CN108274969A

CN108274969A - 一种基于车速分区的馈能悬架及其阻尼切换控制方法

Info

Publication number: CN108274969A
Application number: CN201810161530.2A
Authority: CN
Inventors: 汪若尘; 孙东; 丁仁凯; 孟祥鹏; 陈龙
Original assignee: Jiangsu University
Current assignee: Jiangsu University
Priority date: 2018-02-27
Filing date: 2018-02-27
Publication date: 2018-07-13

Abstract

本发明公开一种基于车速分区的馈能悬架及其阻尼切换控制方法，馈能悬架由传感器模块、控制器模块、稳定模块和执行器模块组成，控制器模块由切换控制器和悬架控制器构成，执行器模块包括三级可调阻尼器、永磁直线电机、Buck电路和馈能电路。本发明将车速划分为高、中、低速，在每一速域内，以车身垂直加速度和轮胎动位移作为切换参数判断车辆行驶工况，通过切换天棚、地棚和混合天棚‑地棚阻尼控制策略来调节可调阻尼器阻尼值和直线电机绕组电流，以完成悬架阻尼切换过程，从而解决车辆行驶中操稳性和平顺性的矛盾问题。本发明简单易行，实时性好，在保证车辆多种工况下都能有一个最优先级性能的前提下，实现悬架能量回收，以补偿控制系统的能耗。

Description

一种基于车速分区的馈能悬架及其阻尼切换控制方法

技术领域

本发明涉及馈能悬架阻尼控制方法领域，尤其涉及一种基于车速分区的馈能悬架及其阻尼切换控制方法。

背景技术

车辆的操稳性和平顺性是一组相互矛盾的性能，现存的悬架控制策略大多只能实现某种性能最优，无法保证不同工况下的最优先级性能。现有技术以车身加速度和轮胎动位移作为参考变量对车辆行驶工况进行判断，进而实现阻尼控制，但无法准确解决操稳性和平顺性的矛盾问题。

悬架结构对悬架控制十分重要，由三级可调阻尼器和永磁直线电机组成的混合馈能悬架在实现悬架阻尼力连续可调的同时，也能保证悬架的Fail-safe特性，较之其他半主动/主动电磁悬架，其成本低、能耗小、可靠性高。

阻尼控制方法是混合馈能悬架研究的关键技术之一，许多先进阻尼控制方法应运而生，如最优控制、鲁棒控制、模糊控制和神经网络控制；其中，天棚和地棚阻尼控制方法简单、控制效果较好且实时性好，广泛应用于悬架控制中。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于车速分区的馈能悬架及其阻尼切换控制方法，以车辆所在速域及车辆相关动态参数判断行驶工况，切换合适的悬架阻尼控制策略来保证不同工况下最优先级性能，从而解决车辆操稳性和平顺性相矛盾的问题。

本发明的技术方案为：

一种基于车速分区的馈能悬架阻尼切换控制方法，包括以下步骤：

步骤1)，车速传感器、簧上质量加速度传感器、簧下质量加速度传感器和位移传感器分别将采集到的车速、车身垂直加速度和轮胎动位移传输给切换控制器。

步骤2)，切换控制器首先根据车速信号判断行驶车辆所在的速域，然后分别比较车身垂直加速度和轮胎动位移均方根值与各自预设阈值的大小，根据阻尼切换策略选择最优悬架控制方法，并向悬架控制器发出控制方法选择信号；

车辆的速域以两个车速阈值v₁、v₂划分为三个区间，即低速域、中速域和高速域，v₁为车辆在高速行驶时滚动阻力与空气阻力相等时的车速，v₂依据《城市道路工程设计规范》中次干路的设计行车速度为20～40km/h；

阻尼切换策略为：

1)当车速v＞v₁，即车辆行驶在高速域内：

i)轮胎动位移的均方根值大于其阈值，无论车身垂直加速度的均方根值是否超过其阈值，且此状态持续时间大于参考时间，切换控制器判断车辆高速行驶，此时操稳性成为车辆最优先级性能，悬架控制方法切换为地棚阻尼控制；

ii)轮胎动位移的均方根值小于其阈值，车身垂直加速度的均方根值大于其阈值，且此状态持续时间大于参考时间，切换控制器判断车辆以较高速行驶在较差路面上，此时平顺性成为车辆最优先级性能，悬架控制方法切换为天棚阻尼控制；

iii)轮胎动位移和车身垂直加速度的均方根值均小于其相应阈值，且此状态持续时间大于参考时间，切换控制器判断车辆以较高速行驶在好路面上，此时车辆性能优，悬架控制方法切换为无控制，即此时悬架为被动悬架，直线电机处于发电机模式，实现馈能；

2)当车速v₂≤v≤v₁，即车辆行驶在中速域内：

i)轮胎动位移和车身垂直加速度的均方根值至少有一个大于相应阈值，且此状态持续时间大于参考时间，切换控制器判断车辆以中速行驶在较差路面上，此时操稳性和平顺性优先级相同，悬架控制方法切换为混合天棚-地棚阻尼控制；

ii)轮胎动位移和车身垂直加速度的均方根值均小于其相应阈值，且此状态持续时间大于参考时间，切换控制器判断车辆以中速行驶在较好路面上，此时车辆性能优，悬架控制方法切换为无控制，即此时悬架为被动悬架，直线电机处于发电机模式，实现馈能；

3)当车速v＜v₂，即车辆行驶在低速域内：

i)车身垂直加速度的均方根值大于其阈值，无论轮胎动位移的均方根值是否超过其阈值，且此状态持续时间大于参考时间，切换控制器判断车辆以低速行驶在较差路面上，此时平顺性成为车辆最优先级性能，悬架控制方法切换为天棚阻尼控制；

ii)车身垂直加速度的均方根值小于其阈值，轮胎动位移的均方根值大于其阈值，且此状态持续时间大于参考时间，切换控制器判断车辆以低速行驶在差路面上，此时操稳性成为车辆最优先级性能，悬架控制方法切换为地棚阻尼控制；

iii)轮胎动位移和车身垂直加速度的均方根值均小于其相应阈值，且持续时间大于参考时间，切换控制器判断车辆以低速行驶在较好路面上，此时车辆性能优，悬架控制方法切换为无控制，即此时悬架为被动悬架，直线电机处于发电机模式，实现馈能。

步骤3)，悬架控制器接收选择信号，计算出悬架所需阻尼力，向三级可调阻尼器和永磁直线电机输出PWM信号，使其工作。

步骤4)，三级可调阻尼器中的步进电机接收不同占空比的PWM信号而带动阻尼器液压阀转过不同角度，从而改变阻尼器节流口开度，进而提供不同阻尼系数。

步骤5)，永磁直线电机接收不同占空比的PWM信号，利用Buck电路改变电机电流，从而改变电机提供的阻尼系数。

进一步，当悬架控制方法切换为天棚控制时，切换控制器输出00；当悬架控制方法切换为地棚控制时，切换控制器输出01；当悬架控制方法切换为混合天棚-地棚控制时，切换控制器输出10；当悬架控制方法切换为无控制时，切换控制器输出11。

进一步，在切换控制器和悬架控制器之间增加一个以逻辑关系构成的稳定系统，当车辆状态持续时间达到参考时间时，切换控制器才能向悬架控制器输出信号量，实现阻尼控制策略切换。

一种基于车速分区的馈能悬架，包括传感器模块、控制器模块、稳定模块和执行器模块，传感器模块包括车速传感器、簧上质量加速度传感器、簧下质量加速度传感器和位移传感器，控制器模块包括切换控制器和悬架控制器，稳定模块为防止系统陷入紊乱的稳定系统，执行器模块包括三级可调阻尼器、永磁直线电机、Buck电路和馈能电路；在垂直方向上，弹簧、三级可调阻尼器、永磁直线电机分别并联在簧上质量和簧下质量之间，车速传感器安装于簧上质量，簧上质量加速度传感器、簧下质量加速度传感器分别固定在簧上质量和簧下质量上，位移传感器与簧下质量固连，且车速传感器、簧上质量加速度传感器、簧下质量加速度传感器和位移传感器与切换控制器之间分别通过信号线相连；永磁直线电机结构为筒型，其动子与车身相连，定子与车轮相连。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1.本发明基于车速分区判断车辆行驶状态，在不同工况下确保车辆最优先级性能，实现了阻尼控制过程对行驶工况的实时跟踪，从而解决操稳性和平顺性的矛盾问题。

2.本发明在路况较好时，不对悬架进行阻尼控制，此时电机处于发电机模式，回收部分悬架振动能量以补偿控制系统能耗。

3.本发明中建立的阻尼控制切换策略原理简单有效，能够准确、迅速、稳定地根据车辆动态参数进行识别，采取相匹配的悬架控制方法改善车辆性能。

附图说明

图1为本发明的1/4馈能悬架系统结构简图；

图2本发明的馈能悬架系统工作示意图；

图3为本发明的悬架阻尼切换控制系统模块框图；

图4为本发明的稳定系统控制流程图。

其中：1-车速传感器；2-簧上质量加速度传感器；3-簧上质量；4-弹簧；5-三级可调阻尼器；6-永磁直线电机；7-簧下质量；8-位移传感器；9-簧下质量加速度传感器。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不限于此。

本发明所涉及的馈能悬架由传感器模块、控制器模块、稳定模块和执行器模块组成，传感器模块包括车速传感器1、簧上质量加速度传感器2、簧下质量加速度传感器9和位移传感器8，控制器模块包括切换控制器和悬架控制器，稳定模块为防止系统陷入紊乱的稳定系统，执行器模块包括三级可调阻尼器5、永磁直线电机6、Buck电路和馈能电路；如图1所示，1/4馈能悬架系统结构简图，在垂直方向上，弹簧4、三级可调阻尼器5、永磁直线电机6分别并联在簧上质量3和簧下质量7之间，车速传感器1安装于簧上质量3，簧上质量加速度传感器2和簧下质量加速度传感器9分别固定在簧上质量3和簧下质量7上，位移传感器8与簧下质量7固连，且车速传感器1、簧上质量加速度传感器2、簧下质量加速度传感器9和位移传感器8与切换控制器之间分别通过信号线相连，簧下质量7下端连接有等效轮胎刚度弹簧10，永磁直线电机6结构为筒型，其动子与车身相连，定子与车轮相连。

如图2，馈能悬架系统工作示意图，悬架控制器接收绝对速度簧上质量3和簧下质量7之间的相对速度以及簧下质量7和路面间的相对速度计算输出悬架所需等效阻尼系数C_eq，向三级可调阻尼器5和永磁直线电机6输出PWM信号，三级可调阻尼器5向悬架输出阻尼系数C_d，永磁直线电机6向悬架输出阻尼系数C_e。

如图3所示，悬架阻尼切换控制系统模块框图，包括步骤：

步骤1)，车速传感器1、簧上质量加速度传感器2、簧下质量加速度传感器9和位移传感器8分别将采集到的车速v、车身垂直加速度和轮胎动位移(z_t-z_r)传输给切换控制器，控制器进行信号处理得到簧上质量3的绝对速度簧上质量3和簧下质量7之间的相对速度以及簧下质量7和路面间的相对速度

步骤2)，切换控制器首先根据车速v判断行驶车辆所在的速域，然后根据阻尼切换策略选择最优悬架控制方法，并向悬架控制器发出控制方法选择信号Con；

如表1所示，悬架阻尼切换策略如下：

1)当车速v＞v₁(阈值v₁为车辆在高速行驶时滚动阻力与空气阻力大致相等时的车速)，即车辆行驶在高速域内：

i)轮胎动位移(z_t-z_r)大于其阈值(z_t-z_r)₁，无论车身垂直加速度是否超过其阈值且此状态持续时间大于参考时间，切换控制器判断车辆高速行驶，此时操稳性成为车辆最优先级性能，悬架控制方法切换为地棚阻尼控制以保证行车安全性，此时切换控制器输出01；

ii)轮胎动位移(z_t-z_r)小于其阈值(z_t-z_r)₁，车身垂直加速度大于等于其阈值且此状态持续时间大于参考时间，切换控制器判断车辆以较高速行驶在较差路面上，此时平顺性成为车辆最优先级性能，悬架控制方法切换为天棚阻尼控制以保证乘坐舒适性，此时切换控制器输出00；

iii)轮胎动位移(z_t-z_r)和车身垂直加速度均小于其相应阈值，且此状态持续时间大于参考时间，切换控制器判断车辆以较高速行驶在较好路面上，此时车辆性能优，悬架控制方法切换为无控制，即此时悬架为被动悬架，直线电机处于发电机模式，实现馈能，此时切换控制器输出11；

2)当车速v₂≤v≤v₁(阈值v₂依据《城市道路工程设计规范》中次干路的设计行车速度为20～40km/h，本实施例取v₂＝40km/h)，即车辆行驶在中速域内：

i)轮胎动位移(z_t-z_r)和车身垂直加速度至少有一个大于相应阈值，且此状态持续时间大于参考时间，切换控制器判断车辆以中速行驶在较差路面上，此时操稳性和平顺性优先级相同，悬架控制方法切换为混合天棚-地棚阻尼控制以保证车辆综合性能，此时切换控制器输出10；

ii)轮胎动位移(z_t-z_r)和车身垂直加速度的均方根值均小于其相应阈值，且此状态持续时间大于参考时间，切换控制器判断车辆以中速行驶在较好路面上，此时车辆性能优，悬架控制方法切换为无控制，即此时悬架为被动悬架，直线电机处于发电机模式，实现馈能，此时切换控制器输出11；

3)当车速v＜v₂，即车辆行驶在低速域内：

i)车身垂直加速度大于其阈值无论轮胎动位移(z_t-z_r)是否超过其阈值(z_t-z_r)₁，且此状态持续时间大于参考时间，切换控制器判断车辆以低速行驶在较差路面上，此时平顺性成为车辆最优先级性能，悬架控制方法切换为天棚阻尼控制以保证乘坐舒适性，此时切换控制器输出00；

ii)车身垂直加速度小于其阈值轮胎动位移(z_t-z_r)大于其阈值(z_t-z_r)₁，且此状态持续时间大于参考时间，切换控制器判断车辆以低速行驶在差路面上，此时操稳性成为车辆最优先级性能，悬架控制方法切换为地棚阻尼控制以保证行车安全性，此时切换控制器输出01；

iii)轮胎动位移(z_t-z_r)和车身垂直加速度均小于其相应阈值，且此状态持续时间大于参考时间，切换控制器判断车辆以低速行驶在较好路面上，此时车辆性能优，悬架控制方法切换为无控制，即此时悬架为被动悬架，直线电机处于发电机模式，实现馈能，此时切换控制器输出11。

表1悬架阻尼切换策略

步骤3)，悬架控制器接收选择信号Con，计算出悬架所需等效阻尼系数C_eq，向三级可调阻尼器5和永磁直线电机6输出PWM信号，使其工作。

步骤4)，三级可调阻尼器5中的步进电机接收不同占空比的PWM信号而带动阻尼器液压阀转过不同角度，从而改变阻尼器节流口开度，进而提供不同阻尼系数C_d，分别为：

根据C_d的取值把三级可调阻尼器5阻尼值分为小、中和高，当C_d＝C₁时，悬架控制器识别三级可调阻尼器5为小阻尼，即悬架“较软”；当C_d＝C₂时，识别为中阻尼，即悬架“中等”；当C_d＝C₃时，识别为大阻尼，即悬架“较硬”。

步骤5)，永磁直线电机6接收不同占空比的PWM信号，利用Buck电路输出电机电流i_des，从而使直线电机6向外输出阻尼力，电流i_des的大小为：

其中，k_f为直线电机的推力系数。

本实施例中，当选择信号Con＝11时，悬架控制器输出无控制，即悬架为被动悬架，直线电机处于发电机模式，实现馈能，此时直线电机6输出阻尼系数为C_e，电磁阻尼系数C_e的大小为：

其中，M为直线电机运动时常工作磁环-线圈对数，k_v为直线电机线圈的电压常数，R为外接负载阻值，r为线圈内阻。

此时悬架输出阻尼力为：

本实施例中，为防止系统在阻尼切换过程中陷入紊乱，在切换控制器和悬架控制器之间增加一个以逻辑关系构成的稳定系统(图4)，当切换控制器输出量达到参考数次，即持续时间达到参考时间时，切换控制器才能向悬架控制器输出信号量，实现阻尼控制切换。

如图4所示，当切换控制器连续输出的选择信号Con1＝Con2，计数器实现计数，若计数次达到参考数次，系统判定输出稳定，选择信号传递给悬架控制器，悬架控制器开始工作，实现阻尼控制切换。

本发明根据车辆所在速域及车辆相关动态参数判断行驶工况，切换合适的悬架阻尼控制策略来保证不同工况下最优先级性能，从而解决车辆操稳性和平顺性相矛盾的问题。

以上所述，仅为本发明的较佳实施例，并非用于限定本发明的保护范围，应当理解，本发明所在领域的技术人员，在不脱离本发明权利要求的范围和精神内做出的等效实施例或变更均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种基于车速分区的馈能悬架阻尼切换控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1)，车速传感器(1)、簧上质量加速度传感器(2)、簧下质量加速度传感器(9)和位移传感器(8)分别将采集到的车速、车身垂直加速度和轮胎动位移传输给切换控制器；

步骤3)，悬架控制器接收选择信号，计算出悬架所需阻尼力，向三级可调阻尼器(5)和永磁直线电机(6)输出PWM信号，使其工作；

步骤4)，三级可调阻尼器(5)中的步进电机接收不同占空比的PWM信号而带动阻尼器液压阀转过不同角度，从而改变阻尼器节流口开度，进而提供不同阻尼系数；

步骤5)，永磁直线电机(6)接收不同占空比的PWM信号，利用Buck电路改变电机电流，从而改变电机提供的阻尼系数。

2.根据权利要求1所述的一种基于车速分区的馈能悬架阻尼切换控制方法，其特征在于，所述步骤2)中车辆的速域以两个车速阈值划分为三个区间，即低速域、中速域和高速域。

3.根据权利要求2所述的一种基于车速分区的馈能悬架阻尼切换控制方法，其特征在于，所述两个车速阈值分别为v₁和v₂，v₁为车辆在高速行驶时滚动阻力与空气阻力相等时的车速，v₂依据《城市道路工程设计规范》中次干路的设计行车速度为20～40km/h。

4.根据权利要求1或3所述的一种基于车速分区的馈能悬架阻尼切换控制方法，其特征在于，所述步骤2)中阻尼切换策略为：

1)当车速v＞v₁，即车辆行驶在高速域内：

2)当车速v₂≤v≤v₁，即车辆行驶在中速域内：

3)当车速v＜v₂，即车辆行驶在低速域内：

5.根据权利要求4所述的一种基于车速分区的馈能悬架阻尼切换控制方法，其特征在于，当悬架控制方法切换为天棚控制时，切换控制器输出00；当悬架控制方法切换为地棚控制时，切换控制器输出01；当悬架控制方法切换为混合天棚-地棚控制时，切换控制器输出10；当悬架控制方法切换为无控制时，切换控制器输出11。

6.根据权利要求4所述的一种基于车速分区的馈能悬架阻尼切换控制方法，其特征在于，在切换控制器和悬架控制器之间增加一个以逻辑关系构成的稳定系统，当车辆状态持续时间达到参考时间时，切换控制器才能向悬架控制器输出信号量，实现阻尼控制策略切换。

7.一种如权利要求1所述的基于车速分区的馈能悬架，其特征在于，包括传感器模块、控制器模块、稳定模块和执行器模块，传感器模块包括车速传感器1、簧上质量加速度传感器2、簧下质量加速度传感器9和位移传感器8，控制器模块包括切换控制器和悬架控制器，稳定模块为防止系统陷入紊乱的稳定系统，执行器模块包括三级可调阻尼器5、永磁直线电机6、Buck电路和馈能电路。

8.根据权利要求7所述的基于车速分区的馈能悬架，其特征在于，在垂直方向上，弹簧(4)、三级可调阻尼器(5)、永磁直线电机(6)分别并联在簧上质量(3)和簧下质量(7)之间，车速传感器(1)安装于簧上质量(3)，簧上质量加速度传感器(2)、簧下质量加速度传感器(9)分别固定在簧上质量(3)和簧下质量(7)上，位移传感器(8)与簧下质量(7)固连，且车速传感器(1)、簧上质量加速度传感器(2)、簧下质量加速度传感器(9)和位移传感器(8)与切换控制器之间分别通过信号线相连。

9.根据权利要求7所述的基于车速分区的馈能悬架，其特征在于，所述永磁直线电机(6)结构为筒型，其动子与车身相连，定子与车轮相连。