单调地减小至零。
[0009] 关闭信号可以源自悬挂系统
传感器。传感器可以包括以下各项中的一项或多项：功率源电压传感器、
电流传感器、振动传感器以及被悬挂设备
位置传感器。可以在以下条件中的一个或多个条件下生成关闭信号：(i)当功率源电压低于
门限电压时；(ii)当平均振动在零处或者在零附近时；以及(iii)当
位置传感器感测到低于最小速度限制的悬挂速度时。
[0010] 在另一示例中描绘一种用于被悬挂设备的主动悬挂系统的特征，该系统包括在被悬挂设备上产生力并且由功率源供电的电磁致动器以及提供控制信号的控制系统，控制信号使得电磁致动器在被悬挂设备上施加力，其中控制系统被适配成接收导致禁用电磁致动器在被悬挂设备上产生力的关闭信号。关闭信号源自悬挂系统传感器，悬挂系统传感器包括以下各项中的一项或多项：功率源电压传感器、电流传感器、振动传感器以及被悬挂设备位置传感器。在以下条件中的一个或多个条件下生成关闭信号：(i)当功率源电压低于门限电压时；(ii)当平均振动在零处或者在零附近时；以及(iii)当位置传感器感测到低于最小速度限制的悬挂速度时。
[0011] 可以仅在悬挂系统和被悬挂设备一起汲取小于预定量的电流时使得电压传感器能够感测功率源电压。可以仅在功率源电压保持低于门限电压至少预定的时间量的情况下生成关闭信号。门限电压可以是预定的和固定的，或者门限电压可以是可变的并且基于功率源的以往操作。电压传感器可以被适配成：估计从功率源向电磁致动器传导功率的接线的阻抗，测量在接线中流动的电流，并且根据阻抗和电流导出电压。
[0012] 被悬挂设备可以是具有地板的机动车中的座椅，并且振动传感器可以被安装以便感测机动车地板的振动。所感测的振动可以在预定
频率范围内。预定
频率范围可以与引擎每分钟转速相关。可以在悬挂速度保持低于最小速度限制至少预定的时间量的情况下生成关闭信号。
[0013] 其它特征和优点根据下面的描述和
权利要求将变得很清楚。
附图说明
[0015] 图2是主动悬挂系统的框图。
[0016] 图3图示主动悬挂系统的操作。
具体实施方式
[0017] 期望控制一种用于车辆座椅的主动悬挂系统，该主动悬挂系统包括使用从车辆电池汲取的功率来进行驱动的电磁致动器，使得一旦车辆引擎已经被关闭，致动器不继续汲取功率。此外，在期望关闭主动悬挂系统时，可以通过在系统关闭时在预定的时间量内控制系统致动器的力输出来减小振动模式的激发或者使其最小化。例如，可以通过一旦已经出现用于关闭系统的触发而在短预定时间段上将力输出逐渐过渡至零来控制力输出。
[0018] 图1是主动悬挂系统10的示意性框图。主动悬挂系统10包括主动悬挂16、电源20、悬挂控制系统26和经用户激活的
开关28。系统10与簧载质量12一起使用。簧载质量
12通常是被耦合至移动平台并且使用悬挂元件被主动悬挂的任何设备，悬挂元件被控制以实现特定悬挂结果。在一个非限制性示例中，簧载质量是一种设备，该设备是运动平台(诸如机动车、火车、飞机、轮船或者沿着地面(或者在地面以下)或者在空中或者在水中或
水上运动的其它运输工具的装置)的一部分或者由运动平台承载，并且其中该设备相对于运动平台被悬挂并且悬挂系统是主动的而非纯被动的。
[0019] 一种主动悬挂，包括能够输出任意力的致动器。簧载质量的一个特定非限制性示例是卡车驾驶员的座椅，该座椅具有主动悬挂，主动悬挂被部分设计成消除由运行的引擎以及由卡车在道路上的运动造成的座椅振动或者至少使该座椅振动最小化。在这种情况下，主动悬挂16通常包括电磁致动器以及可动态调节的低刚度弹簧。电磁致动器可以是但并不一定是线性电机。可动态调节的低刚度弹簧被用作力偏置消除器以将系统维持在平衡状态，使得线性电机主要用于抵消小的扰动。美国
专利8,095,268中还详述了一种主动悬挂系统，该专利的公开内容通过引用合并于此。
[0020] 主动悬挂16具有通过源自功率源24的电功率被提供能量的一个或多个电操作的悬挂元件。在卡车座椅顶部作为簧载质量12的示例中，功率源24通常是卡车电池和
交流发电机的组合。簧载质量12通常还包括振动传感器，振动传感器被包括到控制系统26中作为振动控制反馈回路的一部分；传感器可以被安装至座椅顶部或者至悬挂的安装有座椅顶部的部分。电源20是系统10的一部分，并且经由高电流容量接线25被耦合至功率源24。在一个示例中，可以将系统10设计为售后市场产品，该售后市场产品是自包含的并且仅通过能够承载相对较高电流(其通常是大约4安培，并且峰值电流大约40安培)的功率线被包括到车辆的电气系统中。通过仅需要到车辆电源的连接，极大地简化了售后市场设备的安装。不需要到车辆总线的连接，这使得单个售后市场设备能够用在多个车辆平台上，因为需要用以与车辆
接口连接的最小定制化(例如特定
电连接器和座椅安装
支架)。在另一示例中，系统10被提供作为OEM产品并且因此很容易被包括到车辆
点火系统中；在这种情况下，系统10将直接从车辆点火系统接收关闭信号，而非必须导出车辆关闭，如本文中所描述的。
[0021] 因为主动悬挂系统可以汲取大量能量，所以布置系统以使得主动悬挂16在机动车不运行时关闭(断电)是有用的。然而，由于悬挂系统10没有被电耦合至现有的卡车电气系统，而是从电池汲取能量，所以关闭判决不可以基于对点火开关的位置的感测或者引擎或车辆的操作状态的其它现有指示，因为这一信息对于悬挂系统是不可用的。
[0022] 机动车以及其它使用电池作为功率源的一部分的电机驱动的运输工具通常具有用于向运输工具提供电功率以及用于在引擎操作时维持电池电荷的交流发电机等。在运输工具及其交流发电机运行时，电池电压被维持在相对较高的水平，其名义上为工作电压(例如在大多数美国
汽车系统中通常为13.6伏特至14.4伏特)。当运输工具及其交流发电机不工作时，通过主动悬挂系统从电池汲取电荷，并且电池电压下降。因此，电池电压是引擎(并且因此是交流发电机)是否运行的间接指示。系统10可以使用电池电压的测量作为一种用以确定是否中断通过电源20向主动悬挂16提供的功率的手段。
[0023] 悬挂控制系统26提供控制信号，控制信号最终使得主动悬挂16中存在的电磁致动器在簧载质量12上施加力。控制系统26被适配成接收关闭信号，关闭信号导致禁用电磁致动器，使得电磁致动器不再在被悬挂设备上产生力。关闭信号可以由开启/关闭开关28来提供，开启/关闭开关28是可以内置在悬挂系统10中的经用户操作的开关。关闭信号还可以在出现指示运输工具引擎是否运行的一个或多个条件时由系统10自身生成。一个这样的条件基于对电池电压的感测，如以上所描述的。另一条件基于机动车的所感测的振动。可以安装振动传感器(诸如加速计)以便检测通常由运行的引擎产生的振动。在一个示例中，加速计可以被直接或者间接安装至安装有座椅的车辆地板。例如，加速计可以被安装至系统10的
基座，该基座自身被适配成被
螺栓固定至卡车地板。这样的振动传感器被示意性地描绘为传感器18。指示静止的(固定的)运输工具的第三条件为被悬挂设备的位置。可以使用位置传感器来确定座椅相对于地板的位置。当运输工具运动时，振动会产生座椅或者其它被悬挂设备的连续运动，这些运动通过位置传感器被感测并且被转
化成悬挂速度。当所感测的速度低于最小速度限制时，可以判定引擎关闭，此时可以关闭给悬挂16的功率。座椅位置和振动传感器被示意性地描绘为位置和振动传感器14。
[0024] 电压传感器22是电源20的一部分，并且被使能以经由线路25来感测功率源24的电压并且向控制系统26提供这一信息。备选地，如果
电阻已知或者可以被测量，则可以通过感测电流并且计算电压来确定电压。当从功率源24汲取大量功率以操作悬挂16时，线路25上可以有大量电压降，这可以使得难以感测与关闭的交流发电机关联的很小的电压降。因此，系统10可以包括被适配成确定电流流动的感测设备、
电路或者
软件。这可以如下来实现。电源20具有DC/DC转换器，DC/DC转换器将输入标称电压升高至由作为主动悬挂16的一部分的致动器来使用的较高
输出电压。转换器可以包括电阻元件。可以通过测量这一电阻元件上的电压降来测量电流。备选地，转换器可以包括基于霍尔效应的电流传感器或者其它用以确定电流的感测技术。
[0025] 在电流流动低于预定水平时，可以使得控制系统26能够使用
电源电压测量作为交流发电机状态的指示器。在一个示例中，这个值可以是大约4安培。一些卡车座椅还包括可以经由线路25从功率源24汲取大量电流的电阻式座椅加热元件(未示出)。在具有这一选项的系统中，可以使得电源20能够短暂地中断给座椅加热器的功率，同时在电压降被确定为交流发电机状态的指示器之前测量由主动悬挂汲取的功率。
[0026] 为了增加由电压传感器22实现的电压确定的可靠性，控制系统26可以包括如下
算法：该算法在大约5Hz处对电池电压进行低通滤波并且使用具有“交流发电机开启”电压门限和较低的“交流发电机关闭”电压门限的滞后比较器以防止在开启状态判决与关闭状态判决之间快速切换。然后可以对这一比较器的输出进行低通滤波，并且使其通过用作计数器的第二滞后比较器，使得开启和关闭之间的状态改变仅在该值保持至少最小时间量(其可以被选择为大约4秒)的情况下被识别。这一算法因此帮助确保低电池电压水平判决(其被视为表明交流发电机关闭)更鲁棒。
[0027] 电源20可以具有
放大器，放大器使用来自电池24的上变频功率被馈电并且通过由悬挂控制系统26中的控制单元(处理器)输出的信号来控制。以上描述的电压测量是至这一控制单元的输入，这一控制单元可以生成导致切断从电源20到主动悬挂16的功率的控制信号。
[0028] 代替使用如以上所描述的静态预定电池电压门限用于开启/关闭比较，通过由电压传感器22来监控对电池电压的确定，可以使得控制系统26能够基于对系统10的操作的实时监控来改变电压门限。这可以使得系统10能够基于影响电池电压的系统变量(交流发电机性能、电池电荷的状态、环境
温度等)来做出更鲁棒的开启/关闭判定。作为一个示例，系统最初可以设计有考虑到环境条件的门限。在这种情况下，判定速度很鲁棒但是很慢。随着时间过去，系统可以观察关闭状态和开启状态下的电池电压，并且使用该数据来调整门限。使用新得出的门限，可以极大地提高判决速度。例如，在阿拉斯加的冬天操作的系统会学习使用可以比初始门限高100mV的电压电平，而在亚利桑那的夏天操作的系统会使用可以比初始门限低100mV的电压电平。
[0029] 用于使用所测量的电池电压做出断电开启/关闭判决的另一选项可以如下所示。代替仅在电流汲取相对较低时做出电池电压测量，可以使得控制系统26能够通过基于电流汲取与测量的电池电压(Vmeas)之间的关系的测量估计接线25的有效阻抗来飞速、连续地做出电池电压测量。因此，所估计的阻抗可以用于补偿由于电流汲取而产生的电压降。
这可以通过根据如下公式从所估计的阻抗(Rest)和所测量的电流流动(Imeas)导出电池电压(Vbatt)来实现：
[0030] Vbatt＝Vmeas+Imeas*Rest (等式1)
[0031] 其中
[0032] Rest＝-(dVmeas/dt)/(dImeas/dt) (等式2)
[0033] 关于是否切断给主动悬挂16的功率的判决可以备选地或者另外地基于卡车地板振动传感器18的向控制系统26提供的输出。当车辆开启或者关闭时，存在通过传感器18检测到的明显不同的加速度特征。当车辆关闭时，几乎没有或者完全没有振动，而在车辆开启时，存在来自引擎和/或道路的可测量的振动。可以使得控制系统26能够确定当平均振动在零处或者在零附近时车辆已经被关闭。备选地，当预定频率范围内(例如在引擎旋转的频率处)的振动水平变为在零处或者在零附近时，系统26可以判定车辆已经被关闭。
[0034] 开启/关闭判决可以另外地或者备选地基于测量悬挂位置的传感器。当车辆关闭时，稳定状态悬挂速度会在零处或者在零附近。可以向这一测量应用时间参数以用于其中车辆可能在休息的普通情况(例如如果车辆处于停止信号灯处等)。在一个实施方式中，对于控制系统26，悬挂速度的绝对值将需要在大于90秒的时间内小于每秒10毫米，以生成禁用电源20向悬挂16提供功率的致动器关闭控制信号。
[0035] 图2示意性地描绘了卡车座椅悬挂系统40。卡车座椅42具有被耦合至其的加速计44。主动悬挂系统包括可动态调节的可变力弹簧46以及电磁致动器(线性电机)48。可动态调节的力弹簧46可以是用作力偏置消除器的
气缸。可动态调节的力弹簧46用作负载调平系统，其目标是将平均力降为零。这可以通过使用
电子螺线管改变气缸的压力来实现。可以控制被耦合至卡车的压缩空气系统的螺线管
阀来改变位置和弹簧常量以抵消DC或者甚低频(小于大约1Hz)力需求。位置传感器50测量卡车座椅42相对于卡车地板51的位置。由于卡车引擎的操作以及卡车在道路上的运动二者，在卡车
驾驶室地板51中引起振动。使用位置传感器50来感测这些运动，位置传感器50测量地板和簧载质量(即驾驶员和座椅)的相对位置，并且通过加速计44测量这一簧载质量的加速度。来自加速计的
传感器数据用于抵消振动，并且位置传感器数据用于将系统保持在其悬挂系统范围的大约中间。
[0036] 控制算法60具有使用来自加速计44的簧载质量加速度而输入的振动抵消功能。使用来自传感器50的簧载质量位置信息来输入定中心功能64。这些信号被组合，并且向控制可变力弹簧46的负载调平算法66提供该组合信号。还向线性电机48提供该组合信号。
[0037] 当如以上所描述地关闭主动悬挂的电气操作部分(在图2的示例中意指线性电机48)时，如果电机处于施加力的过程中，则力输出将立刻从其当前值变为零。从非零力到零力的这一突然变化可以由于来自电机48的力的中止而引起宽带加速度。针对这一谐振系统的这一高频加速度可以使得机械结构(即座椅42)在复位之前谐振很短一段时间。这可以造成座椅的不期望的突然倾斜以及不期望的声音。
[0038] 可以操作本文的主动悬挂系统以便最小化或者消除造成座椅谐振的这一高频加速度。这可以通过以下方式来完成：在接收或者生成如上所述的主动悬挂关闭信号之后，在短时间段上将线性电机从其当前力值逐渐过渡至零。图3中图示了这一操作的一个示例。“开启”信号70(其经由开关28来自乘客或者来自内部)关闭系统并且因此使得系统在时间t0改变状态。这使得被标识为“停机警告”72的信号改变状态(开启)。当识别到这一状态改变时，在被表示为在时间t0与时间t1之间的时间的很短的停机时间(例如50毫秒)内维持
硬件状态74。
[0039] 在这种情况下，使得悬挂控制系统能够在这一过渡时间段的一部分时间段或者全部时间段上将其力命令76从当前值线性电机力输出(在时间t0处)逐渐减小至零力输出。在所示示例中，这一过渡是力输出中的平滑斜坡78。在部分82中示出了在过渡期间所得到的座椅加速度80。所得到的加速度被平滑，并且使高频加速度最小化。在时间t1之后，关闭硬件并且不向线性电机48提供功率。因为力命令已经处于零，所以没有不期望的瞬变。
