CN105172512B - 面向节能的汽车主动悬架系统的自供能控制方法 - Google Patents

Abstract

面向节能的汽车主动悬架系统的自供能控制方法，涉及汽车主动悬架系统的节能控制领域。解决了主动悬架系统能耗大的问题。根据主动悬架系统的性能指标要求，设计主动悬架系统的反馈控制器；基于电机所处状态和电源的充放电情况，将电机分为3个工作区域；由自供能判别条件，判别主动悬架系统是否能够实现自供能；若是，则计算模式变量γ，通过γ值判断出电机的工作区域和悬架所处的工作模式；根据悬架工作模式，为每一种悬架工作模式设计对应的工作电路，根据每种悬架工作模式下电机回路中可变电阻R_var与期望电流i^*之间的关系，切换相应的工作电路完成悬架工作模式之间的切换和电流流动方向的改变，从而实现自供能控制。本发明适用于其他场合的自供能控制。

Description

面向节能的汽车主动悬架系统的自供能控制方法

技术领域

本发明涉及汽车主动悬架系统的节能控制领域。

背景技术

汽车主动悬架系统采用执行器和控制算法，能够根据不同的路面情况主动产生作用力，具有良好的减振效果。但由于主动悬架系统采用了执行器、大量的传感器、输入输出电路，使其存在成本高、能耗大、设计复杂、可靠性低等问题，限制了汽车主动悬架系统的实际应用。为了降低主动悬架系统的能耗，需要对主动悬架系统进行节能控制。

若主动悬架系统采用电机作为执行器，当汽车受到路面扰动时，由不平路面产生的振动能量以热能的形式耗散了，造成了浪费，如何有效利用这部分能量去驱动主动悬架系统实现节能是近年来研究的热点。

发明内容

本发明为了解决主动悬架系统能耗大的问题，也是为了解决如何回收再利用主动悬架系统采用主动控制时由于路面不平产生的热能的问题。提出了面向节能的汽车主动悬架系统的自供能控制方法。

面向节能的汽车主动悬架系统的自供能控制方法，它包括下述步骤：

步骤一、根据主动悬架系统的性能指标要求，设计主动悬架系统的反馈控制器；

步骤二、基于电机所处状态和电源的充放电情况，将主动悬架系统中的电机分为3个工作区域，3个工作区域分别为：

区域一：电机处于电动机状态，消耗电能，电源耗电；区域二：电机处于发电机状态，产生电能，电源耗电；区域三：电机处于发电机状态，产生电能，电源充电；

步骤三、由自供能判别条件，判别主动悬架系统是否能够实现自供能，该判别方法如下：

计算电源的平均能量消耗其表达式为

式中，G₀(ω)是路面输入的功率谱密度函数，e_s(ω)为功率传递函数，e_s(ω)的表达式为：

e_s(ω)＝R|G_i(jω)|²+k_i|G_v(jω)||G_i(jω)|cos(φ_v(ω)-φ_i(ω)) (2)

其中，G_i(jω)为电枢电流i的频率特性；G_v(jω)为悬架相对运动速度v的频率特性；φ_i(ω)为G_i(jω)对应的相角；φ_v(ω)为G_v(jω)对应的相角；

当G₀(ω)＝1时，即路面输入是强度为1的白噪声，式(1)可化为

若则主动悬架系统能够实现自供能，执行步骤四；若则主动悬架系统无法能够实现自供能，执行步骤一；

步骤四、计算模式变量γ，通过γ值判断出电机的工作区域和悬架所处的工作模式，其过程如下：

定义γ为电机工作区域的模式变量，

式中，i为电枢电流，v为悬架的相对运动速度，R为电机电阻；k_i为电磁力参数；

电枢电流i在理想条件下为期望电流i^*，此时，

γ的取值范围与其对应的电机的工作区域、主动悬架系统工作模式归纳在表格1中：

表格1γ与电机的工作区域、主动悬架系统工作模式的对应关系

步骤五、根据步骤四判断出的悬架工作模式，为每一种悬架工作模式设计对应的工作电路，根据每种悬架工作模式下电机回路中可变电阻R_var与期望电流i^*之间的关系，切换相应的工作电路完成悬架工作模式之间的切换和电流流动方向的改变，从而实现自供能控制。

步骤四中，悬架的工作模式的判断是根据位移传感器的测量值计算出的悬架的相对速度v和期望电流i^*计算出γ，从而判断出悬架的工作模式。

步骤二中的电机的输出功率为P_a，电源的输出功率为P_s；

电机的工作区域一中P_a>0，电机处于电动机状态，消耗电能，P_s>0，电源耗电；

电机的工作区域二中P_a<0，电机处于发电机状态，回收路面的机械能，P_s>0，电源耗电；

电机的工作区域三中P_a<0，电机处于发电机状态，P_s<0，电源充电，具备将路面输入的能量回收再利用的前提条件。

步骤五中根据每种悬架工作模式下电机回路中可变电阻R_var与期望电流i^*之间的关系，切换相应的工作电路完成悬架工作模式之间的切换和电流流动方向的改变，从而实现自供能控制，其中，主动悬架系统处于驾驶模式时，过程如下：

根据步骤四，当γ≥0时，电机工作在区域一，主动悬架系统处于驾驶模式，则此时电枢电流i为：

电枢电流i在理想条件下为期望电流i^*，此时，期望电流i^*的表达式为：

式中，R为电机电阻，k_i为电磁力参数；e_c为储能电容电压，是标量；σ为标识e_c方向的符号变量：

对式(5)进行变换得到驾驶模式时可变电阻R_var与期望电流i^*之间的关系式：

当R_var>0，e_c>k_i|v|时，设计与主动悬架系统处于驾驶模式相对应的工作电路，该工作电路包括供能电路和储能电路，并将该工作电路接入电机回路中，此时电机工作；

当R_var<0，且e_c<k_i|v|时，切断与主动悬架系统处于驾驶模式相对应的工作电路，此时电机无法构成回路，电机停止工作。

当R_var＝0且e_c<k_i|v|时，切断与主动悬架系统处于驾驶模式相对应的工作电路，此时电机无法构成回路，电机停止工作。

主动悬架系统处于制动模式时，过程如下：

根据步骤四，当γ≤-1时，电机工作在区域二，主动悬架系统处于制动模式，则此时电枢电流i为：

电枢电流i在理想条件下为期望电流i^*，此时，期望电流i^*的表达式为：

对式(8)进行变换得到制动模式时可变电阻R_var与期望电流i^*之间的关系式：

当R_var>0，e_c≥0时，设计与主动悬架系统处于驾驶模式相对应的工作电路，该工作电路包括供能电路和储能电路，并将该工作电路接入电机回路中，此时电机工作；

当R_var<0，e_c<0时，切断与主动悬架系统处于驾驶模式相对应的工作电路，并将电机两端短路；

当R_var＝0，e_c<0时，切断与主动悬架系统处于驾驶模式相对应的工作电路，并将电机两端短路。

主动悬架系统处于馈能模式时，过程如下：

根据步骤四，当-1<γ<0，电机工作在区域三，主动悬架系统处于馈能模式，则此时电枢电流i为：

电枢电流i在理想条件下为期望电流i^*，此时，期望电流i^*的表达式为：

对式(10)进行变换得到馈能模式时可变电阻R_var与期望电流i^*之间的关系式：

当R_var>0，e_c>k_i|v|时，设计与主动悬架系统处于驾驶模式相对应的工作电路，该工作电路包括供能电路和储能电路，并将该工作电路接入电机回路中，此时电机工作；

当R_var<0，e_c<0时，切断与主动悬架系统处于驾驶模式相对应的工作电路，并将电机两端短路，此时，可变电阻阻值R_var为：

电机等效为一个阻尼器；

当R_var＝0，将与主动悬架系统处于驾驶模式相对应的工作电路接入电机回路中，此时电机工作。

本发明所述的面向节能的汽车主动悬架系统的自供能控制方法，涉主要包括控制器设计，自供能控制的判别条件，能量分析，自供能控制的流程与电路设计的方法。主动悬架系统的执行机构选为电机，当路面扰动速度较大时，电机工作在发电机状态，根据电磁感应定律，机械能转化为电能，作为回收再利用的能量。

有益效果：当主动悬架系统的执行电机工作在区域三即悬架处于模式三时，将发电机产生的能量加以存储，并为模式一、模式二中的电机提供能量，实现主动悬架系统的自供能，主动悬架无需额外的能量驱动电机，解决了主动悬架系统能耗大的问题。本发明适用于其他场合的自供能控制。

附图说明

图1为直流直线电机电枢回路示意图；

图2为电机工作区域一的坐标图；

图3为电机工作区域二的坐标图；

图4为电机工作区域三的坐标图；

图5为自供能主动悬架系统的电机工作电路图；

图6为具体实施方式四和七提出的悬架工作在驾驶模式电机反电动势e_c>k_i|v|，v>0时的电机工作电路图；

图7为具体实施方式四和七提出的悬架工作在驾驶模式电机反电动势e_c<k_i|v|，v>0时的电机工作电路图；

图8为具体实施方式五和七提出的悬架工作在制动模式电容电压e_c≥0，v>0电机工作电路图；

图9为具体实施方式四和七提出的悬架工作在驾驶模式电机反电动势e_c<k_i|v|，v>0时的电机工作电路图，也是具体实施方式六和七提出的悬架工作在馈能模式可变电阻R_var<0，v>0时的电机工作电路图；

图10为具体实施方式六和七提出的悬架工作在馈能模式可变电阻R_var＝0时的电机工作电路图；

图11为本发明所述的面向节能的汽车主动悬架系统的自供能控制方法的流程图；

图12为实施例一提出的二自由度四分之一悬架系统的结构示意图；

图13为实施例二提出的主动悬架系统自供能前后车身加速度的时域响应对比曲线；

图14为实施例二提出的主动悬架系统自供能前后悬架动行程的时域响应对比曲线；

图15为实施例二提出的主动悬架系统自供能前后轮胎动载荷的时域响应对比曲线；

图16为实施例二提出的主动悬架系统自供能前后电机主动控制力的时域响应对比曲线。

具体实施方式

具体实施方式一、参照图1具体说明本实施方式，本实施方式所述的面向节能的汽车主动悬架系统的自供能控制方法，它包括下述步骤：

步骤一、根据主动悬架系统的性能指标要求，设计主动悬架系统的反馈控制器；

步骤二、基于电机所处状态和电源的充放电情况，将主动悬架系统中的电机分为3个工作区域，3个工作区域分别为：

区域一：电机处于电动机状态，消耗电能，电源耗电；区域二：电机处于发电机状态，产生电能，电源耗电；区域三：电机处于发电机状态，产生电能，电源充电；

步骤三、由自供能判别条件，判别主动悬架系统是否能够实现自供能，该判别方法如下：

计算电源的平均能量消耗其表达式为

式中，G₀(ω)是路面输入的功率谱密度函数，e_s(ω)为功率传递函数，e_s(ω)的表达式为：

e_s(ω)＝R|G_i(jω)|²+k_i|G_v(jω)||G_i(jω)|cos(φ_v(ω)-φ_i(ω)) (2)

其中，G_i(jω)为电枢电流i的频率特性；G_v(jω)为悬架相对运动速度v的频率特性；φ_i(ω)为G_i(jω)对应的相角；φ_v(ω)为G_v(jω)对应的相角；

当G₀(ω)＝1时，即路面输入是强度为1的白噪声，式(1)可化为

若则主动悬架系统能够实现自供能，执行步骤四；若则主动悬架系统无法能够实现自供能，执行步骤一；

步骤四、计算模式变量γ，通过γ值判断出电机的工作区域和悬架所处的工作模式，其过程如下：

定义γ为电机工作区域的模式变量，

式中，i为电枢电流，v为悬架的相对运动速度，R为电机电阻；k_i为电磁力参数；

电枢电流i在理想条件下为期望电流i^*，此时，

γ的取值范围与其对应的电机的工作区域、主动悬架系统工作模式归纳在表格1中：

表格2γ与电机的工作区域、主动悬架系统工作模式的对应关系

步骤五、根据步骤四判断出的悬架工作模式，为每一种悬架工作模式设计对应的工作电路，根据每种悬架工作模式下电机回路中可变电阻R_var与期望电流i^*之间的关系，切换相应的工作电路完成悬架工作模式之间的切换和电流流动方向的改变，从而实现自供能控制。

本发明涉及汽车主动悬架系统的节能控制领域，特别涉及主动悬架系统的自供能控制方法，主要包括控制器设计，自供能控制的判别条件，能量分析，自供能控制的流程与电路设计的方法。本发明主要目的是解决主动悬架系统能耗大的问题。该方法通过1、设计主动控制器；2、划分执行电机工作区域；3、依据自供能控制的判别条件，判断悬架可实现自供能；4、计算模式变量γ，通过γ值可以判断出电机的工作区域和悬架所处的工作模式；5、根据悬架的工作模式切换相应的工作电路进行自供能控制。本发明实现了自供能的悬架，无需额外的能量驱动电机，解决了主动悬架系统能耗大的问题。

具体实施方式二、本实施方式是对实施方式一所述的面向节能的汽车主动悬架系统的自供能控制方法的进一步说明，本实施方式的步骤四中，悬架的工作模式的判断是根据位移传感器的测量值计算出的悬架的相对速度v和期望电流i^*计算出γ，从而判断出悬架的工作模式。

具体实施方式三、本实施方式是对实施方式一所述的面向节能的汽车主动悬架系统的自供能控制方法的进一步说明，本实施方式的步骤二中的电机的输出功率为P_a，电源的输出功率为P_s；

电机的工作区域一中P_a>0，电机处于电动机状态，消耗电能，P_s>0，电源耗电；

电机的工作区域二中P_a<0，电机处于发电机状态，回收路面的机械能，P_s>0，电源耗电；

电机的工作区域三中P_a<0，电机处于发电机状态，P_s<0，电源充电，具备将路面输入的能量回收再利用的前提条件。

具体实施方式四、本实施方式是对实施方式一所述的面向节能的汽车主动悬架系统的自供能控制方法的进一步说明，本实施方式中，

步骤五中根据每种悬架工作模式下电机回路中可变电阻R_var与期望电流i^*之间的关系，切换相应的工作电路完成悬架工作模式之间的切换和电流流动方向的改变，从而实现自供能控制，其中，主动悬架系统处于驾驶模式时，过程如下：

根据步骤四，当γ≥0时，电机工作在区域一，主动悬架系统处于驾驶模式，则此时电枢电流i为：

电枢电流i在理想条件下为期望电流i^*，此时，期望电流i^*的表达式为：

式中，R为电机电阻，k_i为电磁力参数；e_c为储能电容电压，是标量；σ为标识e_c方向的符号变量：

对式(5)进行变换得到驾驶模式时可变电阻R_var与期望电流i^*之间的关系式：

当R_var>0，e_c>k_i|v|时，设计与主动悬架系统处于驾驶模式相对应的工作电路，该工作电路包括供能电路和储能电路，并将该工作电路接入电机回路中，此时电机工作；

当R_var<0，且e_c<k_i|v|时，切断与主动悬架系统处于驾驶模式相对应的工作电路，此时电机无法构成回路，电机停止工作。

当R_var＝0且e_c<k_i|v|时，切断与主动悬架系统处于驾驶模式相对应的工作电路，此时电机无法构成回路，电机停止工作。

具体实施方式五、本实施方式是对实施方式一所述的面向节能的汽车主动悬架系统的自供能控制方法的进一步说明，本实施方式中，

步骤五中根据每种悬架工作模式下电机回路中可变电阻R_var与期望电流i^*之间的关系，切换相应的工作电路完成悬架工作模式之间的切换和电流流动方向的改变，从而实现自供能控制，其中，主动悬架系统处于制动模式时，过程如下：

根据步骤四，当γ≤-1时，电机工作在区域二，主动悬架系统处于制动模式，则此时电枢电流i为：：

电枢电流i在理想条件下为期望电流i^*，此时，期望电流i^*的表达式为：

对式(8)进行变换得到制动模式时可变电阻R_var与期望电流i^*之间的关系式：

当R_var>0，e_c≥0时，设计与主动悬架系统处于驾驶模式相对应的工作电路，该工作电路包括供能电路和储能电路，并将该工作电路接入电机回路中，此时电机工作；

当R_var<0，e_c<0时，切断与主动悬架系统处于驾驶模式相对应的工作电路，并将电机两端短路；

当R_var＝0，e_c<0时，切断与主动悬架系统处于驾驶模式相对应的工作电路，并将电机两端短路。

具体实施方式六、本实施方式是对实施方式一所述的面向节能的汽车主动悬架系统的自供能控制方法的进一步说明，本实施方式中，

步骤五中根据每种悬架工作模式下电机回路中可变电阻R_var与期望电流i^*之间的关系，切换相应的工作电路完成悬架工作模式之间的切换和电流流动方向的改变，从而实现自供能控制，其中，主动悬架系统处于馈能模式时，过程如下：

根据步骤四，当-1<γ<0，电机工作在区域三，主动悬架系统处于馈能模式，则此时电枢电流i为：

电枢电流i在理想条件下为期望电流i^*，此时，期望电流i^*的表达式为：

对式(10)进行变换得到馈能模式时可变电阻R_var与期望电流i^*之间的关系式：

当R_var>0，e_c>k_i|v|时，设计与主动悬架系统处于驾驶模式相对应的工作电路，该工作电路包括供能电路和储能电路，并将该工作电路接入电机回路中，此时电机工作；

当R_var<0，e_c<0时，切断与主动悬架系统处于驾驶模式相对应的工作电路，并将电机两端短路，此时，可变电阻阻值R_var为：

电机等效为一个阻尼器；

当R_var＝0，将与主动悬架系统处于驾驶模式相对应的工作电路接入电机回路中，此时电机工作。

具体实施方式七、结合附图1至12说明本实施例一：

一种面向节能的汽车主动悬架系统的自供能控制方法，它包括下述步骤：

步骤一、选取二自由度四分之一主动悬架系统建立数学模型，利用线性矩阵不等式方法给出H_∞状态反馈控制器增益；

步骤二、电机电枢回路如图1所示，图中，U_s为供电电源电压，L为电机电感，R为电机电阻，i为电枢电流，E为电机的反电动势，电机的输出功率为P_a，有

P_a＝-E·i＝k_E·v·i (a)

其中，k_E为电机的反电动势系数，v为悬架的相对运动速度；

电源的输出功率P_s的表达式为

P_s＝U_s·i＝R·i²+k_E·v·i (b)

电机的工作区域一如图2中的黑色区域所示，P_a>0，电机处于电动机状态，消耗电能，P_s>0，电源耗电；

电机的工作区域二如图3中的黑色区域所示，P_a<0，电机处于发电机状态，回收路面的机械能，P_s>0，电源耗电；

电机的工作区域三如图4中的黑色区域所示，P_a<0，电机处于发电机状态，P_s<0，电源充电，具备将路面输入的能量回收再利用的前提条件；；

步骤三、按照公式计算电源的平均能量消耗若则此时，电源存储的能量大于等于消耗的能量，此时，若把电源替换为电容，则能实现主动悬架系统的自供能，反之无法实现主动悬架系统的自供能；

步骤四、根据公式计算出模式变量γ，依据表格2中的对应关系，判断悬架的工作状态；

表格2γ与电机的工作区域、主动悬架系统工作模式的对应关系

步骤五、自供能主动悬架系统的电机工作电路图如图5所示，R_var为可变电阻，可变电阻的大小由计算机控制，以跟踪期望电流i^*，电容C在电路中存储并提供电能，代替主动悬架中的电源，开关S为控制回路通断的总开关，A、B两组开关为可控开关。

A组开关为可控开关S_A1、S_A2和S_A3；B组开关为可控开关S_B1、S_B2和S_B3。

步骤五中根据每种悬架工作模式下电机回路中可变电阻R_var与期望电流i^*之间的关系，切换相应的工作电路完成悬架工作模式之间的切换和电流流动方向的改变，从而实现自供能控制，其中，主动悬架系统处于驾驶模式时，过程如下：

根据步骤四，当γ≥0时，电机工作在区域一，主动悬架系统处于驾驶模式，则此时电枢电流i为：

电枢电流i在理想条件下为期望电流i^*，此时，期望电流i^*的表达式为：

式中，R为电机电阻，k_i为电磁力参数；e_c为储能电容电压，是标量；σ为标识e_c方向的符号变量：

对式(5)进行变换得到驾驶模式时可变电阻R_var与期望电流i^*之间的关系式：

当R_var>0，e_c>k_i|v|时，设计与主动悬架系统处于驾驶模式相对应的工作电路，该工作电路包括供能电路和储能电路，并将该工作电路接入电机回路中，此时电机工作；电路工作电路图如图6所示；

当R_var<0，且e_c<k_i|v|时，切断与主动悬架系统处于驾驶模式相对应的工作电路，此时电机无法构成回路，电机停止工作。B组开关闭合S_B2，S_B4。

当R_var＝0且e_c<k_i|v|时，切断与主动悬架系统处于驾驶模式相对应的工作电路，此时电机无法构成回路，电机停止工作，此时电机的工作电路如图7所示。

步骤五中根据每种悬架工作模式下电机回路中可变电阻R_var与期望电流i^*之间的关系，切换相应的工作电路完成悬架工作模式之间的切换和电流流动方向的改变，从而实现自供能控制，其中，主动悬架系统处于制动模式时，过程如下：

根据步骤四，当γ≤-1时，电机工作在区域二，主动悬架系统处于制动模式，则此时电枢电流i为：：

电枢电流i在理想条件下为期望电流i^*，此时，期望电流i^*的表达式为：

对式(8)进行变换得到制动模式时可变电阻R_var与期望电流i^*之间的关系式：

当R_var>0，e_c≥0时，设计与主动悬架系统处于驾驶模式相对应的工作电路，该工作电路包括供能电路和储能电路，并将该工作电路接入电机回路中，此时电机工作；此时，电机工作电路连接状态如图8所示；

当R_var<0，e_c<0，e_c<k_i|v|时，切断与主动悬架系统处于驾驶模式相对应的工作电路，并将电机两端短路；此时电路图如图9所示；

当R_var＝0，e_c<0，e_c<k_i|v|时，切断与主动悬架系统处于驾驶模式相对应的工作电路，并将电机两端短路，此时电路图如图9所示。

步骤五中根据每种悬架工作模式下电机回路中可变电阻R_var与期望电流i^*之间的关系，切换相应的工作电路完成悬架工作模式之间的切换和电流流动方向的改变，从而实现自供能控制，其中，主动悬架系统处于馈能模式时，过程如下：

根据步骤四，当-1<γ<0，电机工作在区域三，主动悬架系统处于馈能模式，则此时电枢电流i为：

电枢电流i在理想条件下为期望电流i^*，此时，期望电流i^*的表达式为：

对式(10)进行变换得到馈能模式时可变电阻R_var与期望电流i^*之间的关系式：

当R_var>0，e_c>k_i|v|时，设计与主动悬架系统处于驾驶模式相对应的工作电路，该工作电路包括供能电路和储能电路，并将该工作电路接入电机回路中，此时电机工作；

当R_var<0，e_c<0时，切断与主动悬架系统处于驾驶模式相对应的工作电路，并将电机两端短路，此时，可变电阻阻值R_var为：

电机等效为一个阻尼器；此时，电机工作电路图如图9所示；

当R_var＝0，将与主动悬架系统处于驾驶模式相对应的工作电路接入电机回路中，此时电机工作，此时电机工作电路图如图10所示。

具体实施方式八、结合图13至图16说明本实施例二，本实施例中的悬架结构模型，悬架系统参数取值在表格3中：

表格3悬架系统参数

当路面输入信号为白噪声形式时，路面扰动速度的功率谱密度表达式为

路面等级为C级，即G_q(n₀)＝256×10^-6m³，车速V＝12.5m/s＝45km/h。

步骤一、状态反馈H_∞控制器增益K＝[72.7409 546.4767 -26.7426 11.3538]；

步骤二、将主动悬架系统中的执行器电机分为3个工作区域，区域一：电机处于电动机状态，电源耗电，区域二：电机处于发电机状态，电源耗电，区域三：电机处于发电机状态，产生电能，电源充电；

步骤三、计算电源的平均能量消耗，可实现自供能；

步骤四、根据公式计算模式变量γ，依据表格1中的对应关系，判断悬架的工作状态；

步骤五、不同的悬架工作模式对应不同的电机电路图，切换工作电路进行自供能控制，其性能指标与直接进行主动控制相比如图13至图16所示。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明专利的保护范围内。

Claims (6)

1.面向节能的汽车主动悬架系统的自供能控制方法，其特征在于，它包括下述步骤：

步骤一、根据主动悬架系统的性能指标要求，设计主动悬架系统的反馈控制器；

步骤二、基于电机所处状态和电源的充放电情况，将主动悬架系统中的电机分为3个工作区域，3个工作区域分别为：

区域一：电机处于电动机状态，消耗电能，电源耗电；区域二：电机处于发电机状态，产生电能，电源耗电；区域三：电机处于发电机状态，产生电能，电源充电；

步骤三、由自供能判别条件，判别主动悬架系统是否能够实现自供能，判别方法如下：

计算电源的平均能量消耗其表达式为

${\stackrel{\&OverBar;}{E}}_s=\frac{1}{\mathrm{\&pi;}}{\&Integral;}_0^{\mathrm{\&infin;}}{e}_s\left(\mathrm{\&omega;}\right)G_0\left(\mathrm{\&omega;}\right)d\mathrm{\&omega;}---\left(1\right)$

式中，G₀(ω)是路面输入的功率谱密度函数，e_s(ω)为功率传递函数，e_s(ω)的表达式为：

e_s(ω)＝R|G_i(jω)|²+k_i|G_v(jω)||G_i(jω)|cos(φ_v(ω)-φ_i(ω)) (2)

其中，G_i(jω)为电枢电流i的频率特性；G_v(jω)为悬架相对运动速度v的频率特性；φ_i(ω)为G_i(jω)对应的相角；φ_v(ω)为G_v(jω)对应的相角，k_i为电磁力参数；

当G₀(ω)＝1时，即路面输入是强度为1的白噪声，式(1)可化为

${\stackrel{\&OverBar;}{E}}_s=\frac{1}{\mathrm{\&pi;}}{\&Integral;}_0^{\mathrm{\&infin;}}{e}_s\left(\mathrm{\&omega;}\right)d\mathrm{\&omega;}---\left(3\right)$

若则主动悬架系统能够实现自供能，执行步骤四；若则主动悬架系统无法能够实现自供能，执行步骤一；

步骤四、计算模式变量γ，通过γ值判断出电机的工作区域和悬架所处的工作模式，其过程如下：

定义γ为电机工作区域的模式变量，

$\mathrm{\&gamma;}=\frac{R}{k_i}\&CenterDot;\frac{i}{v}(v\&NotEqual;0)---\left(4\right)$

式中，i为电枢电流，v为悬架的相对运动速度，R为电机电阻；k_i为电磁力参数；

电枢电流i在理想条件下为期望电流i^*，此时，

所述工作模式分为驾驶模式、制动模式和馈能模式；

当γ≥0时，电机的工作区域为区域一，主动悬架系统处于驾驶模式；

当γ≤-1时，电机的工作区域为区域二，主动悬架系统处于制动模式；

当-1<γ<0时，电机的工作区域为区域三，主动悬架系统处于馈能模式；

步骤五、根据步骤四判断出的悬架工作模式，为每一种悬架工作模式设计对应的工作电路，根据每种悬架工作模式下电机回路中可变电阻R_var与期望电流i^*之间的关系，切换相应的工作电路完成悬架工作模式之间的切换和电流流动方向的改变，从而实现自供能控制。

2.根据权利要求1所述的面向节能的汽车主动悬架系统的自供能控制方法，其特征在于，步骤四中，悬架的工作模式的判断是根据位移传感器的测量值计算出的悬架的相对速度v和期望电流i^*计算出γ，从而判断出悬架的工作模式。

3.根据权利要求1所述的面向节能的汽车主动悬架系统的自供能控制方法，其特征在于，步骤二中的电机的输出功率为P_a，电源的输出功率为P_s；

电机的工作区域一中P_a>0，电机处于电动机状态，消耗电能，P_s>0，电源耗电；

电机的工作区域二中P_a<0，电机处于发电机状态，回收路面的机械能，P_s>0，电源耗电；

电机的工作区域三中P_a<0，电机处于发电机状态，P_s<0，电源充电，具备将路面输入的能量回收再利用的前提条件。

4.根据权利要求1所述的面向节能的汽车主动悬架系统的自供能控制方法，其特征在于，

步骤五中根据每种悬架工作模式下电机回路中可变电阻R_var与期望电流i^*之间的关系，切换相应的工作电路完成悬架工作模式之间的切换和电流流动方向的改变，从而实现自供能控制，其中，主动悬架系统处于驾驶模式时，过程如下：

根据步骤四，当γ≥0时，电机工作在区域一，主动悬架系统处于驾驶模式，则此时电枢电流i为：

$i=\frac{{\mathrm{\&sigma;e}}_c-k_{i}v}{(R+R_{\mathrm{var}})}$

电枢电流i在理想条件下为期望电流i^*，此时，期望电流i^*的表达式为：

$i^{*}=\frac{{\mathrm{\&sigma;e}}_c-k_{i}v}{(R+R_{\mathrm{var}})}---\left(5\right)$

式中，R为电机电阻，k_i为电磁力参数；e_c为储能电容电压，是标量；σ为标识e_c方向的符号变量：

$\mathrm{\&sigma;}=\left\{\begin{array}{cc}-1& v>0\\ 1& v<0\end{array}\right.---\left(6\right)$

对式(5)进行变换得到驾驶模式时可变电阻R_var与期望电流i^*之间的关系式：

$R_{\mathrm{var}}=\frac{1}{i^{*}}({\mathrm{\&sigma;e}}_c-k_{i}v)-R---\left(7\right)$

当R_var>0，e_c>k_i|v|时，设计与主动悬架系统处于驾驶模式相对应的工作电路，该工作电路包括供能电路和储能电路，并将该工作电路接入电机回路中，此时电机工作；

当R_var<0，且e_c<k_i|v|时，切断与主动悬架系统处于驾驶模式相对应的工作电路，此时电机无法构成回路，电机停止工作；

当R_var＝0且e_c<k_i|v|时，切断与主动悬架系统处于驾驶模式相对应的工作电路，此时电机无法构成回路，电机停止工作。

5.根据权利要求4所述的面向节能的汽车主动悬架系统的自供能控制方法，其特征在于，

步骤五中根据每种悬架工作模式下电机回路中可变电阻R_var与期望电流i^*之间的关系，切换相应的工作电路完成悬架工作模式之间的切换和电流流动方向的改变，从而实现自供能控制，其中，主动悬架系统处于制动模式时，过程如下：

根据步骤四，当γ≤-1时，电机工作在区域二，主动悬架系统处于制动模式，则此时电枢电流i为：

$i=\frac{-{\mathrm{\&sigma;e}}_c-k_{i}v}{R+R_{\mathrm{var}}}$

电枢电流i在理想条件下为期望电流i^*，此时，期望电流i^*的表达式为：

$i^{*}=\frac{-{\mathrm{\&sigma;e}}_c-k_{i}v}{R+R_{\mathrm{var}}}---\left(8\right)$

对式(8)进行变换得到制动模式时可变电阻R_var与期望电流i^*之间的关系式：

$R_{\mathrm{var}}=\frac{1}{i^{*}}(-{\mathrm{\&sigma;e}}_c-k_{i}v)-R---\left(9\right)$

当R_var>0，e_c≥0时，设计与主动悬架系统处于驾驶模式相对应的工作电路，该工作电路包括供能电路和储能电路，并将该工作电路接入电机回路中，此时电机工作；

当R_var<0，e_c<0时，切断与主动悬架系统处于驾驶模式相对应的工作电路，并将电机两端短路；

当R_var＝0，e_c<0时，切断与主动悬架系统处于驾驶模式相对应的工作电路，并将电机两端短路。

6.根据权利要求4所述的面向节能的汽车主动悬架系统的自供能控制方法，其特征在于，

步骤五中根据每种悬架工作模式下电机回路中可变电阻R_var与期望电流i^*之间的关系，切换相应的工作电路完成悬架工作模式之间的切换和电流流动方向的改变，从而实现自供能控制，其中，主动悬架系统处于馈能模式时，过程如下：

根据步骤四，当-1<γ<0，电机工作在区域三，主动悬架系统处于馈能模式，则此时电枢电流i为：

$i=\frac{{\mathrm{\&sigma;e}}_c-k_{i}v}{R+R_{\mathrm{var}}}$

电枢电流i在理想条件下为期望电流i^*，此时，期望电流i^*的表达式为：

$i^{*}=\frac{{\mathrm{\&sigma;e}}_c-k_{i}v}{R+R_{\mathrm{var}}}---\left(10\right)$

对式(10)进行变换得到馈能模式时可变电阻R_var与期望电流i^*之间的关系式：

$R_{\mathrm{var}}=\frac{1}{i^{*}}({\mathrm{\&sigma;e}}_c-k_{i}v)-R---\left(11\right)$

当R_var>0，e_c>k_i|v|时，设计与主动悬架系统处于驾驶模式相对应的工作电路，该工作电路包括供能电路和储能电路，并将该工作电路接入电机回路中，此时电机工作；

当R_var<0，e_c<0时，切断与主动悬架系统处于驾驶模式相对应的工作电路，并将电机两端短路，此时，可变电阻阻值R_var为：

$R_{\mathrm{var}}=\frac{-k_{i}v}{i^{*}}-R---\left(12\right)$

电机等效为一个阻尼器；

当R_var＝0，将与主动悬架系统处于驾驶模式相对应的工作电路接入电机回路中，此时电机工作。