用于协调磁流变阻尼/制动及能量收集的设备和方法技术

本申请公开了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和方法。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。

Equipment and methods used to coordinate magnetorheological damping / brake and energy collection

The present application discloses a device and method for coordinating magnetorheological damping / braking and energy collection in a magnetorheological damping / brake system. The device includes a dispenser configured for the total damping force / required braking torque based on the first signal and the second signal distribution distribution; magnetorheological damper / brake controller configured to response to the first signal distribution, have used to produce the magnetorheological damping force / braking torque distribution of magnetorheological signals; and the energy collection controller configured as a response to the second signal distribution, collect the distribution of energy.

【技术实现步骤摘要】
用于协调磁流变阻尼/制动及能量收集的设备和方法
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。
技术介绍
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。
技术实现思路
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1本文档来自技高网...

【技术保护点】
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，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。

【技术特征摘要】
1.一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，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。2.根据权利要求1所述的设备，其中所述能量收集控制器包括：能量收集电路，配置为从所述磁流变阻尼/制动系统的发电装置收集所分配的能量；以及能量收集控制部，配置为响应于所述第二分配信号，打开/关闭所述能量收集电路，或者调整所述能量收集电路收集的所分配的能量的大小。3.根据权利要求2所述的设备，其中所述分配器根据所述磁流变阻尼/制动控制器和所述能量收集控制部的输出模式产生所述第一分配信号和所述第二分配信号。4.根据权利要求2所述的设备，其中所述磁流变阻尼/制动控制器具有高输出或低输出，并且所述分配器根据所述需要的总的阻尼力/制动力矩产生所述第一分配信号，并根据所述磁流变阻尼/制动控制器的高输出或低输出产生所述第二分配信号。5.根据权利要求4所述的设备，其中所述磁流变阻尼/制动控制器具有低输出时，所述分配器产生所述第二分配信号，所述能量收集控制部利用所述第二分配信号关闭所述能量收集电路，或者将由所述能量收集电路收集的分配的能量的大小调整为其最小值；并且所述磁流变阻尼/制动控制器具有高输出时，所述分配器产生所述第二分配信号，所述能量收集控制部利用所述第二分配信号打开所述能量收集电路，或者将由所述能量收集电路收集的分配的能量的大小调整为其最大值。6.根据权利要求2所述的设备，其中所述磁流变阻尼/制动控制器的输出是可调的，所述分配器进一步被配置为将需要的总的阻尼力/制动力矩与对应于所述能量收集电路收集的最大所分配能量的能量收集力/力矩和磁流变粘性阻尼力/力矩之和进行比较，并基于比较结果产生所述第一分配信号和所述第二分配信号。7.根据权利要求6所述的设备，其中由所述能量收集电路收集的所分配的能量的大小具有高水平或低水平；在需要的总的阻尼力/制动力矩小于能量收集力/力矩与磁流变粘性力/力矩之和的情况下，所述分配器产生所述第一分配信号和第二分配信号，所述第一分配信号代表了需要的总的阻尼力/制动力矩，所述能量收集控制部利用所述第二分配信号关闭所述能量收集电路；并且在需要的总的阻尼力/制动力矩大于或等于能量收集力/力矩与磁流变粘性力/力矩之和的情况下，所述分配器产生所述第一分配信号和第二分配信号，所述第一分配信号代表了需要的总的阻尼力/制动力矩与能量收集力/力矩之间的差值，所述能量收集控制部利用所述第二分配信号打开所述能量收集电路。8.根据权利要求6所述的设备，其中由所述能量收集电路收集的所分配的能量的大小是可调的；在需要的总的阻尼力/制动力矩小于能量收集力/力矩与磁流变粘性力/力矩之和的情况下，所述分配器产生所述第一分配信号和第二分配信号，所述第一分配信号为零，所述能量收集控制部利用所述第二分配信号调整由所述能量收集电路收集的所分配的能量的大小对应于需要的总的阻尼力/制动力矩；并且在需要的总的阻尼力/制动力矩大于或等于能量收集力/力矩与磁流变粘性力/力矩之和的情况下，所述分配器产生所述第一分配信号和第二分配信号，所述第一分配信号代表了需要的总的阻尼力/制动力矩与能量收集力/力矩之间的差值，所述能量收集控制部利用所述第二分配信号将所述能量收集电路收集的所分配的能量的大小调整为其最大值。9.根据权利要求5或7所述的设备，其中所述能量收集电路包括：整流器，配置为将来自所述发电装置的交流电压整流为直流电压；调压器，配置为产生与所述直流电压成比例的充电电流；开关，配置为响应于来自所述能量收集控制部的开关信号，使所述整流器与所述调压器连接或断开；以及能量存储装置，配置为存储由所述充电电流所收集的电能。10.根据权利要求5或8所述的设备，其中所述能量收集电路包括：整流器，配置为将来自所述发电装置的交流电压整流为直流电压；调压器，配置为产生与所述直流电压成比例的充电电流；PWM控制...

【专利技术属性】
技术研发人员：廖维新，陈超，
申请(专利权)人：香港中文大学，
类型：发明
国别省市：中国香港,81