用于协调磁流变阻尼/制动及能量收集的设备和方法与流程
本申请涉及用于在磁流变(mr)阻尼/制动系统中协调磁流变阻尼/制动及能量收集(eh)的设备和方法。
背景技术：
磁流变流体是一种智能材料，在施加磁场的情况下，其表现出在数毫秒内从自由流动状态迅速、可逆且可调地转变成半固体状态。磁流变流体用于半主动振动/制动控制非常有前景，这是因为其在电控设备/系统和机械设备/系统之间提供了简单、快速的响应接口。
图1示出了具有半主动控制系统的典型的磁流变阻尼系统的示意图。如图1所示，磁流变阻尼系统100包含动态传感器110、系统控制器120、阻尼器控制器130、电流驱动器140、磁流变阻尼器150和工件160。动态传感器110用于测量信号，如工件160的位移、速度和/或加速度。系统控制器120可根据所测量的信号产生并输出表示磁流变阻尼器150的所需阻尼力的信号。而后，阻尼器控制器130将基于所测量的信号和所需的阻尼力产生电压指令。利用该电压指令，电流驱动器140将发送驱动电流，该驱动电流能够驱动磁流变阻尼器150产生施加于工件160的所需阻尼力。如果磁流变阻尼系统100还包含力传感器(未在图1中显示)，则阻尼器控制器130将利用由力传感器测量的所生成的力，执行闭环力控制算法，从而实现闭环力控制。类似地，如果磁流变阻尼系统100还包含电流传感器(未在图1中显示)，则阻尼器控制器130将利用由电流传感器测量的所生成的电流，执行闭环电流控制算法，从而实现闭环电流控制。
为了磁流变阻尼系统的正常工作，需要电源来激励磁流变阻尼器内部或外部的电磁线圈，从而为磁流变流体提供磁场。然而，在磁流变阻尼系统中，大量的机械能被浪费。为了收集和再利用被浪费的机械能，已经开发出能够发电(即，具有能量收集功能)的磁流变阻尼系统。磁流变系统中的能量收集器将动能转化为电能，以提高整个系统的能量效率。
图2示出了具有能量收集能力的另一种典型的磁流变阻尼系统的示意图。为了叙述简洁，图2中与图1中相同的部件的详细描述将被省略。如图2所示，在图1的基础上，磁流变阻尼系统100’还包含发电装置170和能量收集器180。作为机械工作部件，发电装置170可将来自磁流变阻尼器的机械能转换成电能，该电能可储存在能量收集器180中。在具有发电装置170和能量收集器180的情况下，系统100’能够同时具有磁流变阻尼及能量收集功能。
然而，在同一系统中，磁流变阻尼和能量收集会相互影响。以车辆悬架系统为例，磁流变阻尼器的目的是消除或减小振动，以具有良好的隔振性能，并提供良好的驾驶舒适性。通常，磁流变阻尼功能倾向于使悬架的运动幅度变小。然而，能量收集的目的是尽可能多地收集振动能量。因此，能量收集功能倾向于悬架的较大幅度运动。因此，这两个功能的目的彼此不同，而且是截然相反的。
另一方面，能量收集将直接或间接给工件带来附加的阻尼力。来自于能量收集的该阻尼效应可被视为可变的粘性阻尼器。该附加的阻尼力根据能量转换定律由发电装置的感应电能产生，并将被直接施加于振动结构。并且，该附加的阻尼力随着工件或磁流变阻尼器的激励速度的变化而变化，这依赖于发电装置的位置。如图2所示，发电装置170直接连接至磁流变阻尼器150。因此，来自于能量收集的阻尼力将被直接施加至磁流变阻尼器150，并被间接施加至工件160。如果发电装置170直接连接至工件160，则来自于能量收集的阻尼力将被直接施加至工件160。
由于能量收集和磁流变阻尼均可产生阻尼力，所以能量收集的效果将影响振动/运动控制性能。另一方面，磁流变阻尼控制将影响系统动态响应，即能量收集的输入激励。因此，磁流变阻尼的效果也将影响能量收集能力。
有很多用于磁流变阻尼设备/系统的振动/运动控制方法，例如天钩(skyhook)控制。然而，现有的振动/运动控制装置和方法仅针对磁流变阻尼的控制，而没有考虑到磁流变阻尼和能量收集之间的相互影响。此外，现有的振动/运动控制装置和方法并没有考虑到如何在满足振动/运动控制性能的同时，使收集的能量最大化。
技术实现要素：
根据本申请的一方面，提供了一种用于协调磁流变阻尼/制动系统中的磁流变阻尼/制动和能量收集的设备。该设备包括：分配器，配置为基于需要的总的阻尼力/制动力矩，产生第一分配信号和第二分配信号；磁流变阻尼/制动控制器，配置为响应于所述第一分配信号，产生用于产生所分配的磁流变阻尼力/制动力矩的磁流变指令信号；以及能量收集控制器，配置为响应于所述第二分配信号，收集所分配的能量。
根据本申请的另一方面，用于协调磁流变阻尼/制动系统中的磁流变阻尼/制动和能量收集的方法包括：将所述磁流变阻尼/制动系统中需要的总的阻尼力/制动力矩分配成需要的磁流变阻尼力/制动力矩和需要的能量收集阻尼力/制动力矩；根据需要的磁流变阻尼力/制动力矩产生分配的磁流变阻尼力/制动力矩；以及根据需要的能量收集阻尼力/制动力矩收集所分配的能量。
根据本申请的实施方式，考虑了磁流变阻尼/制动系统中的磁流变阻尼/制动和能量收集之间的相互影响，对磁流变阻尼/制动系统中的磁流变阻尼/制动和能量收集进行协调。在该设备具有分配器的情况下，所需的总阻尼力/制动力矩可被分配成两部分，即分配的磁流变阻尼力/制动力矩和分配的能量。首先，分配的磁流变阻尼力/制动力矩可保证阻尼/制动控制性能。其次，分配的能量可以使能量效率最大化。因此，不仅阻尼/制动控制性能得到保障，而且在减少磁流变阻尼/制动的电能消耗的同时，能够尽可能多地收集机械能。磁流变阻尼/制动和能量收集之间的相互影响被充分考虑。
附图说明
图1示出了具有半主动控制系统的典型的磁流变阻尼系统的示意图；
图2示出了具有能量收集能力的另一种典型的磁流变阻尼系统的示意图；
图3示出了根据本申请实施方式具有用于协调系统的磁流变(mr)阻尼/制动和能量收集(eh)的设备的磁流变阻尼/制动系统的示意图；
图4示出了根据本申请实施方式的能量收集控制器的示意图；
图5示出了根据本申请一个实施例的能量收集电路的示意图；
图6示出了根据本申请另一实施例的能量收集电路的示意图；
图7示出了根据本申请又一实施例的能量收集电路的示意图；
图8示出了根据本申请一个实施方式用于协调磁流变阻尼/制动系统中磁流变(mr)阻尼/制动和能量收集(eh)的方法的流程图；
图9示出了根据本申请一个实施方式步骤s810的流程图；
图10示出了应用于车辆悬架系统的本申请的一个示例；以及
图11示出了应用于智能假体系统的本申请的另一实施例。
具体实施方式
下文中将参照附图对本申请进行详细描述。
在此描述的磁流变阻尼设备/系统可包括磁流变阻尼器和磁流变制动装置。磁流变阻尼器(例如车辆悬架系统)在直线运动条件下工作。在这种磁流变阻尼器中，将对系统产生阻尼力。磁流变制动装置(例如智能膝关节假体)在旋转运动条件下工作。在这种磁流变制动装置中，将对系统产生制动力矩。值得注意的是，在本文中所描述的磁流变阻尼设备/系统既包含磁流变阻尼器，也包含磁流变制动装置。
图3示出了根据本申请实施方式具有用于协调系统的磁流变(mr)阻尼/制动和能量收集(eh)的设备的磁流变阻尼/制动系统的示意图。如图3所示，磁流变阻尼/制动系统3000包括动态传感器110、系统控制器120、电流驱动器140、磁流变阻尼器150、工件160、发电装置170以及用于协调磁流变阻尼/制动和能量收集的设备3100。为了叙述简洁，将省略图3中与图2中相同的部件的详细描述。
参照图3，设备3100包括分配器3110、磁流变阻尼/制动控制器3120和能量收集控制器3130。在操作中，系统控制器120可根据动态传感器110测量出的信号产生和输出代表所需的总阻尼力/制动力矩的信号。基于所需的总阻尼力/制动力矩，分配器3110产生第一分配信号和第二分配信号。这两个信号将被分别用于系统中的磁流变阻尼/制动和能量收集。分配器3110的物理电路可以是微控制单元(mcu)或者数字信号处理器(dsp)等。
第一分配信号被发送至磁流变阻尼/制动控制器3120。响应于第一分配信号，磁流变阻尼/制动控制器3120产生磁流变指令信号，该磁流变指令信号用于生成被分配的磁流变阻尼力/制动力矩。例如，磁流变指令信号可以是电压信号，但并不局限于此。利用该磁流变指令信号，电流驱动器140将发送驱动电流，该驱动电流能够驱动磁流变阻尼器150产生施加于工件160的、被分配的磁流变阻尼力/制动力矩。为了产生磁流变指令信号，磁流变阻尼/制动控制器3120可运行已知的控制算法，例如pid控制、自适应控制等等。
第二分配信号被发送给能量收集控制器3130。响应于第二分配信号，能量收集控制器3130从发电装置170收集所分配的能量。
根据本申请的实施方式，考虑了磁流变阻尼/制动系统中的磁流变阻尼/制动和能量收集之间的相互影响，对磁流变阻尼/制动系统中的磁流变阻尼/制动和能量收集进行协调。在该设备具有分配器的情况下，所需的总阻尼力/制动力矩可被分配成两部分，即分配的磁流变阻尼力/制动力矩和分配的能量。首先，分配的磁流变阻尼力/制动力矩可保证阻尼/制动控制性能。其次，分配的能量可以使能量效率最大化。因此，不仅阻尼/制动控制性能得到保障，而且在减少磁流变阻尼/制动的电能消耗的同时，能够尽可能多地收集机械能。磁流变阻尼/制动和能量收集之间的相互影响被充分考虑。
图4示出了根据本申请实施方式的能量收集控制器的示意图。如图4所示，能量收集控制器3130包括能量收集电路3131和能量收集控制部3132。能量收集电路3131能够在能量收集控制部3132的控制下，从发电装置170收集分配的能量。响应于来自分配器3110的第二分配信号，能量收集控制部3132打开/关闭能量收集电路3131或调整由能量收集电路3131收集的分配能量的大小。
有两种可控的能量收集电路。一种具有不可调的等效阻抗，另一种具有可调的等效阻抗。这两种能量收集电路的配置将在后面详细论述。在具有不可调等效阻抗的情况下，能量收集控制部3132可通过打开/关闭能量收集电路3131来控制能量收集电路3131的能量收集。在具有可调等效阻抗的情况下，能量收集控制部3132可通过调节能量收集电路3131的等效阻抗来控制能量收集电路3131的能量收集。通过控制能量收集电路3131，来自于发电装置170的收集能量和所产生的阻尼力/制动力矩都可被控制。为了产生打开/关闭或调节信号，能量收集控制部3132也可运行已知的控制算法，例如天钩控制、bang-bang控制、基于lyapunov稳定性的控制、剪切型最优控制、线性二次型gaussian控制、神经网络控制、滑模控制等等。每一种算法都运用了绝对加速度、速度、位移和/或所施加力的测量值来确定控制动作。调节信号可以是具有已调节占空比的脉宽调制(pwm)信号或是用于调节能量收集电路3131的等效阻抗的阻值控制电压。
如此，利用来自于分配器的第二分配信号，能量收集控制部可通过打开/关闭或调节能量收集电路来控制能量收集电路的能量收集，这使得对系统中的能量收集的控制成为可能。
对于电磁式能量收集，能量收集的感应阻尼力feh与制动力矩τeh可按如下方式计算：
其中x和θ分别是激励位移和转角，ceh和c’eh是阻尼系数。这两个阻尼系数都是和发电装置的参数及其传动比有关的常数，并且易于计算。例如，对于具有齿轮系统以放大角速度的旋转式电磁发电机(电机)而言，c’eh可按如下方式计算：
其中，n是传动比，km是电机转速常量，ri是电机线圈的内阻，reh是能量收集电路的等效电阻。通常，reh被设计成与ri相等，即阻抗匹配。通过这种方式，能量收集电路将具有最大效率。
进一步地，τeh也可以能量收集电路的充电电流ieh的形式通过以下公式表达：
τeh＝nkmieh(4)
在本申请的一个实施方式中，分配器3110根据磁流变阻尼/制动控制器3120和能量收集控制部3132的输出模式产生第一分配信号和第二分配信号。通常，对于磁流变阻尼/制动控制器和能量收集控制部中的每个，均有两种典型输出模式。一种是高-低模式，在这种模式下，无论对磁流变阻尼/制动控制器还是能量收集控制部，均只有两种输出(即，高和低)。也就是说，输出是不可调节的。例如，高输出可以是打开，低输出可以是关闭。另一种是可调节模式，在这种模式下，磁流变阻尼/制动控制器和能量收集控制部中的每一个的输出均可被连续调节。可以理解，磁流变阻尼/制动控制器3120可采用适于其输出模式的传统算法，以产生磁流变指令信号。分配器根据磁流变阻尼/制动控制器和能量收集控制部的输出模式产生第一分配信号和第二分配信号，从而首先可确保系统的阻尼/制动控制性能，还能够使收集的能量尽可能多。这将在下文中被详细阐述。
在本申请的一个实施例中，磁流变阻尼/制动控制器3120具有高输出或低输出。即，磁流变阻尼/制动控制器3120的输出是不可调节的，并且只能是高或低。在这种情况下，分配器3110将产生第一分配信号来代表所需的总阻尼力/制动力矩。即，分配器3110将所需的总阻尼力/制动力矩全部分配给磁流变阻尼/制动控制器3120。并且，分配器3110将根据磁流变阻尼/制动控制器3120是高输出还是低输出产生第二分配信号。
具体地，当磁流变阻尼/制动控制器3120具有低输出时，分配器3110产生第二分配信号，利用该第二分配信号，能量收集控制部3132关闭能量收集电路3131或将能量收集电路3131收集的分配能量的大小调节到其最小值。另一方面，当磁流变阻尼/制动控制器3120具有高输出时，分配器3110产生第二分配信号，利用该第二分配信号，能量收集控制部3132打开能量收集电路3131或将能量收集电路3131收集的分配能量的大小调节到其最大值。
在诸如图1-2所示系统的传统磁流变阻尼系统中，如果磁流变阻尼器控制器采用高-低模式，则磁流变阻尼的粗调控制对于该系统是足够的。在这种情况下，根据本申请的实施例，当磁流变阻尼/制动控制器具有其高输出时，能量收集被开启或被调节到其最大值。由此，无论能量收集电路的输出模式为何，都可保证系统的阻尼/制动控制性能，还可使收集的能量尽可能多。另一方面，当磁流变阻尼/制动控制器具有其低输出时，能量收集被关闭或被调节到其最小值，从而首先保障阻尼/制动控制性能。
在本申请的另一实施例中，磁流变阻尼/制动控制器3120的输出是可调节的。在这种情况下，分配器3110将所需的总阻尼力/制动力矩跟与能量收集电路收集的最大分配能量相对应的能量收集力/力矩和磁流变粘性阻尼力/制动力矩的总和相比较。这里，可以计算磁流变粘性阻尼力/制动力矩。并且，对于某些应用，如智能假体，磁流变粘性阻尼力/制动力矩通常很小并可被忽略。能量收集力/力矩与被能量收集电路3131收集的最大分配能量相对于，并可在分配器3110中预设或可由分配器3110获得。也就是说，分配器3110将把需要的总阻尼力/制动力矩与该总和进行比较。然后，分配器3110将基于比较结果产生第一和第二分配信号。
具体地，一方面，能量收集电路3131收集的分配能量的大小具有高水平或低水平。相应地，能量收集控制部3132的输出是不可调节的，并且只能是高或低。例如，能量收集控制部3132的高输出可打开能量收集电路3131，而能量收集控制部3132的低输出可关闭能量收集电路3131。当能量收集控制部3132为高输出时，能量收集电路3131收集的分配能量将处于较高水平，且当能量收集控制部3132为低输出时，能量收集电路3131收集的分配能量将处于较低水平，比如0。在这种情况下，当需要的总阻尼力/制动力矩小于能量收集和磁流变粘性力/力矩的和时，分配器3110将产生第一分配信号以代表需要的总阻尼力/制动力矩。即，分配器3110将需要的总阻尼力/制动力矩全部分配给第一分配信号。并且，分配器3110将产生第二分配信号，利用该第二分配信号，能量收集控制部3132关闭能量收集电路3131。此外，当需要的总阻尼力/制动力矩大于或等于能量收集和磁流变粘性力/力矩的和时，分配器3110将产生第一分配信号以代表需要的总阻尼力/制动力矩与能量收集力/力矩之间的差值，并产生第二分配信号，利用该第二分配信号，能量收集控制部3132打开能量收集电路3131。即，分配器3110将能量收集力/力矩分配给第二分配信号，并将需要的总阻尼力/制动力矩与能量收集力/力矩之间的差值分配给第一分配信号。
另一方面，能量收集电路3131所收集的分配能量的大小是可调节的。相应地，能量收集控制部3132的输出也是可调节的。在这种情况下，当需要的总阻尼力/制动力矩小于能量收集和磁流变粘性力/力矩的总和时，分配器3110将第一分配信号生成为0，并产生第二分配信号，利用该第二分配信号，能量收集控制部3132调节能量收集电路3131收集的分配能量的大小以对应于需要的总阻尼力/制动力矩。即，分配器3110将需要的总阻尼力/制动力矩全部分配给第二分配信号。并且，当需要的总阻尼力/制动力矩大于或等于能量收集和磁流变粘性力/力矩的总和时，分配器3110将产生第一分配信号以代表需要的总阻尼力/制动力矩与能量收集力/力矩之间的差值，并产生第二分配信号，利用该第二分配信号，能量收集控制部3132调节能量收集电路3131收集的分配能量的大小到达其最大值。即，分配器3110将把能量收集力/力矩分配给第二分配信号，并将需要的总阻尼力/制动力矩与能量收集力/力矩之间的差值分配给第一分配信号。
以上描述了在不同情况下第一分配信号和第二分配信号的产生，通过第一分配信号和第二分配信号，协调了磁流变阻尼/制动系统中磁流变阻尼/制动和能量收集。并且，可首先保证系统的阻尼/制动控制性能，然后使收集的能量尽可能多。
图5示出了根据本申请一个实施例的能量收集电路的示意图。图5所示的能量收集电路收集的分配能量的大小是不可调节的，但通过通断开关来与磁流变阻尼/制动相协调而是可控的。如图5中所示，能量收集电路3131’包括整流器3131a、调压器3131b、开关3131c’以及能量存储装置3131d。整流器3131a可以是桥式整流器或电压倍增器，并可将由发电装置170发送的交流电压整流为直流电压。而调压器3131b可以是隔离逆向变换器或升压斩波器，并可以产生与直流电压成比例的充电电流，这使得能量收集电路3131’表现为电阻特性。能量收集电路3131’可被设计成与发电装置170的内部线圈阻抗匹配，使得能量收集电路具有最大效率。开关3131c’可从能量收集控制部3132接收开/关信号。响应于该开/关信号，开关3131c’接通/断开整流器3131a与调压器3131b的连接。开关3131c’可以是例如继电器、mosfet等。能量存储装置3131d可以是可充电电池、电容器或超级电容器，并可存储从充电电流收集的电能，以供重复利用。图5中所示的能量收集电路的配置可实现对不可调节能量收集的控制。即，能量收集电路可被打开或关闭，并将具有两种阻尼力/制动力矩：0或者feh/τeh，如上文公式(1)-(2)所示。
图6示出了根据本申请另一实施例的能量收集电路的示意图。图6中所示的能量收集电路收集的分配能量的大小是可调节的。如图6所示，能量收集电路3131”包括整流器3131a、调压器3131b、pwm控制开关3131c”以及能量存储装置3131d。为了叙述简洁，将省略在图6中与图5中相同的部件的详细描述。pwm控制开关3131c”被连接到整流器3131a和调压器3131b之间，并可接收来自于能量收集控制部3132的、具有受控占空比的pwm信号。pwm信号的占空比被能量收集控制部3132所控制。响应于具有受控占空比的pwm信号，pwm控制开关3131c”可调节来自于调压器3131b的充电电流。通过调节充电电流，可调节能量收集电路3131”的等效阻抗。利用这样的pwm控制开关3131c”，能量收集电路3131的等效阻抗是可调节的，从而使得能量收集电路3131收集的分配能量的大小可调节。即，系统的能量收集是可调节的，从而实现了对可调节能量收集的控制。具体地，通过在一定范围(0,100％)内控制pwm信号的占空比，充电电流将处于一定范围(0,ieh)内。通过这种方式，能量收集阻尼力/制动力矩可被持续控制在一定范围(0,feh_max)内。
图7示出了根据本申请又一实施例的能量收集电路的示意图。图7中所示的能量收集电路收集的分配能量的大小也是可调节的。如图7中所示，能量收集电路3131”’包括整流器3131a、调压器3131b、调节电阻器3131c”’以及能量存储装置3131d。为了叙述简洁，将省略在图7中与图5中相同的部件的详细描述。如上文中公式(3)所示，能量收集阻尼力/制动力矩与能量收集电路的等效电阻成反比。因此，调节电阻器3131c”’包含在能量收集电路3131”’中，并被连接到调压器3131b，调节电阻器3131c”’可从能量收集控制部3132接收电阻调节电压。响应于电阻调节电压，调节电阻器3131c”’可通过调节自身电阻来调节充电电流。通过此调节电阻器3131c”’，能量收集电路3131的等效电阻是可调节的，从而能量收集电路3131收集的分配能量的大小也是可调节的。即，系统的能量收集是可调节的，从而实现了对可调能量收集的控制。调节电阻器3131c”’是可编程的，并能够根据来自于能量收集控制部3132的输入指令电压来改变自身阻值。
在本申请一个实施方式中，能量收集电路3131还可包含电流传感器(未显示)。该电流传感器可测量由调压器3131b产生的充电电流，并将测量到的充电电流告知能量收集控制部3132。然后，能量收集控制部3132可根据测量到的充电电流来调节pwm信号或电阻调节电压，从而实现能量收集电路3131的闭环电流控制。
图8示出了根据本申请一个实施方式用于协调磁流变阻尼/制动系统中磁流变(mr)阻尼/制动和能量收集(eh)的方法的流程图。如图8所示，方法800包括步骤s810-s830。步骤s810将磁流变阻尼/制动系统中的所需总阻尼力/制动力矩分配成需要的磁流变阻尼力/制动力矩和需要的能量收集阻尼力/制动力矩。步骤s820根据需要的磁流变阻尼力/制动力矩产生分配的磁流变阻尼力/制动力矩。并且，步骤s830根据需要的能量收集阻尼力/制动力矩收集分配的能量。
在本申请的一个实施方式中，步骤s830可包括：根据需要的能量收集阻尼力/制动力矩，开启/关闭对分配能量的收集，或调节分配能量的大小。
在本申请的一个实施方式中，需要的磁流变阻尼力/制动力矩是高水平或低水平，并且分配的能量的大小是不可调节的，且具有高水平或低水平。在这种情况下，当所产生的磁流变阻尼力/制动力矩是高水平时，需要的能量收集阻尼力/制动力矩被开启为具有高水平。另一方面，当所产生的磁流变阻尼力/制动力矩是低水平时，需要的能量收集阻尼力/制动力矩被关断为具有低水平。
在本申请的另一实施方式中，需要的磁流变阻尼力/制动力矩是高水平或低水平，并且对分配能量的收集是可调节的。在这种情况下，当所产生的磁流变阻尼力/制动力矩是高水平时，需要的能量收集阻尼力/制动力矩被分配成其最大值。另一方面，当所产生的磁流变阻尼力/制动力矩是低水平时，需要的能量收集阻尼力/制动力矩被分配成其最小值。
图9示出了根据本申请一个实施方式步骤s810的流程图。在本实施方式中，所产生的磁流变阻尼力/制动力矩是可调节的。在这种情况下，步骤s810可包括子步骤s811和s812，如图9所示。子步骤s811将所需总阻尼力/制动力矩跟与能量收集电路收集的最大分配能量相对应的能量收集力/力矩和磁流变粘性阻尼力/制动力矩的总和相比较。且子步骤s812基于比较的结果产生需要的磁流变阻尼力/制动力矩和需要的能量收集阻尼力/制动力矩。
在本申请的一个实施例中，分配能量的大小是不可调节的，且仅具有高水平或低水平。在这种情况下，一方面，当需要的总阻尼力/制动力矩小于能量收集和磁流变粘性力/力矩的和时，需要的磁流变阻尼力/制动力矩被分配为代表需要的总阻尼力/制动力矩，并且需要的能量收集阻尼力/制动力矩被分配成其低水平。另一方面，当需要的总阻尼力/制动力矩大于或等于能量收集和磁流变粘性力/力矩的和时，需要的磁流变阻尼力/制动力矩被分配为代表需要的总阻尼力/制动力矩与能量收集力/力矩之间的差值，并且需要的能量收集阻尼力/制动力矩被分配成其高水平。
在本申请的另一实施例中，对分配能量的收集是可调节的。在这种情况下，一方面，当需要的总阻尼力/制动力矩小于能量收集和磁流变粘性力/力矩的和时，需要的磁流变阻尼力/制动力矩被分配为0，而需要的能量收集阻尼力/制动力矩被分配为代表需要的总阻尼力/制动力矩。另一方面，当需要的总阻尼力/制动力矩大于或等于能量收集和磁流变粘性力/力矩的和时，需要的磁流变阻尼力/制动力矩被分配为代表需要的总阻尼力/制动力矩与能量收集力/力矩之间的差值，而需要的能量收集阻尼力/制动力矩被分配为其最小值。
图10示出了应用于车辆悬架系统的本申请的一个示例。对于再生磁流变悬架系统80，使用能量再生磁流变阻尼器93(即，集成有能量收集电路的线性磁流变阻尼器)。再生磁流变悬架系统80包括弹簧92和阻尼器93。悬架被安装在汽车的底盘91和车轮94之间。当车轮94在路面干扰下振动时，弹簧92吸收振动能量，而后阻尼器93消耗振动能量。再生磁流变阻尼器93将把振动能量的一部分转化成电能并向底盘91输出可控的阻尼力，以保证驾驶的舒适性。
阻尼器93的能量收集部分可以是直线电磁发电机，或者是具有传动转换功能的旋转电磁发电机等。阻尼器93将输出交流电到能量收集电路85。对于所使用的能量收集电路85，其是一种具有通断开关的不可调电路，如图5所示。对于再生磁流变悬架系统80，所采用的磁流变控制方法可以是开关控制。该控制算法如下公式(5)中所示。
其中
如图10所示，动态传感器95将测量底盘91的动态响应，如
图11示出了被应用于智能假体系统的本申请的另一实施例。对于智能假体系统90，将双功能磁流变设备910(即，集成有能量收集电路的旋转式磁流变制动装置)用作为人造膝关节。磁流变制动装置910与人的大腿905和人的小腿920连接。脚930接触地面。具有能量收集功能的磁流变制动装置910能提供受控转矩，以支撑人的身体，并协助人行走。并且，其具有电磁发电机(电机)，该发电机被集成到磁流变制动装置中。发电机能将膝关节转动的动能转换成电能，并向能量收集电路911输出产生的交流电。
对于所使用的能量收集电路911，其是一种具有pwm信号控制开关931的阻抗可调电路，如图6所示。因此，智能假体系统90所采用的控制方法将能够提供可调输出。对于智能假体系统90，其所需的力矩与步态及行走速度密切相关。因此，所采用的控制方法应该输出持续受控的制动力矩，而不是两个简单的状态τmin/τmax。
首先，根据来自于动态传感器934、力矩传感器932或其它传感器的信息，系统控制器935将确定所需的总制动力矩τr。而后，力矩分配单元936(分配器)将计算粘性制动力矩τη和最大能量收集力矩τeh_max。对于假体系统设计，粘性制动力矩τη通常非常小并可被忽略。τeh_max可通过上述公式(2)和(3)计算。在行走周期的一些区间内，例如在高角速度时，需要的制动力矩小于相同角速度下能量收集所产生的力矩。在这种情况下，能量收集控制器938(能量收集控制部)可调节能量收集的制动力矩，而无需开启磁流变制动部分。因此，在减少磁流变线圈的功耗的同时，可使所收集的能量最大化。
能量收集制动力矩控制将使用开环方式。为了得到需要的制动力矩τr，开关931的pwm信号的占空比λ可以通过能量收集控制器938以如下方式计算。
在行走周期的一些区间内，例如在低角速度时，需要的制动力矩大于相同角速度下能量收集所产生的力矩。在这种情况下，能量收集控制器938和磁流变阻尼控制器937都将工作。能量收集部分将保持在其最大能力，即λ＝100％。目标磁流变制动力矩τrmr将被分配成τr-τeh_max。
磁流变制动力矩控制将使用开环方式。电流和磁流变制动力矩之间的关系可被校准并储存在磁流变制动控制器937中。由于电流与输入至电流驱动器939的指令电压成比例，因而控制器937将输出相对应的指令电压。
虽然以上的叙述包括很多特定布置和参数，但需要注意的是，这些特定布置和参数仅仅用于说明本申请的一个实施方式。这不应该作为对本申请范围的限制。本领域技术人员可以理解，在不脱离本申请范围和精神的情况下，可对其进行各种修改、增加和替换。因此，本申请的范围应该基于所述权利要求来解释。
- 还没有人留言评论。精彩留言会获得点赞！