半主动减振器工作原理和控制方式

半主动减振器工作原理及控制方式丁问司1．控制规则1．1悬挂系统分类悬挂系统从振动控制的角度来说可分为主动悬挂与被动悬挂，其中主动悬挂按其是否需要外界能量的供应可分为有源主动悬挂和无源主动悬挂。

有源主动悬挂也称全主动悬挂，通常由产生主动力或主动力矩的装置（油缸、气缸、伺服电机、电磁铁）、测量元件（加速度传感器、速度传感器、力传感器等）和反馈控制系统等几部分及一个能连续供应能量的动力源组成。

无源主动悬挂也称作半主动悬挂。

由无能源输入但可进行控制的阻尼元件和弹性元件组成，其减振方式和工作原理与被动悬挂相似，不同的是悬挂参数可在一定的范围内任意调节，以获得最佳的减振效果。

半主动悬挂与全主动悬挂的区别是前者只能调节阻尼力的大小，而后者则可同时控制阻尼力的大小方向。

半主动悬挂的核心实际上是一种可调阻尼减振器，其阻尼力大小一般通过调振节流孔开度来获得，而对阻尼力的约束条件是：系统振动时联系于阻尼器的能量全部耗散掉。

1．2列车半主动控制原理悬架系统的半主动控制原理在七十年代由美国人Karnopp提出，旨在以接近被动悬挂的造价和复杂程度来提供接近主动悬挂的性能。

其基本思想是根据激励和系统的状态调节悬挂系统中的刚度和阻尼，以使某个性能指标达到最优。

由于在半主动状态下改变系统的刚度非常困难，目前的研究实际上仅限于对悬挂系统阻尼的控制。

多年研究使得半主动悬架控制系统衍生了多种控制方式，其中包括：慢速控制、天棚控制、相对控制、最优控制、预测控制、自适应控制、神经网络控制等。

从工程实践的情况来看目前只有天棚控制方式取得了较好的效果，并已运用到成熟的产品中。

日本KYB公司与铁道总研联合研制的列车横向半主动减振器及是运用了天棚（Sky Hook）控制原理。

列车天棚原理的基本控制逻辑是被称为“天棚悬架”的数学模型，如图1所示。

假设列车是沿一道虚拟的刚性墙移动，在虚拟墙与车体之间通过一虚拟减振器的作用来减小车体振动，此虚拟减振器称天棚减振器。

按照天棚原理，列车运行时理想的状况是天棚减振器始终处于工作状态以提供减振力。

由于天棚减振器是虚拟的，则其应提供的减振力实际上由安装于车体与转向架间的横向减振器模拟提供。

假设车体的绝对速度X1为正（设向右为正），相对速度也为正时（车体相对转向架向右运动），虚拟的“天棚减振器”应产生一向左的力，实际中的横向减振器也产生一向左的力，此两力的方向相同，则Fr = Fs。

仍假设车体的绝对速度X1为正，而相对速度为负时（车体相对转向架向左运动），虚拟的“天棚减振器”应产生一向左的力，但实际中横向减振器却产生一向右的力，希望值与实际值方向相反。

若此时仍让横向减振器提供向右的力，则会加速车体的振动。

可见，这种情况下则不能实现天棚原理，最好的方法是将横向减振器的切换为关状态——不提供减振力，使其值为零。

同样可推理车体在绝对速度X 1为负时的两种状态。

图1 天棚减振控制原理由上可知，对于可调阻尼的横向减振器的基本控制逻辑是要求减振器提供的阻尼力满足下式：F r = -C s X 1 当X 1（X 1- X 2）＞0 时 （a ）F r = 0 当X 1（X 1-X 2）≤0 时 （b ） （1-1）按照这种逻辑设计的半主动悬挂系统称“连续变化式半主动悬架”，这是因为实际中减振器能提供的阻尼力为C r *（X 1-X 2），而要达到的“天棚减振器”的阻尼力为C s * X 1，由于X 1和X 1-X 2是连续变化的，所以实际减振器的阻尼系数C r 也要连续变化，使得C r = C s X 1/（X 1- X 2）。

但当X 1- X 2趋向零时，要求C r 趋于无穷大，这是这种控制方式的缺陷之一，也是这种减振器不能达到理想悬挂性能的原因之一。

对此问题的一般解决方法是限制C r 的大小，使其不超过上限值C max 和下限值C min 的范围。

C max C s X 1/（X 1- X 2）＞C maxC r = C s X 1/（X 1- X 2） C min ＜C s X 1/（X 1- X 2）＜C max （1-2）C min C s X 1/（X 1- X 2）＜C min由于天棚原理半主动悬挂以牺牲一定的行车安全裕度为前提（全主动悬挂亦是如此），所以有必要保留悬挂质量与非悬挂质量间的常规阻尼，且阻尼应比被动悬挂的略小。

除“连续变化式半主动悬架”外，目前还有一种“开/关式半主动悬架”，其目的是将“连续变化式半主动悬架”简化。

方法是取消阻尼孔（阻尼系数）连续的变化，仅用固定大小的阻尼孔产生阻尼力，其控制逻辑如下：{{F r = -Cs（X1- X2）当X1（X1- X2）＞0 时（a）F r = 0 当X1（X1-X2）≤0 时（b）（1-3）这种减振器的阻尼系数Cr 与天棚减振器的阻尼系数Cs是相同的，为定值。

此类半主动减振器的优点是实现结构较简单，但在高频时它比连续变化的减振器的减振效果要差，在低频时则反之。

2．工作原理2．1半主动减振器结构原理图2 半主动减振器结构原理图图2为半主动减振器结构原理图，由图可看出半主动减振器较被动式减振器不同之处在于多了一套控制系统，此控制系统由加速度传感器、控制器、两个电磁阀和一个电液比例安全阀及相应的油路组成。

天棚控制所需提供减振力的大小、方向及状态的转换均是由电磁阀和电液比例安全阀通过不同的状态组合而得到的。

图中所示为各阀非控制（失效）状态的情形。

2．2半主动悬挂系统配置半主动悬挂系统的配置形式如图3所示，每个转向架上对称布置两个半主动减振器，每个转向架上方安置一个加速度传感器。

一台车配置四个减振器、两个加速度传感器和一台控制器。

图3 半主动悬挂系统的配置形式2．3半主动悬挂系统工作原理分析2．3．1 天棚减振力方向的控制图4 X1＞0、X1－X2=X3＞0时半主动减振器工作状态如图4所示，半主动减振器A、B作用在车体与转向架之间，其对应的控制阀分别为A1、A2、A3、A4、A5、A6、B1、B2、B3、B4、B5、B6。

当X1＞0、X1－X2=X3＞0时，阀A1、B2得电动作，其对应的控制油路被接通。

此时减振器A的活塞相对缸体向右运动（拉出），其右腔油液通过节流阀A4和电液比例溢流阀A5流向左腔。

同时，油箱中储蓄的油液流进左腔，用于补偿有杆腔（右腔）对无杆腔（左腔）在运动时体积差而所带来的供油流量不足。

由于A 4、A5具有节流作用，因此，此时右腔为高压腔、左腔为低压腔（压力约为0）。

减振器A的活塞承受的合力FrA向右，此力作用在车体上，阻止车体向右运动。

同时，减振器B的活塞相对缸体向左运动（收缩），由于单向阀B5的截止作用，右腔油液只能通过阀B6流入左腔，并通过节流阀B4和电液比例溢流阀B5流向油箱，并产生高压，此时回路中的流量等于无杆腔（右腔）对有杆腔（左腔）在运动时产生的体积差。

由于提动阀B2得电打开，使得减振器B的左、右腔的压力相等，均为高压腔（压力为PBH），而右腔（无杆腔）活塞有效面积为左腔（有杆腔）活塞有效面积的两倍，所以，液压力作用在活塞上的合力FrB向左，并与FrA一起作用在车体上，阻止车体向右运动。

当X1＞0、X1－X2=X3＜0时，各阀的状态保持不变，如图5所示。

图5 X1＞0、X1－X2=X3＜0时半主动减振器工作状态减振器A活塞相对缸体向左运动（收缩），左腔的油液分两路流动，一路通过阀A6流入右腔，补充活塞移动带来的油腔体积增大；多余的油量通过另一油路由提动阀A1流向油箱。

由于单向阀A6和提动阀A1不产生流动阻力，油路及左、右腔均不产生压力，活塞所受的合力FrA为0。

此状态下减振器A不提供减振力。

同时，减振器B活塞相对缸体向左运动（拉出），由于单向阀B6的截止作用，左腔油液只能通过阀B2流入右腔，其不足部分由油箱供油来补充。

由于提动阀B 1不产生流动阻力，油路及左、右腔均不产生压力，活塞所受的合力FrB为0。

此状态下减振器B也不提供减振力。

由以上分析可知，当X1＞0、X1－X2=X3＞0时减振器A、B可提供向左的减振力，实施减振作用；当X1＞0、X1－X2=X3＜0时减振器A、B不提供减振力。

从而可在X1＞0时实现天棚原理对减振力方向的控制要求。

同理，可推出当X 1＜0、X 3＜0时减振器A 、B 可提供向右的减振力，当X 1＜0、X 3＞0时减振器A 、B 不提供减振力。

由此也可在X 1＜0时实现天棚原理对减振力方向的控制要求。

表1 不同速度状况下，各阀的动作状态天棚阻尼器减振力的幅值大小是通过调整节流阀和比例安全阀的参数来实现的。

节流阀工作时流量与压力的关系可表示为式2-1，成指数关系，其特性曲线如图6所示。

2222Q SC p ρ=∆ 2-1图6 节流阀的流量特性曲线 图7 电液比例安全阀的特性曲线电液比例安全阀的工作特性曲线如图7所示，当油路中的压力高于某一设定压力时，安全阀开启。

开启后，由于存在调压偏差，被控压力随流量的增加而ΔpQ Q P略有上升。

电液比例安全阀的安全压力设定值可由电压信号成比例的控制，所以，其特性曲线为相互平行的一族曲线。

图8 基于节流阀与电液比例安全阀组合控制油路的工作特性曲线天棚阻尼器在实际控制时是由节流阀与安全阀组合控制的，其组合后系统压力控制特性可由图8来表示。

理论上，在曲线与水平轴间的任一位置对应的压力均可通过改变阀的参数而获得，实现系统压力的无级调节。

在图8中，若改变节流阀的孔径大小，可使得指数曲线变得陡峭或平缓，从而使得整个曲线左右移动。

若改变电液比例阀的开启压力设定值可使得整个曲线上下移动。

由于组合阀的过流量与活塞的运动速度成比例关系，所以图8也可以理解为活塞速度与减振力的关系图。

减振器工作时大多数情况下，安全阀处于开启状态，如何调整电压（电流）从而调整开启点、控制输出压力是控制过程中十分重要的问题。

通过理论推导和实验可获得在不同活塞运动速度下的控制电流与减振力的关系图。

图9为某一减振器活塞速度为5cm/s时的电流—减振力图。

图9 某减振器电流—减振力关系（活塞速度为5cm/s）对应于不同的活塞速度，可获得相应的一族曲线。

由此可得到相应的函数关系式或表格，并储存于芯片中以备控制时计算或查询。

在实施半主动控制过程中，为了获得理想的减振力FR ，须先根据FR= CsX1计算出其理想值（Cs 为预先计算好的优化值、X1可由对车体加速度的积分获得），PQ减振力（KN）安全阀驱动电流（A）并依此计算值和车体速度来查询（计算）电流—减振力表格（函数），得到相应的电流值，再依此电流值来设定安全阀的驱动电流，即得到所需要的减振力。

2．4 失效状态下半主动减振器的工作原理一般认为失效状态下，半主动减振器转换成被动减振器，各阀状态如图2。

图10 某半主动减振器特性曲线由于结构上的不同，失效状态的半主动减振器与普通的被动式减振器的控制方式存在差别。