CN108454343A - 基于姿态补偿的混合电磁悬架节能型半主动控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了基于姿态补偿的混合电磁悬架节能型半主动控制方法，首先各悬架输出簧上绝对速度簧上簧下间相对速度至半主动控制器从而输出半主动力；同时车身输出俯仰角θ及侧倾角至车身姿态控制器从而输出各悬架输出力的补偿力；将两部分力相加后换算成理想等效阻尼Ceq通过悬架控制器换算成目标电流Igoal；利用电机控制器追踪目标电流从而控制直线电机输出合适的控制力f。本发明不仅能够实现混合电磁悬架馈能能力最大化，而且能够提高乘坐舒适性及控制车身姿态。

Description

基于姿态补偿的混合电磁悬架节能型半主动控制方法
技术领域
本发明涉及汽车底盘控制领域，具体涉及基于姿态补偿的混合电磁悬架节能型半主动控制方法。
背景技术
我国汽车需求量和保有量都在不断增加，由此所带来的能源紧张与环境问题日益突出，节能减排成为当今汽车发展的主题之一。汽车行驶过程中存在大量的能量损耗，其中振动能量损耗通过阻尼器转化为热能损耗掉，约占整车能量损耗的20％。
电磁混合悬架可以通过直线电机回收部分振动能量提高汽车的燃油经济性，也可以通过直线电机主动输出控制力来改善汽车悬架的动力学性能。现有主动或半主动控制下，混合电磁悬架中的直线电机可分为两种工作模式。当控制器计算出的控制力在直线电机被动状态可输出力的范围内则进行馈能；若直线电机被动状态下可输出的力达不到控制器的要求则转换为电动机对外做功，此时直线电机需要外部供能，将很大程度上影响到作为发电机时的能量回馈量，且在悬架中加入直线电机进行能量回收会导致车辆动力学性能恶化，特别是车身运动姿态。
发明内容
为解决现有技术存在的问题，本发明提供了基于姿态补偿的混合电磁悬架节能型半主动控制方法，以解决悬架中加入直线电机进行能量回收会导致车身运动姿态恶化的问题。
实现本发明的技术方案如下：
基于姿态补偿的混合电磁悬架节能型半主动控制方法，包括以下步骤：
步骤一、前后左右四个悬架输出簧上绝对速度以及簧上簧下间相对速度至半主动控制器，半主动控制器输出初始半主动控制力；
步骤二、车身输出俯仰角θ及侧倾角至车身姿态控制器，车身姿态控制器输出各悬架对应的车身姿态补偿力Δf″LF；
步骤三、将各悬架的初始半主动控制力与各悬架的车身姿态补偿力相加之后除以各悬架簧上簧下间相对速度得到各悬架的直线电机理想等效阻尼；
步骤四、将各悬架的直线电机理想等效阻尼输入至悬架控制器中，悬架控制器计算出各悬架直线电机的最终等效阻尼，并将其换算成目标电流；
步骤五、各悬架的电机控制器将直线电机外接电路的真实电流与目标电流进行对比，并控制直线电机外接电路追踪目标电流，从而控制直线电机输出合适的阻尼力；
步骤六、各悬架中的直线电机对各自外接电路进行能量回馈，并且输出阻尼力至各悬架中。
进一步，所述步骤一中半主动控制器的控制原理为：以左前悬架为例，首先实时计算左前直线电机的初始等效阻尼其中，为左前悬架簧上质量的绝对速度，为左前轮胎的绝对速度，Csky为天棚控制阻尼；通过对比左前直线电机的初始等效阻尼Ceq1与左前直线电机最小等效阻尼Cmin，确定半主动控制器输出的初始半主动控制力f″LF，确定f″LF的规则为：
进一步，所述步骤二中车身姿态控制器为两输入四输出的模糊控制器，其输入为俯仰角θ与侧倾角输出为各悬架的半主动控制补偿力；所述俯仰角θ、侧倾角以及补偿力Δf″LF的实际变化范围分别为[-θmax,θmax]、[-Δfmax,Δfmax]，其论域分别为[-m,m]、[-n,n]、[-o,o]，则设定俯仰角θ、侧倾角以及补偿力Δf″LF的比例因子分别为k1＝m/θmax、k3＝o/Δfmax；所述俯仰角的模糊语言为NB、NM、NS、NZ、PZ、PS、PM、PB，侧倾角及补偿力的模糊语言为NB、NM、NS、ZE、PS、PM、PB，模糊语言NB、NM、NS、NZ、ZE、PZ、PS、PM、PB分别代表：负大、负中、负小、负零、零、正零、正小、正中、正大；模糊规则的设置依据为：当俯仰角及侧倾角同时过大时，四个悬架的半主动控制补偿力能够形成抵抗车身姿态变化的力矩；当俯仰角过大时，前后侧悬架的半主动控制补偿力能够形成抵抗车身俯仰的力矩；当侧倾角过大时，左右侧悬架的半主动控制补偿力能够形成抵抗车身侧倾的力矩；当俯仰角及侧倾角同时较小时，四个悬架的半主动控制补偿力都较小；模糊控制输出的最大补偿力应控制在一定范围内，以减小对悬架半主动控制效果的影响。
进一步，所述步骤三中的直线电机理想等效阻尼的计算方式为：以左前悬架为例，半主动控制器输出的初始半主动控制力f″LF，车身姿态控制器输出的车身姿态补偿力Δf″LF，左前直线电机理想等效阻尼等于f″LF、Δf″LF之和除以左前悬架簧上簧下间相对速度即左前直线电机理想等效阻尼
进一步，所述步骤四中直线电机最终等效阻尼确定方式为：以左前悬架为例，悬架控制器根据传入的左前直线电机的理想等效阻尼Ceq与左前直线电机最小等效阻尼Cmin进行对比，从而将左前直线电机分为两种状态，当Ceq＞Cmin为状态一，当Ceq≤Cmin为状态二；两种状态下左前直线电机最终等效阻尼为：当左前直线电机最终等效阻尼确定之后，从而进一步确定目标电流，计算公式：
本发明的有益效果为：
(1)本发明节能型半主动控制算法，可以将直线电机始终控制在被动馈能状态，从而使得能量回馈量得到最大限度的提高。
(2)本发明节能型半主动控制在传统天棚控制的基础上进行设计，因此整车的乘坐舒适性也能够得到提高。
(3)将车身的俯仰角及侧倾角输入至车身姿态控制器中，通过模糊控制输出混合电磁悬架半主动控制补偿力，由于补偿力的大小受到模糊控制的限制，因此能够保证不影响整车舒适性；进一步对补偿之后的混合电磁悬架阻尼进行判别，因此能够保证不影响混合电磁悬架的馈能性，并且实现了对车身俯仰角及侧倾角的控制。
附图说明
图1是基于姿态补偿的混合电磁悬架节能型半主动控制方法的整车的结构示意图。
图2是基于姿态补偿的混合电磁悬架节能型半主动控制方法的整车控制流程示意图。
图3是基于姿态补偿的混合电磁悬架节能型半主动控制方法的模糊控制规则示意图。
图4是基于姿态补偿的混合电磁悬架节能型半主动控制方法的电机外接电路示意图。
图5是基于姿态补偿的混合电磁悬架节能型半主动控制方法的电机馈能效率图。
图6是基于姿态补偿的混合电磁悬架节能型半主动控制方法的车身加速度对比图。
图7是基于姿态补偿的混合电磁悬架节能型半主动控制方法的悬架动行程对比图。
图8是基于姿态补偿的混合电磁悬架节能型半主动控制方法的轮胎动挠度对比图。
图9是基于姿态补偿的混合电磁悬架节能型半主动控制方法的俯仰角对比图。
图10是基于姿态补偿的混合电磁悬架节能型半主动控制方法的侧倾角对比图。
图中标记说明：Zs-LF-左前悬架簧上位移，Zs-RF-右前悬架簧上位移，Zs-LR-左后悬架簧上位移，Zs-RR-右后悬架簧上位移，Zu-LF-左前轮胎位移，Zu-RF-右前轮胎位移，Zu-LR-左后轮胎位移，Zu-RR-右后轮胎位移，Zr-LF-左前轮所受的路面激励，Zr-RF-右前轮所受的路面激励，Zr-LF-左后轮所受的路面激励，Zr-RR-右后轮所受的路面激励，Ms-车身总重，MsF为前悬架簧上质量，MsR为后悬架簧上质量，MuF为前悬架簧下质量，MuR为后悬架簧下质量，KsF-前悬架弹簧刚度，KsR-后悬架弹簧刚度，Kt-轮胎刚度，CsF-前悬架减振器阻尼，CsR-后悬架减振器阻尼，fLF-左前直线电机输出力，fRF-右前直线电机输出力，fLR-左后直线电机输出力，fRR-右后直线电机输出力，a-前轴至车身质心距离，b-后轴至车身质心距离，c-1/2前轮轮距，d-1/2后轮轮距，x-车辆纵向，y-车辆横向，z-车辆垂向，θ-车辆俯仰角，-车辆侧倾角，f″LF-左前初始半主动控制力，Δf″LF-左前车身姿态补偿力，f′LF-左前理想半主动输出力，Ceq-理想直线电机等效阻尼，Igoal-目标电流，Ireal-实际电流。
具体实施方式
下面结合附图对于本发明的具体实施做进一步的说明。
基于姿态补偿的混合电磁悬架节能型半主动控制方法主要分为以下步骤：
步骤1.前后左右四个悬架输出簧上绝对速度以及簧上簧下间相对速度至半主动控制器，半主动控制器输出初始半主动控制力。
步骤2.车身输出俯仰角θ及侧倾角至车身姿态控制器，车身姿态控制器输出各悬架对应的车身姿态补偿力Δf″LF。
步骤3.将各悬架的初始半主动控制力与各悬架的车身姿态补偿力相加之后除以各悬架簧上簧下间相对速度得到各悬架的直线电机理想等效阻尼。
步骤4.将各悬架的直线电机理想等效阻尼输入至悬架控制器中，悬架控制器计算出各悬架直线电机的最终等效阻尼，并将其换算成目标电流。
步骤5.各悬架的电机控制器将直线电机外接电路的真实电流与目标电流进行对比，并控制外接电路追踪目标电流，从而控制直线电机输出合适的阻尼力。
步骤6.各悬架中的直线电机对各自外接电路进行充电并输出阻尼力至各悬架中，从而达到能量回馈以及提高车辆动力学性能的作用。
以下进行详细介绍：
首先，基于姿态补偿的混合电磁悬架节能型半主动控制方法应用于配有混合电磁悬架的整车中，其简化模型如图1所示，将整车简化为7自由度模型，包括质心垂向运动、侧倾运动、俯仰运动，以及四个轮胎的垂向运动，其中四个悬架的结构都是由螺旋弹簧、减振器、直线电机并联而成，悬架连接各悬架的簧上质量以及簧下质量。整车微分方程如下式所示：
各悬架力FLF(左前悬架力)、FRF(右前悬架力)、FLR(左后悬架力)FRR(右后悬架力)的计算公式如下：
由于俯仰角、侧倾角很小，可得到以下关系：
式中：Ms为车身总重，Zs为质心垂直位移，Iθ为俯仰转动惯量，为侧倾转动惯量，a为前轴至车身质心距离，b为后轴至车身质心距离，c为1/2前轮轮距，d为1/2后轮轮距，θ为车辆俯仰角，为车辆侧倾角，Zu-LF为左前轮胎位移，Zu-RF为右前轮胎位移，Zu-LR为左后轮胎位移，Zu-RR为右后轮胎位移，Zr-LF为左前轮所受的路面激励，Zr-RF为右前轮所受的路面激励，Zr-LR为左后轮所受的路面激励，Zr-RR为右后轮所受的路面激励，MuF为前悬架簧下质量，MuR为后悬架簧下质量，Kt为轮胎刚度，KsF为前悬架弹簧刚度，KsR为后悬架弹簧刚度，Zs-LF为左前悬架簧上位移，Zs-RF为右前悬架簧上位移，Zs-LR为左后悬架簧上位移，Zs-RR为右后悬架簧上位移，CsF为前悬架减振器阻尼，CsR为后悬架减振器阻尼，fLF为左前直线电机输出力，fRF为右前直线电机输出力，fLR为左后直线电机输出力，fRR为右后直线电机输出力。
由于车辆四个悬架控制方式相同，节能型半主动控制方法以左前悬架为例进行详细说明：
如图2所示，在车辆行驶过程左前悬架将簧上质量的绝对速度与簧上簧下质量间的相对速度作为反馈传输至半主动控制器中，根据半主动控制算法计算出直线电机的初始半主动控制力f″LF；半主动控制算法原理为：首先实时计算直线电机的初始等效阻尼式中，Csky为天棚控制阻尼；通过对比直线电机的初始等效阻尼Ceq1与直线电机最小等效阻尼Cmin：当Ceq1＞Cmin，此时半主动控制器输出力为当Ceq1≤Cmin，此时半主动控制器输出力为
在各悬架将簧上质量的绝对速度与簧上簧下质量间的相对速度作为反馈传输至各自的半主动控制器的同时，车身将车身实时的俯仰角θ与侧倾角作为反馈传输至车身姿态控制器中，车身姿态控制器通过所设定的模糊控制规则输出各悬架对应的车身姿态补偿力。
车身姿态控制器为两输入四输出的模糊控制器，输入模糊控制器的车身俯仰角θ实际变化范围为[-θmax,θmax]，车身侧倾角的实际变化范围为模糊控制器中车身俯仰角θ的基本论域为[-m,m]，侧倾角的基本论域为[-n,n]；进一步设定俯仰角量化因子k1＝m/θmax以及侧倾角量化因子为了防止姿态补偿力过大导致半主动控制效果变差，因此将补偿力输出值最大控制在[-Δfmax,Δfmax]内，补偿力的论域为[-o,o]，从而设定补偿力的比例因子为k3＝o/Δfmax。俯仰角的模糊语言为NB、NM、NS、NZ、PZ、PS、PM、PB；侧倾角及补偿力的模糊语言为NB、NM、NS、ZE、PS、PM、PB；模糊语言NB、NM、NS、NZ、ZE、PZ、PS、PM、PB分别代表：负大、负中、负小、负零、零、正零、正小、正中、正大；模糊规则的设置依据为：当俯仰角及侧倾角同时过大时，四个悬架的半主动控制补偿力能够形成抵抗车身姿态变化的力矩；当俯仰角过大时，前后侧悬架的半主动控制补偿力能够形成抵抗车身俯仰的力矩；当侧倾角过大时，左右侧悬架的半主动控制补偿力能够形成抵抗车身侧倾的力矩；当俯仰角及侧倾角同时较小时，四个悬架的半主动控制补偿力都较小。模糊控制输出的最大补偿力应控制在一定范围内，以减小对悬架半主动控制效果的影响。四个悬架的模糊控制规则三维示意图如图3所示，其具体规则如下表所示：
表1左前车身姿态补偿力Δf″LF模糊规则
表2右前车身姿态补偿力Δf″LF模糊规则
表3左后车身姿态补偿力Δf″LF模糊规则
表4右后车身姿态补偿力Δf″LF模糊规则
在左前悬架中将半主动控制器输出的左前初始半主动控制力f″LF以及车身姿态控制器输出的左前车身姿态补偿力Δf″LF相加之后得到左前理想半主动输出力f″LF，之后将左前理想半主动输出力f″LF除以左前悬架簧上簧下间相对速度得到左前直线电机的理想等效阻尼Ceq，
将左前直线电机的理想等效阻尼Ceq输入至悬架控制器中，悬架控制器依据节能型半主动控制方法再次判断直线电机的理想等效阻尼Ceq与直线电机最小等效阻尼Cmin的大小，从而将直线电机分为两种状态。状态一为：当Ceq＞Cmin，此时直线电机的最终等效阻尼为状态二为：当Ceq≤Cmin，此时直线电机的最终等效阻尼为C＝Cmin。
由于直线电机实时产生的阻尼力fLF＝Kf·Ireal，其中Kf为直线电机的反电动势系数，Ireal为电机绕组电流；而通过控制之后直线电机产生的阻尼力为式中C为直线电机最终等效阻尼，Igoal为目标电流；从而得到目标电流
如图4所示，电机控制器通过将悬架控制器输出的目标电流Igoal与直线电机实时的实际电流Ireal进行对比，从而向MOS管S1、S2输入两路脉冲信号调节直线电机外接电路中DC-DC变换器升降压以追踪目标电流Igoal，从而令直线电机输出阻尼力
各直线电机对各自外接电路进行充电，左前直线电机的瞬时能量回馈功率可达并产生实时的阻尼力至悬架系统中。
在simulink建立模型并进行仿真，整车参数如下表所示：
表5被动悬架整车系统参数
在此基础上，对车身姿态模糊控制器进行如下设定：俯仰角的基本论域设为[-8,8]，侧倾角及各悬架预期控制补偿力的基本论域设为为[-6,6]。进一步设定俯仰角量化因子k1为600，侧倾角量化因子k2为1500。为了避免由于车身姿态补偿力过大导致整车半主动控制效果变差，因此将车身姿态补偿力最大控制在100N左右，从而设定补偿力的比例因子k3为20。
基于姿态补偿的混合电磁悬架节能型半主动控制方法仿真结果如图5-10所示，当车辆以72km/h在c级路面匀速行驶，相对于被动悬架来说，基于姿态补偿的节能型半主动混合电磁悬架回馈能量功率可达255.24w，能够很大程度的回收振动能量；车身加速度降低了34.69％、俯仰角加速度降低了37.10％、侧倾角加速度降低了13.47％，从而整车的乘坐舒适性得到了很大的提高；悬架动行程最大值(以左前悬架为例)有了一定的恶化，但其最大值只有4cm，远小于乘用车设计的悬架动挠度7～9cm；轮胎动载荷(以左前悬架为例)恶化了14.37％，这主要是由于节能型半主动控制是基于理想天棚控制下设计的，因此轮胎动载荷避免不了受到恶化，但也在可接受范围内；其俯仰角改善了22.07％，侧倾角改善50.74％，由此证明姿态控制在车辆匀速状态下能够很大程度上抑制车身姿态变化。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (9)

1.基于姿态补偿的混合电磁悬架节能型半主动控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、前后左右四个悬架输出簧上绝对速度以及簧上簧下间相对速度至半主动控制器，半主动控制器输出初始半主动控制力；
步骤二、车身输出俯仰角θ及侧倾角至车身姿态控制器，车身姿态控制器输出各悬架对应的车身姿态补偿力Δf″LF；
步骤三、将各悬架的初始半主动控制力与各悬架的车身姿态补偿力相加之后除以各悬架簧上簧下间相对速度得到各悬架的直线电机理想等效阻尼；
步骤四、将各悬架的直线电机理想等效阻尼输入至悬架控制器中，悬架控制器计算出各悬架直线电机的最终等效阻尼，并将其换算成目标电流；
步骤五、各悬架的电机控制器将直线电机外接电路的真实电流与目标电流进行对比，并控制直线电机外接电路追踪目标电流，从而控制直线电机输出合适的阻尼力；
步骤六、各悬架中的直线电机对各自外接电路进行能量回馈，并且输出阻尼力至各悬架中。
2.根据权利要求1所述的基于姿态补偿的混合电磁悬架节能型半主动控制方法，其特征在于，所述步骤一中半主动控制器的控制原理为：以左前悬架为例，首先实时计算左前直线电机的初始等效阻尼其中，为左前悬架簧上质量的绝对速度，为左前轮胎的绝对速度，Csky为天棚控制阻尼；通过对比左前直线电机的初始等效阻尼Ceq1与左前直线电机最小等效阻尼Cmin，确定半主动控制器输出的初始半主动控制力f″LF。
3.根据权利要求2所述的基于姿态补偿的混合电磁悬架节能型半主动控制方法，其特征在于，确定初始半主动控制力f″LF的规则为：
4.根据权利要求1所述的基于姿态补偿的混合电磁悬架节能型半主动控制方法，其特征在于，所述步骤二中车身姿态控制器为两输入四输出的模糊控制器，其输入为俯仰角θ与侧倾角输出为各悬架的半主动控制补偿力。
5.根据权利要求4所述的基于姿态补偿的混合电磁悬架节能型半主动控制方法，其特征在于，所述俯仰角θ、侧倾角以及补偿力Δf″LF的实际变化范围分别为[-θmax,θmax]、[-Δfmax,Δfmax]，其论域分别为[-m,m]、[-n,n]、[-o,o]，则设定俯仰角θ、侧倾角以及补偿力Δf″LF的比例因子分别为k1＝m/θmax、k3＝o/Δfmax。
6.根据权利要求4所述的基于姿态补偿的混合电磁悬架节能型半主动控制方法，其特征在于，所述俯仰角的模糊语言为NB、NM、NS、NZ、PZ、PS、PM、PB，侧倾角及补偿力的模糊语言为NB、NM、NS、ZE、PS、PM、PB，模糊语言NB、NM、NS、NZ、ZE、PZ、PS、PM、PB分别代表：负大、负中、负小、负零、零、正零、正小、正中、正大；模糊规则的设置依据为：当俯仰角及侧倾角同时过大时，四个悬架的半主动控制补偿力能够形成抵抗车身姿态变化的力矩；当俯仰角过大时，前后侧悬架的半主动控制补偿力能够形成抵抗车身俯仰的力矩；当侧倾角过大时，左右侧悬架的半主动控制补偿力能够形成抵抗车身侧倾的力矩；当俯仰角及侧倾角同时较小时，四个悬架的半主动控制补偿力都较小；模糊控制输出的最大补偿力应控制在一定范围内，以减小对悬架半主动控制效果的影响。
7.根据权利要求1所述的基于姿态补偿的混合电磁悬架节能型半主动控制方法，其特征在于，所述步骤三中的直线电机理想等效阻尼的计算方式为：以左前悬架为例，半主动控制器输出的初始半主动控制力f″LF，车身姿态控制器输出的车身姿态补偿力Δf″LF，左前直线电机理想等效阻尼等于f″LF、Δf′LF之和除以左前悬架簧上簧下间相对速度即左前直线电机理想等效阻尼
8.根据权利要求1所述的基于姿态补偿的混合电磁悬架节能型半主动控制方法，其特征在于，所述步骤四中直线电机最终等效阻尼确定方式为：以左前悬架为例，悬架控制器根据传入的左前直线电机的理想等效阻尼Ceq与左前直线电机最小等效阻尼Cmin进行对比，从而将左前直线电机分为两种状态，当Ceq＞Cmin为状态一，当Ceq≤Cmin为状态二；两种状态下左前直线电机最终等效阻尼为：
9.根据权利要求8所述的基于姿态补偿的混合电磁悬架节能型半主动控制方法，其特征在于，当左前直线电机最终等效阻尼确定之后，从而进一步确定目标电流，计算公式：
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