CN103625236B - 确定基于分级变压充电的esasre悬架充电电压方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种车辆悬架控制技术领域中的确定基于分级变压充电的ESASRE悬架充电电压方法，根据试验或数值仿真获取所述馈能电机在不同蓄电池充电电压下的力矩—转速特性曲线，将力矩—转速特性曲线转化成馈能阻尼力发生器在不同蓄电池充电电压下的馈能阻尼力发生器—悬架相对运动速度特性曲线，对馈能阻尼力不等于0的曲线部分利用最小二乘法进行数值拟合，得到拟合力—速度比例系数；利用最小二乘法获取充电电压—速度比例系数，根据所需的理想半主动控制力得到实时的ESASRE悬架充电电压，使车辆根据减振需要实时地求取并改变蓄电池充电电压，从而实现对悬架系统实际控制力进行实时分级控制，可获得尽可能优的汽车平顺性。
Description
技术领域
本发明属于车辆悬架控制技术领域，尤其涉及用于车辆的基于分级变压充电的电磁馈能型半主动悬架（ESASRE）的充电电压求取方法。
背景技术
悬架作为车辆的重要结构与功能部件，对车辆的整体性能影响很大。传统车辆悬架不能对汽车行驶时车轴和簧载质量之间的振动能量进行回收利用，使得上述振动能量被传统减震器转化成热能耗散掉而造成能量浪费。随着电控技术在汽车工业中的迅速发展，在实现减振功能的同时又能将车轴和簧载质量之间的振动能量转化为可回收利用的馈能型悬架获得了广泛的运用。
电磁馈能型半主动悬架在结构上较传统悬架的主要不同之处在于使用能量回收装置即电磁馈能阻尼力发生器替代了传统悬架的阻尼器。电磁馈能阻尼力发生器通常由馈能电机结合直线/旋转运动转换装置（如滚珠丝杠副）组成。如何对电磁馈能型主动或半主动悬架进行控制以使电磁阻尼力发生器产生的实际控制力满足悬架综合性能的要求是当前主动与半主动悬架的关键技术之一。
现有电磁馈能型主动悬架一般使用定电压的蓄电池作为电机馈能时的蓄能器和电机发出主动力时的动力源，通过对电源高速接通与断开间接实现控制电流的滞环电流控制，从而实现对馈能电机输出实际控制力的控制。现有另一些电磁馈能型主动或半主动悬架系统实际控制力的输出也有采用PWM控制方法，通过改变电磁阀周期时间内的占空比调节实际控制力的输出。
上述现有技术的缺陷在于：滞环电流控制方法由于采用定电压的蓄电池，使电磁馈能阻尼力发生器馈能阻尼力为0的速度“死区”范围没被缩小，此外电流滞环控制的精度不仅与滞环的环宽有关，还受到功率开关器件允许开关频率的制约，并具有较强的非线性，因此，采用PWM控制方法的不足之处在于响应速度慢，非线性也较强。
中国专利申请号为201210054782.8、名称为“电磁馈能型半主动悬架馈能阻尼实时控制的装置及方法”中公开的电磁馈能型半主动悬架馈能阻尼实时方法，并没有提供实时的充电电压求取方法。
发明内容
本发明的目的是为实现根据理想控制力获得实际的馈能阻尼力发生器输出的实际控制力，提供了一种确定基于分级变压充电的ESASRE悬架充电电压的方法，执行简单、便于操作、要求硬件成本低廉、非线性较小。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：ESASRE悬架采用电磁馈能阻尼力发生器，电磁馈能阻尼力发生器包括馈能电机和运动转化装置，具有以下步骤：
（1）根据试验或数值仿真获取所述馈能电机在不同蓄电池充电电压下的力矩—转速特性曲线，将力矩—转速特性曲线转化成馈能阻尼力发生器在不同蓄电池充电电压下的馈能阻尼力发生器—悬架相对运动速度特性曲线；
（2）对馈能阻尼力不等于0的曲线部分利用最小二乘法按式进行数值拟合，得到拟合力—速度比例系数k f ；，Δv为悬架相对运动速度；v dzi 为当蓄电池充电为u dzi 时馈能阻尼力发生器开始产生馈能阻尼力的速度，v dzi 大于等于0m/s；F i 为当蓄电池充电电压为u dzi 的馈能阻尼力。
（3）根据各v dzi 值对应的蓄电池充电电压u dzi 值，利用最小二乘法按式获取充电电压—速度比例系数k u ，v dz 为当蓄电池充电电压为u dz 时馈能阻尼力发生器开始产生馈能阻尼力的速度。
（4）根据所需的理想半主动控制力F idsa ，得到实时的ESASRE悬架充电电压u b 。
本发明采用上述技术方案后，具有的有益效果是：
1、本发明提出一种确定基于分级变压充电的ESASRE悬架充电电压的方法，使车辆根据减振需要实时地求取并改变蓄电池充电电压，从而实现对悬架系统实际控制力进行实时分级控制。
2、采用该充电电压求取方法不需要工作频率更高的可控开关，响应速度快，且便于操作，非线性较小，可获得尽可能优的汽车平顺性。
附图说明
图1是ESASRE悬架系统控制原理示意图；
图2是图1中电磁馈能阻尼力发生器4的结构示意图；
图3是ESASRE悬架分级变压充电原理图；
图4是采用本发明充电电压求取方法的ESASRE悬架控制系统原理图；
图5是原平均阻尼力-速度曲线与基于近似构造线性方程所设计的平均阻尼力-速度曲线对比图，横坐标表示悬架相对运动速度Δv（单位为m/s），纵坐标表示平均阻尼力F mn （单位为N）；
图6是ESASRE悬架实际控制力和理想主动控制力曲线对比局部放大图，横坐标表示时间t（单位为s），纵坐标表示控制力F（单位为N）；
图7是被动悬架、理想主动悬架与采用本发明充电电压求取方法的ESASRE悬架性能比较图，横坐标表示时间t（单位为s），纵坐标表示悬架二次型性能指标J；
图8是ESASRE整个消耗悬架振动能量的功率、流向蓄电池的功率以及铜损功率的曲线对比局部放大图，横坐标表示时间t（单位为s），纵坐标表示功率P（单位为kW）；
图中：1.簧载质量；2.悬架弹簧；3.簧载质量加速度及速度传感器组；4.电磁馈能阻尼力发生器；5.车轮质量加速度及速度传感器组；6.车轮质量；7.轮胎等效弹簧；8.控制器；9.PMSM（永磁同步电机）；10.滚珠丝杠副。
具体实施方式
如图1所示，本发明运用于ESASRE悬架系统为：在铅垂方向上（与悬架运动相关的所有物理量的方向都是在铅垂方向上），车轮质量6与轮胎等效弹簧7组成车轮，车轮位于簧载质量1的下方，车轮与簧载质量1之间并联有悬架弹簧2与电磁馈能阻尼力发生器4，地面直接与车轮相互作用而使悬架产生振动；在簧载质量1上固定设有簧载质量加速度及速度传感器组3，在车轮质量6上固定设有车轮质量加速度传感器5，簧载质量加速度传感器3与车轮质量加速度及速度传感器组5各自通过信号线连接于控制器8，电磁馈能阻尼力发生器4也通过信号线连接于控制器8，控制器8可采用PID或LQG控制、模糊控制等控制策略，上述控制策略可单独使用或组合使用。
如图2所示，电磁馈能阻尼力发生器4总体结构包括PMSM（永磁同步电机）9和滚珠丝杠副10。车辆行驶过程中，固定连接于簧载质量1和车轮质量6之间的电磁馈能阻尼力发生器4随不平路面而发生作伸张和压缩的相对直线运动时，PMSM（永磁同步电机）9工作便产生馈能阻尼力矩，该馈能阻尼力矩通过滚珠丝杠副10这一可由旋转运动转化为直线运动的转换装置的作用而转换成垂直方向的馈能阻尼力（即控制力F），衰减由于路面不平产生的簧载质量1与车轮质量6之间的相互振动。
如图3所示为ESASRE悬架分级变压充电的工作原理图，其中Q 1、Q 2、Q 3、Q 4、Q 5和Q 6这六个二极管组成三相全波整流桥；u 0表示单个蓄电池额定电压；虚线表示可以根据需要增加蓄电池个数，以提供多种不同电压充电的蓄电池组。控制系统根据传感器组检测到的信号，按照设计的控制策略分析、判断悬架减振需要的馈能阻尼力大小，然后通过控制相应的可控开关S 1…… S n 接通与断开来选择最能满足馈能阻尼力的蓄电池充电电压来对车载蓄电池进行充电。
如图4所示为采用本发明充电电压求取方法的ESASRE悬架控制系统原理图，传感器检测到车身相关振动信号输入到理想半主动控制力求取控制器，按照特定的控制策略（这里以LQG控制策略为例）计算出理想半主动控制力F idsa ，充电电压求取控制器根据理想半主动控制力F idsa 及悬架相对运动速度Δv按照所设计的基于近似构造线性方程的平均阻尼力-速度曲线进行相应匹配计算求取蓄电池充电电压u b ，电磁馈能阻尼力发生器根据蓄电池充电电压u b 和悬架相对运动速度Δv实现求取实际控制力F。
本发明提供的一种确定基于分级变压充电的ESASRE悬架充电电压的方法实施的步骤为：
1、根据试验或数值仿真获取馈能电机在不同蓄电池充电电压下的力矩—转速特性曲线，然后结合馈能阻尼力发生器的运动转化装置的传动比即直线运动-旋转转动转换装置传动比λ（仅使用滚珠丝杠副时，，p s 为选用滚珠丝杠副的导程，例如0.02m），采用常规方法将力矩—转速特性曲线转化成馈能阻尼力发生器在不同蓄电池充电电压下的馈能阻尼力发生器—悬架相对运动速度特性曲线。
如图5中的点划线、电线、虚线及实线分别为馈能阻尼力发生器在蓄电池充电电压分别为0V，6V，12V和18V对应的馈能阻尼力—悬架相对运动速度特性曲线。
2、对馈能阻尼力不等于0的曲线部分利用最小二乘法按公式(2)进行数值拟合，获取统一的拟合力—速度比例系数k f 。
(2)
式中：Δv为悬架相对运动速度；v dzi 为当蓄电池充电为u dzi 时馈能阻尼力发生器开始产生馈能阻尼力的速度，v dzi 大于等于0m/s;F i 为当蓄电池充电为u dzi 的馈能阻尼力。
如图5中所示，四条o线性化曲线即为步骤1中所述点划线、电线、虚线及实线等四条曲线线性化后的对应曲线，图5中求得k f 等于116270。
3、根据各v dzi 值对应的u dzi 值，利用利用最小二乘法按公式(3)获取充电电压—速度比例系数k u 。
(3)
如图5中所示：死区电压6V，12V，18V对应的馈能阻尼力发生器刚开始产生馈能阻尼力的速度分别为0.25m/s，0.50m/s，0.75m/s，按照式（3）可求得k u 等于24。
4、当所需的馈能阻尼力为F idsa ，实时充电电压u b 按公式(4)和(5)求取。
(4)
(5)
式中：u 0为组成蓄电池组的单节蓄电池电压；ceil(·)为向上取整函数；u os 为减小由ceil(·)函数产生误差的补偿电压，可通过具体使用工况优化确定。
所需的理想半主动控制力F idsa 按式(6)计算。
(6)
式中：为车轮垂直运动速度；为车身垂直运动速度；F ida 为LQG控制得到的理想主动控制力。根据LQG控制理论，有：
F ida =-KX=-R -1(SB+N)T X(7)
(K,S,E)=LQR(A,B,Q,R,N)(8)
式中：K为反馈增益矩阵；S为黎卡提方程解；E为系统的特征向量；Q为状态变量加权矩阵；R为控制变量加权矩阵；N为交叉项权重。
经过优化，u os 等于0.68V时，使用本发明所提供控制方法的ESASRE悬架系统达到了最优。
图6显示，使用本发明所提供控制方法的ESASRE悬架系统实际控制力曲线与理想主动控制力曲线重合度较高，能够对理想主动控制力中具有正阻尼特性的部分进行较高精度的跟踪，表现出较好的跟随特性，从而为ESASRE悬架的性能尽可能理想提供了保证。
图7显示，ESASRE的J值较被动悬架有较大幅度的降低，相对理想主动悬架略有增大，说明使用本发明所提供控制方法的ESASRE系统的平顺性（减振）效果比较明显，可获得较优的悬架使用性能，显著改善了车辆行驶平顺性。
以某车1/4悬架模型进行实施例说明，该车的参数为：簧载质量m 1=350kg，非簧载质量（车轮质量）m 2=5000kg，轮胎的等效弹簧刚度k 1=3000000N/m，悬架弹簧刚度k 2=505000N/m，悬架系统结构阻尼c s=1000N·s/m。该车常用行驶工况为在C级路面上车速u=20m/s行驶。路面参数为：路面不平度系数G q (n 0)=256×10-6m3，路面参考空间平率n 0=0.1m-1，路面输入下截止频率f 0=0.022Hz。悬架系统性能评价指标为悬架二次型性能指标J。
(1)
式中：为车身加速度；x 1-q为车轮动变形；x 2-x 1为悬架动挠度；δ 1及δ 2分别为车轮动变形与悬架动挠度的加权系数；T为车辆行驶时间。其中，δ 1=5.2894×104，δ 2=4.4051×103。
图8以及相关统计数据显示，流向蓄电池的功率P b 占到吸收悬架振动能量的总功率P all 的78.64%，悬架的损失功率P ls 占P all 的21.36%。说明使用本发明所提供控制方法的ESASRE悬架能量回收效率较高，可以有效回收汽车车轴与簧载质量之间的绝大部分振动能量。
Claims (1)
1.一种确定基于分级变压充电的ESASRE悬架充电电压方法，ESASRE悬架采用电磁馈能阻尼力发生器，电磁馈能阻尼力发生器包括馈能电机和运动转化装置，其特征是具有以下步骤：
（1）根据试验或数值仿真获取所述馈能电机在不同蓄电池充电电压下的力矩—转速特性曲线，将力矩—转速特性曲线转化成馈能阻尼力发生器在不同蓄电池充电电压下的馈能阻尼力发生器—悬架相对运动速度特性曲线；
（2）对馈能阻尼力不等于0的曲线部分利用最小二乘法按式进行数值拟合，得到拟合力—速度比例系数k f ；，Δv为悬架相对运动速度；v dzi 为当蓄电池充电为u dzi 时馈能阻尼力发生器开始产生馈能阻尼力的速度，v dzi 大于等于0m/s；F i 为当蓄电池充电电压为u dzi 的馈能阻尼力；
（3）根据各v dzi 值对应的蓄电池充电电压u dzi 值，利用最小二乘法按式获取充电电压—速度比例系数k u ，v dzi 为当蓄电池充电电压为u dzi 时馈能阻尼力发生器开始产生馈能阻尼力的速度；
（4）先通过公式得到理想半主动控制力F idsa ：再由ESASRE悬架充电电压和公式得到实时的ESASRE悬架充电电压u b ；u 0为组成蓄电池组的单节蓄电池电压；ceil(·)为向上取整函数；u os 为减小由ceil(·)函数产生误差的补偿电压，可通过具体使用工况优化确定；为车轮垂直运动速度；为车身垂直运动速度；F ida 为LQG控制得到的理想主动控制力。
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