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X

1

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F

r = F

s

。

仍假设车体的绝对速度X

1

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 max

C 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 = -C

s

（X

1

- X

2

）当X

1

（X

1

- X

2

）＞0 时（a）

F r = 0 当X

1

（X

1

-X

2

）≤0 时（b）（1-3）

这种减振器的阻尼系数C

r 与天棚减振器的阻尼系数C

s

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。