CN103770594A - 一种车辆悬架用馈电型电磁阻尼减振控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种车辆悬架用馈电型电磁阻尼减振控制方法，该方法适用于由圆筒型容错永磁直线电机、电机控制器、速度传感器、蓄电池构成的电磁阻尼减振装置。电机控制器根据速度传感器的信号计算出圆筒型容错永磁直线电机动子的速度、加速度，根据初始加速度绝对值实时计算基于加速度绝对值的变参数PI的比例系数K_p、积分系数K_i，采用速度闭环的矢量控制策略控制圆筒型容错永磁直线电机运行，实现了电磁减振功能，回收了振动能量，且能根据实际情况及时调整电磁阻尼系数，提高了悬架的减振性能以及“人-车”系统的平顺性，节约了能源。

Description

一种车辆悬架用馈电型电磁阻尼减振控制方法

技术领域

本发明涉及一种馈电型电磁阻尼减振控制方法，特别是一种车辆悬架用馈电型电磁阻尼减振控制方法。

背景技术

汽车在行驶过程中会因路面不平、车速、行车方向的变化而引发车轮、发动机、传动系等的振动，这种振动使得汽车的动力性得不到充分发挥，经济性变坏，影响汽车操作稳定性和平顺性、驾乘的舒适性，因此作为减振保稳部件的悬架就显得必不可少。

悬架用于弹性地连接车架与车桥，缓和行驶中车辆受到的冲击力，保证货物的完好和人员的舒适，衰减由弹性系统引起的振动，传递垂直、纵向、侧向反力和力矩，且使车身按一定轨迹相对车身跳动。汽车不同行驶状态对悬架有不同要求，一般行驶时需要柔软一点以求舒适感，当急转弯以及制动时需要硬一点的悬架以求稳定性。

悬架按工作原理可分为被动悬架、半主动悬架和主动悬架。被动悬架主要有弹性元件和被动阻尼器组成，结构简单、性能可靠、无能耗，但是被动悬架的阻尼系数和刚度系数一旦确定便无法改变，难以适应复杂的多变性环境。多数半主动悬架是将被动悬架中的不变阻尼换成可变阻尼器，大大改善了悬架的性能。主动悬架采用有源或无源控件组成一个闭环控制系统，根据车辆系统的运行状态和外部输入的变化作出反应，主动地调整和产生所需的控制力，使悬架始终处于最佳减振状态，但是耗能较多。研究主动阻尼和被动阻尼相结合的方法是减少能耗的途径之一。

可控减振器驱动方式有转阀方式、旁路阀方式、压电驱动方式、磁场控制的磁流变方式和永磁直流直线饲服电机驱动方式等。永磁直流直线饲服电机驱动方式则是由直线饲服电机直接实现直线运动控制。以经典控制理论为基础的控制不需要了解被控对象的数学模型，只要根据经验进行调节器参数在线调整，即可取得满意的结果，不足的是对被控对象参数变化比较敏感，研究查表法参数控制PID和模糊控制方法在悬架控制系统中应用有一定的实际的意义。

申请号为201210054782.8的发明专利《电磁馈能型半主动悬架馈能阻尼实时控制装置及方法》、申请号为200410013577.2的发明专利《车辆悬架用能量回馈型电磁减振装置》尽管具有良好的馈电能力，但是由于电机处于不控状态，电机只能根据当前的速度以及流入储能单元的电流产生一定的阻尼力，该阻尼力不是可控的，不是期望的最佳值；另这些悬架控制器环境适应性较差。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种鲁棒性好、可靠性高、适应性强的电磁阻尼减振装置控制方法，使用该方法后车辆悬架具有响应迅速快、灵敏度高、随机性好的特点，且具有将振动能量转换为电能的能力，在没有整车控制器的情况下能根据实际情况独立调整阻尼系数，满足不同情况下整车对悬架的要求。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：一种车辆悬架用馈电型电磁阻尼减振控制方法，通过控制圆筒型容错永磁直线电机的速度为零实现，速度环采用基于加速度绝对值的变参数PI控制方法，步骤包括：

1）电机控制器根据速度传感器的信号计算出圆筒型容错永磁直线电机动子运行速度v，根据速度信号v计算出圆筒型容错永磁直线电机动子的加速度a=(v₁-v₂)/t，时间t是每次速度采样的时间间隔；

2）设圆筒型容错永磁直线电机动子的一个最小加速度绝对值c₀=0.3m/s²，监测到的瞬时加速度绝对值c_x，x为正整数，当c_x不大于c₀时，则以a_x=c₀为初始加速度绝对值，否则以a_x=c_x为初始加速度绝对值；当c_x不大于c_x+1时，则以a_x=c_x+1为初始加速度绝对值，否则初始加速度绝对值a_x保持不变直到c_x+n-1小于c_x+n时a_x=c_x+n，当在x和x+n之间一旦出现加速度绝对值不大于c₀，则立即a_x=c₀；

3）确定速度的绝对值b，当圆筒型容错永磁直线电机在外力作用下运动，且使用三相PWM整流拓扑结构的电机控制器整流出的最大直流母线电压不小于蓄电池电压时的圆筒型容错永磁直线电机动子的速度绝对值设为b；

4）确定加速度a₁、a₂，PI比例系数K_p1、K_p2，PI积分系数K_i1、K_i2：当无控制时悬架振动幅值为0.5cm，设该情况下圆筒型容错永磁直线电机动子的初始加速度为a₁，使用电磁阻尼控制方法后，通过实验调试PI参数使悬架阻尼系数为0.3，设此时的PI参数为K_p1、K_i1；当无控制时悬架振动幅值为6cm，设该情况下圆筒型容错永磁直线电机动子的初始加速度为a₂，使用电磁阻尼控制方法后，通过实验调试PI参数使悬架阻尼系数为2.0，设此时的PI参数为K_p2、K_i2；

5）确定基于加速度绝对值的变参数PI的比例和积分参数：由步骤4）在两种极端情况下通过实验获得PI的K_p1、K_i1、K_p2、K_i2，使用线性拟合方法求得在这两种情况之间的任一种情况下的PI参数作为基于加速度绝对值的变参数PI的比例和积分参数，即：根据步骤2）得到的初始加速度绝对值a_x按照如下公式在每个PI控制周期给定K_p、K_i

$K_{\mathrm{px}}=\frac{K_{p2}-K_{p1}}{a_2-a_1}(a_x-a_1)+K_{p1}$

$K_{\mathrm{ix}}=\frac{K_{i2}-K_{i1}}{a_2-a_1}(a_x-a_1)+K_{i1}$

6）基于加速度绝对值的变参数PI工作原理：当圆筒型容错永磁直线电机动子的速度绝对值小于b时，认为圆筒型容错永磁直线电机动子没有运动，置标志flag=0，基于加速度绝对值的变参数PI不启动；否则置标志flag=1，基于加速度绝对值的变参数PI启动工作，使圆筒型容错永磁直线电机动子速度为零，当速度v=0时，基于加速度绝对值的变参数PI输出置零，且加速度绝对值的变参数PI内相关中间变量清零，所述的加速度绝对值的变参数PI内相关中间变量包括积分器、加法器、减法器；

7）基于加速度绝对值的变参数PI启动后，电机控制器根据基于加速度绝对值的变参数PI输出电磁阻尼力的电流指令信号采用矢量控制策略控制圆筒型容错永磁直线电机运行，提供所需的电磁阻尼力的动静态特性。

采用上述技术方案后，本发明具有以下有益效果：使用该控制方法的电磁阻尼减振装置能够实现电磁阻尼减振，具有馈电功能，且具有可靠性高、驱动效率高、响应速度快、灵敏度高、随机性好、适应性强、控制稳定、结构简单等优点。

附图说明

图1是适用本发明一种馈电型电磁阻尼减振控制方法的车辆悬架用电磁阻尼减振装置的结构示意图。

图2是本发明的驱动控制结构示意图。

图3是本发明的基于加速度绝对值的变参数PI结构示意图。

图中：1、圆筒型容错永磁直线电机；1-1、圆筒型容错永磁直线电机的动子；1-2、圆筒型容错永磁直线电机的定子；2、电机控制器；3、速度传感器；4、蓄电池；5、车架；6、车桥；7、悬架弹簧。

具体实施方式

下面根据说明书附图和具体实施方式对本发明做进一步的解释。

如图1所示，一种车辆悬架用电磁阻尼减振装置，包括圆筒型容错永磁直线电机1、电机控制器2、速度传感器3、蓄电池4、悬架弹簧7和车桥6，所述的圆筒型容错永磁直线电机1包括圆筒型容错永磁直线电机的定子1-2和圆筒型容错永磁直线电机的动子1-1，所述的圆筒型容错永磁直线电机的定子1-2一端安装在车桥6上，所述的圆筒型容错永磁直线电机的动子1-1上套有悬架弹簧7，所述的悬架弹簧7的一端和圆筒型容错永磁直线电机的动子1-1的一端共同安装在车架5上，所述的悬架弹簧7的另一端和圆筒型容错永磁直线电机的定子1-2的另一端固定。

所述的电机控制器2通过导线和圆筒型容错永磁直线电机1、速度传感器3和蓄电池4相连。电机控制器2的a、b、c三相分别和圆筒型容错永磁直线电机1的a、b、c三相通过导线相连（已经在电机控制器2里面的a、b相上安装了电流传感器，母线上安装了电压传感器）；系统中若有机械速度传感器3，则使用导线将速度传感器3的信号线与电机控制器2上的速度传感器3接口相连；若没有机械速度传感器3，则电机控制器2上的速度传感器3接口不接。

所述的电机控制器2主电路的拓扑结构是三相桥式结构，里面的功率管可以是MOSFET、IGBT或者GTR，所述的电机控制器2工作于PWM逆变状态或PWM整流状态。

如图2所示，外环为速度环、内环为电流环矢量控制策略控制圆筒型容错永磁直线电机1运行产生反作用力阻碍悬架的振动达到阻尼的作用且实现馈电。

一种车辆悬架用馈电型电磁阻尼减振控制方法，通过控制圆筒型容错永磁直线电机1的速度为零实现，速度环采用基于加速度绝对值的变参数PI控制方法，步骤包括：

1）电机控制器2根据速度传感器3的信号计算出圆筒型容错永磁直线电机动子1-1运行速度v，根据速度信号v计算出圆筒型容错永磁直线电机动子1-1的加速度a=(v₁-v₂)/t，时间t是每次速度采样的时间间隔；

2）设圆筒型容错永磁直线电机动子1-1的一个最小加速度绝对值c₀=0.3m/s²，监测到的瞬时加速度绝对值c_x，x为正整数，当c_x不大于c₀时，则以a_x=c₀为初始加速度绝对值，否则以a_x=c_x为初始加速度绝对值；当c_x不大于c_x+1时，则以a_x=c_x+1为初始加速度绝对值，否则初始加速度绝对值a_x保持不变直到c_x+n-1小于c_x+n时a_x=c_x+n，当在x和x+n之间一旦出现加速度绝对值不大于c₀，则立即a_x=c₀；

3）确定速度的绝对值b，当圆筒型容错永磁直线电机1在外力作用下运动，且使用三相PWM整流拓扑结构的电机控制器2整流出的最大直流母线电压不小于蓄电池4电压时的圆筒型容错永磁直线电机动子1-1的速度绝对值设为b；

4）确定加速度a₁、a₂，PI比例系数K_p1、K_p2，PI积分系数K_i1、K_i2：当无控制时悬架振动幅值为0.5cm，设该情况下圆筒型容错永磁直线电机动子1-1的初始加速度为a₁，使用电磁阻尼控制方法后，通过实验调试PI参数使悬架阻尼系数为0.3，设此时的PI参数为K_p1、K_i1；当无控制时悬架振动幅值为6cm，设该情况下圆筒型容错永磁直线电机动子1-1的初始加速度为a₂，使用电磁阻尼控制方法后，通过实验调试PI参数使悬架阻尼系数为2.0，设此时的PI参数为K_p2、K_i2；

5）确定基于加速度绝对值的变参数PI的比例和积分参数：如图3所示，由步骤4）在两种极端情况下通过实验获得PI的K_p1、K_i1、K_p2、K_i2，使用线性拟合方法求得在这两种情况之间的任

一种情况下的PI的比例和积分参数，即：根据步骤2）得到的初始加速度绝对值a_x按照如下公式在每个PI控制周期给定K_p、K_i

$K_{\mathrm{px}}=\frac{K_{p2}-K_{p1}}{a_2-a_1}(a_x-a_1)+K_{p1}$

$K_{\mathrm{ix}}=\frac{K_{i2}-K_{i1}}{a_2-a_1}(a_x-a_1)+K_{i1}$

6）基于加速度绝对值的变参数PI工作原理：当圆筒型容错永磁直线电机动子1-1的速度绝对值小于b时，认为圆筒型容错永磁直线电机动子1-1没有运动，置标志flag=0，基于加速度绝对值的变参数PI不启动；否则置标志flag=1，基于加速度绝对值的变参数PI启动工作，使圆筒型容错永磁直线电机动子1-1速度为零，当速度v=0时，基于加速度绝对值的变参数PI输出置零，且加速度绝对值的变参数PI内相关中间变量清零，所述的加速度绝对值的变参数PI内相关中间变量包括积分器、加法器、减法器；

7）基于加速度绝对值的变参数PI启动后，电机控制器2根据基于加速度绝对值的变参数PI输出电磁阻尼力的电流指令信号采用矢量控制策略控制圆筒型容错永磁直线电机1运行，提供所需的电磁阻尼力的动静态特性。

本发明是根据圆筒型容错永磁直线电机1运行的初始加速度绝对值信号使用基于加速度绝对值的变参数PI控制圆筒型容错永磁直线电机1来实现改变电磁阻尼系数。若初始加速度绝对值大，则阻尼系数大，悬架就比较硬；若初始加速度绝对值小，则阻尼系数小，悬架就比较软，舒适性好。

所述的基于加速度绝对值的变参数PI的比例参数K_p随初始加速度信号绝对值的增大而增大，随初始加速度信号绝对值的减小而减小，积分系数K_i随初始速度信号绝对值的增大而减小，随初始加速度信号绝对值的减小而增大。

Claims (1)

1.一种车辆悬架用馈电型电磁阻尼减振控制方法，其特征在于通过控制圆筒型容错永磁直线电机的速度为零实现，速度环采用基于加速度绝对值的变参数PI控制方法，其特征在于步骤包括：

1）电机控制器根据速度传感器的信号计算出圆筒型容错永磁直线电机动子运行速度v，根据速度信号v计算出圆筒型容错永磁直线电机动子的加速度a=(v₁-v₂)/t，时间t是每次速度采样的时间间隔；

2）设圆筒型容错永磁直线电机动子的一个最小加速度绝对值c₀=0.3m/s²，监测到的瞬时加速度绝对值c_x，x为正整数，当c_x不大于c₀时，则以a_x=c₀为初始加速度绝对值，否则以a_x=c_x为初始加速度绝对值；当c_x不大于c_x+1时，则以a_x=c_x+1为初始加速度绝对值，否则初始加速度绝对值a_x保持不变直到c_x+n-1小于c_x+n时a_x=c_x+n，当在x和x+n之间一旦出现加速度绝对值不大于c₀，则立即a_x=c₀；

3）确定速度的绝对值b，当圆筒型容错永磁直线电机在外力作用下运动，且使用三相PWM整流拓扑结构的电机控制器整流出的最大直流母线电压不小于蓄电池电压时的圆筒型容错永磁直线电机动子的速度绝对值设为b；

4）确定加速度a₁、a₂，PI比例系数K_p1、K_p2，PI积分系数K_i1、K_i2：当无控制时悬架振动幅值为0.5cm，设该情况下圆筒型容错永磁直线电机动子的初始加速度为a₁，使用电磁阻尼控制方法后，通过实验调试PI参数使悬架阻尼系数为0.3，设此时的PI参数为K_p1、K_i1；当无控制时悬架振动幅值为6cm，设该情况下圆筒型容错永磁直线电机动子的初始加速度为a₂，使用电磁阻尼控制方法后，通过实验调试PI参数使悬架阻尼系数为2.0，设此时的PI参数为K_p2、K_i2；

5）确定基于加速度绝对值的变参数PI的比例和积分参数：由步骤4）在两种极端情况下通过实验获得PI的K_p1、K_i1、K_p2、K_i2，使用线性拟合方法求得在这两种情况之间的任一种情况下的PI参数作为基于加速度绝对值的变参数PI的比例和积分参数，即：根据步骤2）得到的初始加速度绝对值a_x按照如下公式在每个PI控制周期给定K_p、K_i

$K_{\mathrm{px}}=\frac{K_{p2}-K_{p1}}{a_2-a_1}(a_x-a_1)+K_{p1}$

$K_{\mathrm{ix}}=\frac{K_{i2}-K_{i1}}{a_2-a_1}(a_x-a_1)+K_{i1};$

6）基于加速度绝对值的变参数PI工作原理：当圆筒型容错永磁直线电机动子的速度绝对值小于b时，认为圆筒型容错永磁直线电机动子没有运动，置标志flag=0，基于加速度绝对值的变参数PI不启动；否则置标志flag=1，基于加速度绝对值的变参数PI启动工作，使圆筒型容错永磁直线电机动子速度为零，当速度v=0时，基于加速度绝对值的变参数PI输出置零，且基于加速度绝对值的变参数PI内相关中间变量清零，所述的基于加速度绝对值的变参数PI内相关中间变量包括积分器、加法器、减法器；

7）基于加速度绝对值的变参数PI启动后，电机控制器根据基于加速度绝对值的变参数PI输出电磁阻尼力的电流指令信号采用矢量控制策略控制圆筒型容错永磁直线电机运行，提供所需的电磁阻尼力的动静态特性。

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