專利名稱：主動懸掛的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及主動懸掛。
背景技術：
沿期望方向運動的交通工具也不可避免地經歷沿其他方向的運動。該不期望的運動通常起因于交通工具行進通過的介質中的干擾。例如，無論交通工具是通過陸、海、還是空行進，它都可能遇到撞擊、波浪、氣穴等。 最好的情況是，這種隨機加速對交通工具中的人造成不舒服和煩惱。對于某些易受影響的人，這些隨機加速可能引起ー輪暈動。然而，在一些情況下，特別急劇的加速將引起操作者暫時失去對交通工具的控制。即使當穩(wěn)定吋，也存在ー些與交通工具的發(fā)動機相關聯(lián)的剰余振動。在運動中，即使在平坦的道路上，該剩余振動可能變得難以忍受地令人厭煩。

發(fā)明內容
根據本發(fā)明，提供ー種裝置，包括主動懸掛，該主動懸掛包括耦合到車輛中設備的電磁執(zhí)行器；耦合到所述設備的力偏壓消除器，使得所述執(zhí)行器經歷零平均值的負載；特征在于隔振模塊，用于基于標稱設備對被主動懸掛的設備的所測量干擾的響應來生成控制信號；以及補償系統(tǒng)，用于響應于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。本發(fā)明還包括以下特征 傳感器，用于提供指示所述設備的狀態(tài)的信息。 重量傳感器，用于測量與所述設備相關聯(lián)的重量。 所述カ偏壓消除器包括氣壓系統(tǒng)。 主動懸掛配置為具有多個操作模式，包括主動模式和被動模式。 該裝置配置為響應于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。 該裝置配置為響應于用戶選擇而在所述主動模式與被動模式之間切換。 該設備包括座椅，并且其中所述電磁執(zhí)行器耦合到所述座椅以對所述座椅施加力。 所述補償系統(tǒng)配置為響應于所述座椅的不同乘客的重量的差別來修改所述控制信號。 所述補償系統(tǒng)包括反饋環(huán)路，其攜帯指示設備加速的反饋信號；并且所述補償系統(tǒng)配置為保持所述反饋環(huán)路的恒定帶寬。
所述補償系統(tǒng)配置為響應于所述設備的重量的快速改變來修改所述控制信號。 所述補償系統(tǒng)配置為響應于所述座椅的重量的快速改變來修改所述控制信號。 所述控制信號被修改，從而在所述カ偏壓消除器被允許適應于新的設備重量時，所施加的最大執(zhí)行器力降低。 所述控制信號被修改，從而在所述カ偏壓消除器被允許適應于新的座椅重量時，所施加的最大執(zhí)行器力降低。 所述補償系統(tǒng)設置為獨立于設備差異而保持恒定的開環(huán)加速傳遞函數。 如果所述控制信號將使得所述執(zhí)行器施加大小處于摩擦力級別上的力，則所述補償系統(tǒng)不修改所述控制信號。 如果所述控制信號將使得所述設備的加速小于預定閾值，則所述補償系統(tǒng)不修改所述控制信號。通常，在ー個方面中，力偏壓元件耦合到交通工具中的設備，該カ偏壓元件具有低帶寬，以及主動懸掛包括位于該カ偏壓元件內部的線性電磁執(zhí)行器，該線性電磁執(zhí)行器具有高帶寬并且耦合到設備。實施可以包括ー個或多個以下特征。通過分_ (crossover)頻率使低帶寬基本上與高帶寬隔開。分隔頻率為l/3Hz。高帶寬包括設備的一部分經歷共振的頻率。高帶寬包括2Hz到20Hz的頻率范圍。主動懸掛還包括位于カ偏壓元件內部的傳感器。主動懸掛還包括位于カ偏壓兀件內部的電カ電子設備。通常，在另一方面中，在具有一種設備交通工具中具有低帶寬的力偏壓消除器耦合到設備；以及主動懸掛包括耦合到設備并且具有高帶寬的電磁執(zhí)行器，電磁執(zhí)行器提供致動力，以及電磁執(zhí)行器的運動在相對于設備重心的運動的45度相位角內。實施可以具有ー個或多個以下特征。高帶寬包括2Hz到20Hz的頻率范圍。基本上通過設備重心提供致動カ。電磁執(zhí)行器包括兩個カ產生裝置，每個カ產生裝置沿各自的 軸向設備施加力。其中ー個軸基本上不通過設備重心。致動カ是垂直定向的。主動懸掛系統(tǒng)還包括懸掛聯(lián)動。電磁執(zhí)行器基本上耦合到設備的重心。電磁執(zhí)行器通過樞軸結構基本上耦合到設備的重心，當電磁執(zhí)行器在最高行程(top stroke)工作時該樞軸結構強制從地面到設備的高度小于15英寸。電磁執(zhí)行器通過萬向接頭樞軸基本上耦合到設備的重心。通常，在另一方面中，在具有設備的交通工具中，使耦合到設備的低帶寬カ偏壓元件在低頻范圍工作；以及使耦合到設備的高帶寬電磁執(zhí)行器在高頻范圍工作，使得電磁執(zhí)行器的運動在相對于設備重心的運動的45度相位角內。實施可以包括ー個或多個以下特征。通過分隔頻率使高頻范圍基本上與低頻范圍隔開。分隔頻率為l/3Hz。使執(zhí)行器工作包括使執(zhí)行器提供基本上通過設備的重心的力。其他特征和優(yōu)點將從以下描述和權利要求中變得清楚明了。


圖I和圖4-圖7示出主動懸掛的設備；圖2和圖3示出到主動懸掛的設備的并行連接和串行連接；圖8示出用于控制圖I和圖4-圖7的主動懸掛的設備的控制系統(tǒng)； 圖9示出圖8的控制系統(tǒng)的實施方式；
圖10示出隔振模塊；圖11-圖12示出具有不同類型的設備估計器的控制系統(tǒng)；圖13是由カ偏壓消除器使用的算法的流程圖；圖14示出示例性力偏壓消除器；圖15是示出力偏壓消除器的處理的框圖；圖16示出在其中測量設備的重量的控制系統(tǒng)；、
圖17示出用于故障保險系統(tǒng)的算法；圖18示出典型功率需求；圖19示出電源；圖20示出用于導致在沿不同軸的運動之間的耦合的座位的支架；圖21示出被修改以適應沿不同軸的運動的耦合的控制系統(tǒng)；圖22示出力偏壓消除器和垂直執(zhí)行器；圖23A和圖24A是座位的側視圖；圖23B和圖24B是示出隔離效果的圖表；圖25是萬向接頭樞軸的透視圖；圖26是示出相位滯后的圖表；以及圖27是示出頻率范圍的分隔的圖表。
具體實施例方式主動懸掛的設備包括耦合到一個或多個主動懸掛元件的座位或其他平臺，每個主動懸掛元件提供沿軸方向的主動懸掛。在一些情況下，使被動懸掛元件與沿ー個或多個軸的主動懸掛元件協(xié)作是有用的，盡管這不是必需的。在這種情況下，主動懸掛元件可以與被動懸掛元件串行或并行安裝。在以下描述中，多處提到設備的位置和運動。應該理解，為了便于以下根據所公開的實施方式的論迷，“位置”表示設備相對于交通工具的位置，“運動”表示設備相對于慣性參考系的運動。因此，提及的位置信號指的是攜帶關于設備相對于交通工具的位置的信息的信號。提及的運動信號指的是攜帶關于設備相對于慣性參考系的運動(例如加速)的信息的信號。以下描述涉及的實施方式中，設備g在沿笛卡兒坐標系中三個坐標軸中任何ー個或多個平移。然而，控制系統(tǒng)不需要任何特定坐標系用于其操作。例如，設備可以配置用于沿兩個軸中任何ー個或多個平移。此外，設備可以配置用于沿非正交的以及正交的ー個或多個軸平移。以下描述的控制系統(tǒng)不限于設備平移的控制?？刂葡到y(tǒng)還可以用于控制旋轉運動，例如俯仰、側傾或側滑?；蛘撸刂葡到y(tǒng)可以用于控制旋轉和平移運動的組合。圖I不出主動懸掛的設備10,該設備10具有垂直主動懸掛兀件12,用于影響(例如抑制)設備16沿垂直軸z的運動；以及縱向主動懸掛元件14，用于影響設備16沿縱軸y的運動。設備16沿橫軸X的運動由被動懸掛元件18影響，例如基于彈簧或彈簧/減震器的系統(tǒng)。在設備16包括座位的情況下，如圖I所示情況下，包括用于抑制縱向運動的縱向主動懸掛元件14與包括純粹被動懸掛相對比是特別有用的，這是因為其允許當對外部環(huán)境施力時座位保持靜止。這種特征是有用之處在于例如防止座位隨著下壓腳踏板而向后運動。如在本描述中使用的，主動懸掛是包括作為其主要部分的執(zhí)行器的懸掛。這種執(zhí)行器能夠生成其大小和方向可以獨立于懸掛的位置和運動而得到控制的力。在一些實施方式中，執(zhí)行器是線性的或旋轉的，単相或多相的電磁執(zhí)行器或電磁馬達。術語“設備”意思是包括接收控制信號并且其位置和運動將被控制的系統(tǒng)。設備可以包括座位、乘客、任何與座位相關聯(lián)的夾具、座位的支承結構、電カ電子、以及主動和/或被動懸掛元件的數學模型，使得那些元件影響將被控制的系統(tǒng)的動態(tài)特性。 主動懸掛的設備可用于各種應用中。例如，主動懸掛的設備可以是用于任何移動交通工具中的發(fā)動機架、船上的平臺、座位、床、或駕駛室，交通工具的例子有汽車、卡車、船或其他水運工具、火車、公共汽車、旅行車、救護車、拖拉機、載重拖車、農業(yè)機械、施工機械、武器平臺、飛機、直升機或其他飛行器、個人運輸設備例如輪椅或嬰兒車。主動懸掛的設備的其他實例包括機床隔離臺、干涉儀工作臺、光蝕刻工作臺等。設備完全不需要包括座位。例如，它可以是用于睡覺的床，例如那些在卡車駕駛室中或在火車的臥車中找到的。此外，設備不需要運載人。例如，存在相當易碎的貨物(例如瓷器或水晶)或相當易爆的貨物(炸藥)，這兩種貨物通常非常仔細地運輸。主動懸掛的設備可以提供適當的方法來運輸這種貨物。此外，設備可以覆蓋大量面積。例如，在豪華游輪上，其可以用于理發(fā)店或暈船恢復休息室，其即使在輪船俯仰和側傾時也保持穩(wěn)定。這種設備可以使人即使在海上的暴風雨期間也能夠享受近身修面的益處。無論是主動的還是被動的每個懸掛元件抑制沿至少ー個軸的運動。在一些實施方式中，所有軸可以設置有主動懸掛元件，這樣不需要被動懸掛元件。然而，其他實施例包括這些ー個軸，優(yōu)選地是垂直軸，設置有主動懸桂；以及垂直軸之外的軸設置有被動懸掛元件。另ー選擇是設置ー個軸，優(yōu)選地是橫軸，具有被動懸掛，并且設置橫軸之外的軸具有主動懸桂。在其他實施方式中，控制旋轉運動，例如俯仰、側傾和側滑。在這種情況下，主動懸掛可以配置用于促使設備俯仰、側傾、側滑、或其任意組合。缺乏主動懸掛的軸完全不需要設置有被動懸桂。然而，如果在那些軸中沒有被動懸掛，乘客可能感到不舒適。出于這個原因，期望提供ー個或多個具有主動和被動懸掛兩者的軸。在這種情況下，主動和被動懸掛可以串行放置并且主動懸掛處于被動懸掛之下，如圖2所示，或者在被動懸掛之上(未示出)?？蛇x地，主動和被動懸掛可以并行放置，如圖3所
/Jn ο在一些實施方式中，主動懸掛可以開啟和關閉，不確定地或按照時間，一次對于所有軸或挨個軸地。在一些情況下，提供與主動懸掛元件相關聯(lián)的故障保險系統(tǒng)是有用的，用于如果與該軸相關聯(lián)的主動懸掛元件出現(xiàn)故障，阻尼設備沿該軸的運動?？蛇x地，如果主動和被動懸掛串行，可以切斷給主動懸掛的電力。在這種情況下，可以夾住與主動懸掛相關聯(lián)的任何移動部分。一旦夾住主動懸掛的移動部分，將只有被動懸掛影響設備運動。在其他情況下，主動懸掛的移動部分保持自由以隨被動懸掛元件的動作而移動。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 ；以及垂直執(zhí)行器28，在所示實施方式中，其與垂直位置傳感器24并行并優(yōu)選地位于盡可能接近垂直加速度計20。類似地，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 ;以及縱向執(zhí)行器30，其與縱向位置傳感器26并行，并優(yōu)選地位于盡可能接近縱向加速度計22。
可用于主動懸掛兀件12、14的執(zhí)行器28、30包括單相或多相電磁執(zhí)行器,例如三相線性執(zhí)行器、単相線性執(zhí)行器、旋轉執(zhí)行器和可變磁阻執(zhí)行器。一種適合的執(zhí)行器是電磁線性執(zhí)行器，例如在美國專利號4，981，309中公開?？梢允褂萌魏尉哂凶銐蚍直媛屎途鹊奈恢脗鞲衅?4、26。合適的位置傳感器24、26的實例包括具有電位計的傳感器、使用霍爾效應的傳感器、以及具有磁致伸縮傳感器的傳感器。具有電位計的位置傳感器的實例包括來自德國Ostfildern的Novotechnik公司的傳感器?？梢杂糜谥鲃討覓煸钠渌恢脗鞲衅?4、26包括具有編碼器的傳感器，該編碼器具有限位開關用于確定絕對位置。這種類型的位置傳感器的變形也可以用于當固定到該參考系的傳感器可用時得出相對于參考系的加速度。合適的加速度計20的實例包括基于MEM(微電機)的加速度計，例如由紐約州伊薩卡的Kionix公司制造的KXM60系列中的那些。為了幫助抑制其垂直運動，主動懸掛的設備10包括用于移除執(zhí)行器命令力信號中的偏壓カ的元件，使得執(zhí)行器經歷零平均值的負載。在一些實施方式中，該元件具有可變低剛度彈簧的動態(tài)特征。低剛度彈簧特征確保執(zhí)行器在其試圖執(zhí)行主動隔離時不與彈簧“対抗”。這樣降低了功率消耗。這種元件，將稱為“カ偏壓消除器系統(tǒng)”，可以實現(xiàn)為具有相關聯(lián)的容器的汽缸，如圖14所示。力偏壓消除器系統(tǒng)提供偏壓力，從而減輕執(zhí)行器提供該力。這種偏壓可用由例如設備16的重量引起。因為由カ偏壓消除器系統(tǒng)提供的偏壓力，垂直執(zhí)行器28僅需要抑制來自預定平衡位置的偏移。在優(yōu)選實施方式中，汽缸和相關聯(lián)的容器配置為使得執(zhí)行器維持零平均值負載。如下所述，力偏壓消除器系統(tǒng)還可用提供具有或不具有附加阻尼的被動懸桂。圖4中示出的主動懸掛的設備16的另ー實施方式提供了單個主動懸掛元件34，其定向為抑制設備16沿垂直軸的運動。在這種情況下的主動懸掛元件34與多軸被動懸掛元件36串行安裝。如圖4所示，多軸被動懸掛元件36安裝于主動懸掛元件34與設備16之間。然而，被動懸掛元件36也可用安裝于設備16與交通工具地板37之間，如圖5所示。如圖6所示，設備16可以包括座位40及其乘客之外的各種特征或結構。這些附加特征或結構是通過相對于設備16保持穩(wěn)定而相當有益的類型。示例性結構包括水杯架42，其通常保持易受由交通工具的隨機加速引起的溢出影響的飲料、寫字臺、數據輸入/檢索設備、煙灰缸或其他容器44、諸如導航顯示器的顯示器、以及控制器47，特別是不要求直接機械聯(lián)動到交通工具的控制器。示例性控制器包括用于重型裝備的操作的電子控制器，以及用于制動和加速的諸如踏板或控制桿(lever)的控制器。盡管示出附加于設備16的特征或結構，應該注意，特征或結構可以離設備16遠程地設置，但“隸屬于”設備16的運動。圖I和圖4-7所示的主動懸掛的設備16包括基座46，其配置為螺栓安裝到在機動車的各種構造和模型中找到的標準螺栓模式中。然而，主動懸掛的設備16可以由各種支持結構中任何ー種來支持，包括圖7所示的剪式機構51、改進的剪式機構、四桿聯(lián)動機構、以及改進的四桿聯(lián)動機構，當執(zhí)行器是執(zhí)行器行程與座位行程之比小于ー的執(zhí)行器時使用上述機構。此外，執(zhí)行器本身可以設計為支持結構的一部分。
主動懸掛元件12、14與控制系統(tǒng)48進行數據通信，如圖8中詳細示出。控制系統(tǒng)48從傳感器24、26接收數據信號，例如設備加速度an以及設備16相對于交通工具的位置Pr。作為回應，控制系統(tǒng)48通過控制器49提供控制信號U,，用于使各執(zhí)行器28、30 (參見圖I)施加力，該カ用于使設備16恢復到平衡位置；以及最小化設備16經歷的加速。數據信號可以表示設備16的位置和加速度，以及指示設備16的特性的數據。與設備16通信的力偏壓消除器模塊60從執(zhí)行器カ控制信號中移除偏壓，以維持對執(zhí)行器的零平均值負載。實踐中，實際設備16的有關特征可能不被準確知道。因此，通常，任何控制器49的設計以及由該控制器49輸出的所得控制信號OO將基于與那些特征有關的假定。結果，用于控制實際設備16的控制信號可能不能實現(xiàn)預期結果。因此，控制系統(tǒng)48估計關于實際設備16的假定中的誤差并補償這些誤差。在一些實施方式中，例如下面所述，該估計和補償利用參考模型。圖9示出示例性控制系統(tǒng)48，其中參考模型包括標稱設備的數學參考模型50，形式為標稱設備對復合頻率輸入s的響應Pn (s)。為了表達簡潔，該標稱設備的數學模型50將簡稱為“標稱設備50”。標稱設備的響應Pn(S)與指示實際設備的位置和運動的數據ー起由隔振模塊52用來計算標稱控制信號IV因此標稱設備50是用于實際設備16的參考模型。這種模型可以定義為包括ー個或多個參數，所述參數包括期望性能特征、頻率響應、極點/零點、或其任意組合。例如，在包括交通工具座位的實際設備16的情況下，表示標稱驅動器重量的參數可以定義為大量有代表性的驅動器的平均重量。各種方法可用于實現(xiàn)隔振模塊52。例如，圖10示出包括位置和加速度反饋信號的隔振模塊52。在一些實施中，具有位置反饋回路的位置控制器采用相對位置信號^作為輸入并促使實際設備16維持預定平衡位置r。在一些情況下，平衡位置可以對應于執(zhí)行器行程的中點。在其他實施中，具有加速度反饋回路的加速度控制器采用加速度信號aメ乍為輸入并控制由實際設備16經歷的加速度。為了便于論述，以下描述基于雙回路控制結構。然而，通常，控制器使用實際設備16的位置和加速度兩者作為輸入并提供控制信號作為輸出。該實施不需要是雙回路控制器結構。例如，控制器可以具有單回路。其他實施方式包括具有2n個輸入和η個輸出的控制器，其中η是主動控制的軸的數量。位置回路的帶寬可以基于乘客的不舒適感覺來設計。這隨著將被控制的實際設備16的運動所沿的特定軸而變化。例如，大多數乘客相對與前后方向而言能夠容忍更大的垂直方向的振動。此外，在前后方向上的頻譜通常比垂直方向上的頻譜具有更大量的高頻成分。因此，在一些實施方式中，用于抑制垂直方向振動的位置回路比用于抑制水平方向振動的位置回路具有更小帶寬。當主動控制多于ー個軸時，用于每個主動軸的位置回路具有適合于適應沿該軸的振動特征的帶寬。在圖10所示的實施中，從設備16的期望平衡位置r減去表示在實際設備16與交通工具的框架之間的相對位移的測量的位置信號K。提供所得的差作為到隔振模塊52的輸入。從期望加速度減去測量的加速度信號^，該期望加速度在所示實施方式中為零加速度。提供所得的差作為到隔振模塊52的輸入。隔振模塊52的輸出是標稱控制信號un。合 適的隔振模塊52包括在美國專利3，701，499和6，460, 803中描述的那些，其內容在此并入作為參考。在一些情況下，期望在主動地控制設備16時改變實際設備16的期望平衡位置r。例如，當實際設備16包括座位時，期望調節(jié)座位高度以適應不同乘客。這可以通過改變期望平衡位置r來實現(xiàn)。對于圖9中示出的控制系統(tǒng)48，期望平衡位置r的改變將產生控制信號Ur中的偏壓カ分量。對于該偏壓カ分量的需要由力偏壓消除器模塊60移除。如上所述，隔振模塊52生成標稱控制信號，其將用于控制標稱設備50的運動，如果該標稱設備50經歷由測量的位置和加速度信號表示的一定干擾的話。為了使隔振模塊52生成標稱控制信號，提供指示這些干擾的信號a” pr作為到隔振模塊52的輸入。然而，通常，標稱設備50具有不同于實際設備16的動態(tài)特征。因此，隔振模塊52的輸出通常將不是最優(yōu)的用于控制經受那些相同干擾的實際設備16的運動。
然而，在一些情況下，標稱設備50和實際設備16具有足夠類似的動態(tài)特征，使得這里稱為“實際控制信號”的用于控制實際設備16的控制信號類似于標稱控制信號。重要的是注意到，不存在經歷任何真實的物理移動的真實的標稱設備50。存在的是標稱設備的模型。該模型被選擇以類似于實際設備16可能如何響應的方式來響應。實際上，控制系統(tǒng)48使用標稱設備50來模擬實際設備16對控制信號的響應。由其自由處理，控制系統(tǒng)48具有標稱設備50對控制信號的假設響應以及實際設備16對該控制信號的真實測量的響應?；谠诩僭O響應與真實測量響應之間的差別，控制系統(tǒng)48調節(jié)控制信號。為了補償在實際設備16與標稱設備50之間的差別，控制系統(tǒng)48包括設備估計器62，其至少部分基于指示有實際設備16經歷的運動的信號估計該差別。然后設備估計器62提供表示該差別的誤差信號e (s)到設備補償器64。然后設備補償器64在將其施加到實際設備16之前通過修改該標稱控制信號Un來補償差別。設備估計器62和設備補償器64的組合稱為“補償系統(tǒng)65”。盡管設備估計器62和補償器64示出為彼此分離，但這么做僅僅為了示出它們各自的功能。實際上，設備估計器62和補償器64的功能可以通過單個硬件元件中具體化的電路或者以軟件來執(zhí)行。本質上，設備補償器64使用誤差信號來擾動標稱控制信號IV該擾動的結果是施加到實際設備16的實際控制信號IV如圖11所示，設備補償器64包括倍増器。然而，設備補償器64還可以包括濾波器。注意到，在此使用的，“實際”指示控制信號將被施加到實際設備16。其不具有其通常的沒有虛部的信號的數學意義。在圖9中，示出設備估計器62為接受各種輸入，其中有實際干擾信號，指示由實際設備16經歷的干擾，例如位置和加速度信號も、Pパ以及標稱干擾信號51，指示由標稱控制信號Un控制的標稱設備50將要經歷的對應干擾?？蛇x地，從控制系統(tǒng)48外部獲得的其他信息可以用于估計差別，如下所述。這些輸入表示設備估計器62可以用來生成誤差信號的潛在信息源。設備估計器62的實施方式不需要真實地接收或使用圖9中示出的所有信息源，但可以代替地接收或使用這些源的子集。補償器系統(tǒng)65的設計的細節(jié)取決于將要實現(xiàn)的控制目標。在一個實施方式中，如圖11所示，補償系統(tǒng)65的控制目標是維持加速開環(huán)傳遞函數的恒定帶寬，如由加速開環(huán)傳遞函數的值越過OdB線所在頻率定義，其與例如由乘客重量引起的任何設備差別無關。補償系統(tǒng)65通過響應于在由實際設備16經歷的實際加速與由標稱設備50在相同情況下將要經歷的標稱加速之間的差別自適應地調節(jié)加速回路傳遞函數的増益來這樣做。在這種情況下的合適的補償系統(tǒng)65是模型參考自適應控制器。在這種情況下，設備估計器62基于來自實際設備16的實際加速度信號a,和表示已經由標稱設備50經歷的加速的標稱加速度信號Un生成誤差信號e (s)。在這種情況下的設備補償器64是倍增器，其用誤差信號e乘以標稱控制信號Un以獲得實際控制信號も。如圖12所示，使用模型參考自適應控制器實現(xiàn)的補償系統(tǒng)65包括第一濾波器66，其過濾標稱設備50將在相同情況下經歷的標稱加速度an ；以及第二過濾器68，其過濾由實際設備16經歷的真實加速度a,。當使用標稱控制信號Un作為輸入時獲得標稱加速度an作為標稱設備50的輸出。第一濾波器66的輸出是過濾的標稱加速度afn，第二過濾器68的輸出是過濾的實際加速度aft。第一和第二過濾器66、68集中心于期望的跨越頻率(即，OdB頻率)。在減法器70從過濾的實際加速度減去過濾的標稱加速度以生成誤差信號。該誤 差信號可以進一歩以各種方法處理以最小化指示誤差e的ー些量。在圖12所示的實施方式中，將被最小化的表示誤差的量是誤差e的最小均方(LMS)。這是通過在倍増器72用過濾的標稱加速度afn乘誤差信號來實現(xiàn)。該操作的結果是補償信號的導數，然后該結果被提供到積分器74。然后積分器74的輸出乘以標稱控制信號以生成實際控制信號。補償系統(tǒng)65的可選特征是使得積分器74在某些特殊情況下提供單位輸出。在這些特殊情況下，當積分器74的輸出乘以標稱控制信號吋，標稱控制信號將保持不變。因此，實際控制信號將與標稱控制信號相同。示例性特殊情況可以包括檢測到標稱控制信號將使執(zhí)行器施加很小的力(處于摩擦力的級別)。其他特殊情況包括檢測到加速度低于閾值，或其任意組合。圖12示出補償系統(tǒng)65的特殊實施方式，該補償系統(tǒng)僅補償許多因素中的ー個，在這種情況下是實際設備16的動態(tài)特性的改變。這種改變例如可以起因于乘客重量的差別，該差別可以導致在實際設備16與標稱設備50的動態(tài)特性之間的差別。然而，補償系統(tǒng)65可以設計為補償其他因素。一個這種因素包括電カ電子設備參數的漂移?？刂葡到y(tǒng)48是使用連續(xù)時間信號的模擬系統(tǒng)。然而，控制系統(tǒng)48也可以以離散時間來實現(xiàn)，在這種情況下積分器74變成求和模塊，并且低通濾波器66、68變成適當限定的數字濾波器。如上所述，抑制沿垂直方向的運動的垂直主動懸掛元件12包括垂直執(zhí)行器28，其施加維持設備16在平衡垂直位置所需的力。然而，在垂直方向，設備16恒定受到重力。結果，執(zhí)行器28消耗相當多的能量僅用來支持設備16的重量。在一個實施中，提供力偏壓消除器系統(tǒng)來沿垂直方向施加偏壓力，其足以抵消實際控制信號中的カ偏壓分量，從而維持對于垂直執(zhí)行器28的零平均值負載。通過由此可用的力偏壓消除器系統(tǒng)，使垂直執(zhí)行器28免于必須施加僅用于在其平衡位置保持設備16的力。代替地，垂直執(zhí)行器28僅需要施加用于補償從平衡位置的短暫偏移的力。如上所述的カ偏壓消除器系統(tǒng)不是嚴格必要的。原則上，可以僅使得垂直執(zhí)行器28施加合適的偏壓力。例如如果室溫超導體可用于運載生成這種カ所需的電流，那么這種配置可能是實用的。然而，對于已知的電磁執(zhí)行器，支持設備16所需的電路將是不適意地大并將生成相當多的廢熱。力偏壓消除器系統(tǒng)可以是較簡單的，例如可調彈簧或具有低剛度可調彈簧的機械特性的設備。合適的カ偏壓消除器系統(tǒng)優(yōu)選地工作于無論交通工具開啟與否時。這將使得交通工具的乘客能夠在所有電カ關閉時保持舒適就座。這種特征對于安全性也是重要的。在行進于公路速度的汽車中，如果電源的喪失后面緊接著所有座位的位置的突然下降，則這可能令人不安的。為了提供對這種力偏壓消除器系統(tǒng)的控制，控制系統(tǒng)48還包括力偏壓消除器模塊60(參見圖11)，其功能是使得力偏壓消除器系統(tǒng)在各種變化情況下提供合適的偏壓力。如圖9所示，力偏壓消除器模塊60接收來自實際設備16的加速度和位置數據以及來自補償系統(tǒng)65的實際控制信號IV基于該數據，力偏壓消除器模塊60提供偏壓控制信號到力偏壓消除器系統(tǒng)，如下結合圖13所述。如下所述，主動懸掛系統(tǒng)配置為以多種模式操作安全(被動/故障保險)模式、主動(力偏壓消除)模式、和緩沖塊模式。如圖13所示，通過カ偏壓消除器模塊60或単獨故障保險系統(tǒng)(參見以下細節(jié))，系統(tǒng)首先檢測觸發(fā)事件的發(fā)生。觸發(fā)事件可用響應于以指示異常狀態(tài)的設備16的特征的任何改變而發(fā)生。示例性觸發(fā)事件包括主動懸掛元件的故障、電カ電纜的切斷、或傳感器故障(步驟76)。一旦檢測到觸發(fā)事件，力偏壓消除器模塊60使力偏壓消除器系統(tǒng)86在稱為“被動模式”、“安全模式”或“故障保險模式”的模式下エ作(步驟78)。在該模式中，通過カ偏壓消除器模塊60調節(jié)設備16的位置，如下結合圖14和15所述。在一些實施方式中，切換到“被動模式”操作也可以實現(xiàn)為用戶可選特征。主動懸掛元件是否正在工作可以容易地通過例如檢測提供到這些主動懸掛元件的功率來確定。如果系統(tǒng)確定主動懸掛元件當前正在工作，那么其使用來自實際設備16的加速度和位置信號來確定垂直執(zhí)行器28是否可能達到其行程的終端，即垂直執(zhí)行器28是否可能撞擊其兩個緩沖塊中的ー個(步驟80)。如果是，則カ偏壓消除器模塊60使力偏壓消除器系統(tǒng)工作干“緩沖塊”模式(步驟82)。否則，力偏壓消除器模塊60使力偏壓消除器系統(tǒng)工作于正常模式或“主動模式”(步驟84)，如下結合圖14和15所述，其中設備16的位置通過控制一個或多個執(zhí)行器來調節(jié)。示例性力偏壓消除器系統(tǒng)86是氣動力偏壓消除器(圖14所示)，其包括汽缸88和支持設備16于其上的匹配活塞90。在活塞頭以下的汽缸容積，即“下汽缸內腔”通過供給閥92連接到壓縮氣體源(未示出)或者通過放氣閥94連接到周圍環(huán)境空氣?？蛇x地， 下汽缸內腔可以通過操作三路手動調節(jié)閥96而連接到壓縮氣體源(未示出)或周圍環(huán)境空氣。壓縮空氣源可以是容易獲得的板載氣源，例如通過泵維持在高壓的壓縮氣體的儲存器。座位結構的空心部分也可以用作儲氣器，從而使儲氣器合并或結合到座位結構本身中?？蛇x地，力偏壓消除器系統(tǒng)可以是液壓系統(tǒng)。汽缸88可以包括響應于氣壓和設備重量而移動的活塞90。或者，氣缸88可以以與橡膠輪胎膨脹和壓縮非常相同的方式而響應于壓カ和重量進行膨脹和壓縮。與氣缸88流體連接的膨脹室98可以是外部儲氣器。可選地，膨脹室98可以構造到座位結構本身中，從而節(jié)約交通工具內部空間。在正常模式或“主動模式”中，力偏壓消除器模塊60基于例如圖11所示控制信號Ur來確定壓カ是否需要増加或減少。如果壓カ需要増加，則カ偏壓消除器模塊60使供給閥92開啟并使放氣閥94關閉，從而使壓縮氣體注入下汽缸內腔。相反，如果壓カ需要減少，則控制器使供給閥92關閉并使放氣閥94打開。這樣使高壓氣體從下汽缸內腔放出。圖15示出通過使用控制信號作為對以主動模式操作的力偏壓消除器模塊60的輸入來檢測和移除實際控制信號的偏壓分量的過程。實際控制信號首先通過低通濾波器100以移除高頻變化，這些高頻變化很可能是企圖消除隨機加速度的結果。因此低通濾波器100隔離低頻變化，這些低頻變化很可能是設備16的真實重量改變的結果。合適的低通濾波器100是具有大約O. 5Hz級別的拐角頻率(corner frequency)的濾波器。然后カ偏壓消除器模塊60使用實際控制信號的低頻分量的符號或相位角來確定是否施加偏壓カ來抵消A中的偏壓信號分量。對于圖15的實施，力偏壓消除器模塊60采用實際控制信號Ur作為輸入，確定是否需要増加或減少針對活塞90的壓力。然后カ偏壓消除器模塊60發(fā)送適當的閥動信號V到控制供給閥92的供給閥繼電器(未示出)和控制放氣閥94的放氣閥繼電器(未示出)。如果壓カ需要増加，則カ偏壓消除器模塊60發(fā)送信號到供給閥繼電器以打開供給閥92以及發(fā)送信號到放氣閥繼電器以關閉放氣閥94。相反，如 果壓カ需要減少，則カ偏壓消除器模塊60發(fā)送閥動信號V到放氣閥繼電器以打開放氣閥94以及發(fā)送信號到供給閥繼電器以關閉供給閥92。在一些實施方式中，具有“間隙”(滯后)的繼電器防止開關閥在繼電器的設定值周圍顫動。力偏壓消除器系統(tǒng)86還包括上下緩沖塊閥102、104，其用干“緩沖塊”模式，以抵制在垂直執(zhí)行器28不可能防止設備16突然到達其行程的終端的情況下的運動。上緩沖塊閥102在活塞頭以上汽缸容積(“上氣缸內腔”)與周圍環(huán)境空氣之間提供路徑。在正常操作中，該上緩沖塊閥102保持打開，使得空氣可以自由進出上氣缸內腔。然而，如果カ偏壓消除器模塊60檢測到垂直執(zhí)行器28不能阻止設備16到達其行程的頂部，則其關閉上緩沖塊閥102。這樣防止空氣隨著活塞90向上移動而從上氣缸內腔溢出。結果，隨著活塞90向上行進，空氣被壓縮，從而施加趨向于進ー步抵抗活塞90向上運動的力(從而抵抗設備16向上運動)。下緩沖塊閥104在下汽缸內腔與周圍環(huán)境空氣或壓縮空氣供給之間提供通路，這要根據放氣閥94和供給閥92中哪個被打開哪個被關閉。在正常操作中，下緩沖塊閥104保持打開。這樣允許カ偏壓消除器模塊60通過選擇性地打開和關閉放氣閥94和供給閥92來自由控制設備高度。然而，如果カ偏壓消除器模塊60檢測到垂直執(zhí)行器28不能阻止設備16到達其行程的底部，則其關閉下緩沖塊閥104。這樣防止空氣隨著活塞90向下移動而從下氣缸內腔溢出，從而施加趨向于進ー步抵抗活塞90向下運動的力(從而抵抗設備16向下運動)。當力偏壓消除器模塊60確定主動懸掛元件已失效時，其發(fā)送閥動信號V以通過同時關閉上下緩沖塊閥102、104來封閉上下內腔。這使得力偏壓消除器系統(tǒng)86工作干“安全模式”，該模式是カ偏壓消除器系統(tǒng)86作為彈簧工作的模式。當工作于安全模式時，氣體進入或離開汽缸88的唯一途徑是通過三路手動調節(jié)閥96。三路手動調節(jié)閥96具有關閉位置，其中沒有空氣進入或離開下內腔；放氣位置，其中下內腔連接到周圍環(huán)境空氣；以及填充位置，其中下內腔連接到壓縮空氣源(未示出)。在安全模式下，通過操作調節(jié)閥來控制設備16的水平。為了升高設備16，使調節(jié)閥96將壓縮空氣供給連接到下汽缸內腔。為了降低設備16，使調節(jié)閥96將周圍環(huán)境空氣連接到下汽缸內腔。當設備16處于理想位置時，使調節(jié)閥96封閉下汽缸內腔。下表概括了在各種操作模式期間圖14中所示各種閥的配置
權利要求
1.ー種裝置，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(zhí)行器(28，30)；耦合到所述設備(16)的力偏壓消除器(86)，用于使得所述執(zhí)行器(28，30)經歷零平均值的負載；其特征在于 隔振模塊(52)，用于基于標稱設備對被主動懸掛的設備的所測量干擾的響應來生成控制信號；以及 補償系統(tǒng)(64)，用于響應于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，進ー步包括傳感器(24，26)，用于提供指示所述設備(16)的狀態(tài)的信息。
3.根據權利要求I所述的裝置，進ー步包括重量傳感器，用于測量與所述設備(16)相關聯(lián)的重量。
4.根據權利要求I所述的裝置，其中所述カ偏壓消除器(86)包括氣壓系統(tǒng)。
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于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于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，并且其中所述電磁執(zhí)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(tǒng)￠4)配置為響應于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(tǒng)(64)包括反饋環(huán)路，其攜帯指示設備加速的反饋信號；并且 其中所述補償系統(tǒng)￠4)配置為保持所述反饋環(huán)路的恒定帶寬。
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(tǒng)(64)配置為響應于所述設備(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于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，從而在所述カ偏壓消除器(86)被允許適應于新的設備重量時，所施加的最大執(zhí)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(tǒng)￠4)設置為獨立于設備差異而保持恒定的開環(huán)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(zhí)行器施加大小處于摩擦力級別上的力，則所述補償系統(tǒng)(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于預定閾值，則所述補償系統(tǒng)(64)不修改所述控制信號。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種裝置，具有主動懸掛，該主動懸掛包括耦合到車輛中設備的電磁執(zhí)行器。力偏壓消除器耦合到所述設備，用于使得所述執(zhí)行器經歷零平均值的負載，并且隔振模塊基于標稱設備對被主動懸掛的設備的所測量干擾的響應來生成控制信號。補償系統(tǒng)響應于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F16F15/03GK102661355SQ20121012976
公開日2012年9月12日 申請日期2007年5月8日 優(yōu)先權日2006年5月3日
發(fā)明者C·J·布林, J·A·帕里森, R·F·奧戴 申請人:伯斯有限公司