CN109130757A - 一种馈能式半主动悬架变阻尼系统与控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种馈能式半主动悬架变阻尼系统与控制方法，使用馈能式半主动变阻尼系统代替传统的油液式不可变阻尼器，该变阻尼系统包括馈能电机和滚珠丝杠机构组成的馈能作动器，由整流桥，DC‑DC变换电路，储能设备以及控制器组成的能量回收及阻尼控制电路。该控制方法可变阻尼系统根据路面激励情况，以馈能作动器输出转矩为控制目标，电机电枢电流为控制对象，通过调节DC‑DC变换电路开关管驱动PWM波的占空比实现阻尼的调节，同时实现能量回馈。本发明可实现车身振动能量回馈，提升汽车燃油经济性的同时可实现作动器阻尼调节，响应速度快，可有效改善汽车乘坐舒适性。

Description

一种馈能式半主动悬架变阻尼系统与控制方法
技术领域
本发明属于电动汽车底盘技术领域，具体涉及一种馈能式半主动悬架变阻尼系统与控制方法。
背景技术
悬架系统是车架与车桥之间的一切传力连接装置的总称，是汽车行驶系统的重要组成部分，其主要作用是把路面作用于车轮上的垂直、纵向和侧向反力以及由这些反力所造成的力矩传递到车架上，以保证汽车的行驶平顺性。悬架系统中用于减振的装置主要包括弹簧和阻尼器，阻尼器性能的优劣很大程度上决定了悬架系统的性能优劣。
目前使用最为广泛的悬架系统阻尼器的阻尼大小不可调，通过将路面不平度引起的振动能量转化为热能散失。其劣势在于，路面适应性较差，无法在各种路面条件下保证良好的减振效果，除此之外还造成了能量的浪费。电磁式半主动悬架以及主动悬架技术的发展较好地解决了路面适应性的问题，电磁式主动悬架使用电机作为阻尼执行器，根据汽车行驶的路面状况调整悬架刚度和阻尼，来主动抵消由于路面不平引起的振动。半主动悬架可根据汽车行驶的路面状况调节阻尼器阻尼值，保证乘坐舒适性和操控稳定性。和主动悬架相比，半主动悬架系统成本较低，实现较为简单，且效果良好。
传统悬架系统减振器使用油液作为传热介质，电磁式主动悬架/半主动悬架系统采用电机作为阻尼器，通过控制电机电枢电流大小实现对电磁阻尼的控制，同时当电机工作在发电机模式时，可以将悬架振动能量转化为电能储存起来。
发明内容
本发明的目的在于提供一种馈能式半主动悬架变阻尼系统与控制方法，本发明的阻尼器结构合理，阻尼调节方式科学有效，能够较理想的实现阻尼值大小对路况的适应，有效地降低汽车行驶车身加速度，提升乘坐舒适性，并实现车身振动能量的回收。
本发明通过以下技术方案来实现上述目的：
一种馈能式半主动悬架变阻尼系统，包括电磁阻尼作动器模块，用于产生可根据路面状况调节的电磁阻尼值；
PWM产生模块，用于产生占空比可调的PWM信号，驱动DC-DC电路；
阻尼控制电路模块，用于调节阻尼作动器电磁阻尼值。
本发明进一步的改进在于，电磁阻尼作动器模块包括外套筒，内套筒，馈能电机，滚珠丝杠，丝杠螺母，联轴器，控制回路以及控制器；其中，内套筒的一端套装在外套筒的一端内，外套筒的另一端与车身连接，内套筒的另一端与底盘连接，安装在悬架系统中，馈能电机安装于外套筒内，外套筒输出轴与滚珠丝杠通过联轴器连接，丝杠螺母安装于内套筒前端，控制电路输入端正极与馈能电机输出端正极相连，馈能电机输入端负极与控制电路负极相连，控制器通过控制电路控制馈能电机的启停。
本发明进一步的改进在于，PWM产生模块包括DSP微控制器，光耦驱动电路，以及光耦芯片；其中，DSP控制器PWM输出引脚与光耦驱动电路输入端相连，光耦驱动电路输出端与光耦芯片信号端相连，光耦芯片VCC端与电源相连。
本发明进一步的改进在于，阻尼控制电路模块包括整流桥B1，电容器C1、C2，电感L1，开关管M1，二极管D1，以及负载电池BAT1；其中，整流桥输出端正负极与电容器C1相连，电感L1与电容器C2和电容器C1均并联连接，开关管集电极与控制电路正极相连，开关管发射极与电感L1正极相连，开关管门极与PWM产生模块光耦芯片输出引脚相连，电池BAT1与电容器C2并联。
一种馈能式半主动悬架变阻尼系统的控制方法，包括以下步骤：
步骤1，采集馈能电机转速，计算参考电枢电流和转矩；
步骤2，采集馈能电机实际电枢电流，计算其与参考电流之差；
步骤3，以该差值为控制器输入进行PI调节，输出一定占空比的PWM信号；
步骤4，以该PWM信号驱动前述阻尼控制电路开关管M1，使其输入端电流逼近参考电流值，馈能电机输出目标转矩，同时给电池充电。
本发明进一步的改进在于，步骤1中，通过电机编码器采集馈能电机转速，电机电动势常数和转矩常数分别为Ke和KT，设电机转速为ω，根据ea＝Keω计算电机电枢电压，电机等效内阻及外部负载等效电阻分别为ra和RL，进一步计算出目标电机电枢电流目标电机电磁转矩Te＝KTia。
本发明进一步的改进在于，步骤4中，PWM波用于驱动阻尼控制电路中的开关管M1，阻尼控制电路输出端所接电池电压为uo，设控制器所产生PWM波占空比值为D，则阻尼控制电路输入端电压通过输出的占空比值得到目标电枢电压，进一步得到目标电枢电流及目标电机电磁转矩，滚珠丝杠及丝杠螺母将阻尼作动器直线位移转化为馈能电机旋转运动，使馈能电机工作在发电机模式，完成能量的回收。
与现有技术相比，本发明具有如下有益的技术效果：
本发明采用电机和滚珠丝杠组成的电磁式阻尼作动器，电机电磁响应速度快，控制技术成熟，且电机可工作在发电机模式实现部分能量的回收，滚珠丝杠机构结构紧凑，且传动效率较高，可高效地将悬架系统直线位移转化为电机旋转运动。PWM生成模块使用DSP微处理器，其时间管理器ePWM模块可输出载波频率及占空比可调的PWM信号，且不产生系统中断，提升了运算效率，采用6N136光耦芯片，速度快，线性特性好，可改善生成PWM波形的稳定性。阻尼控制电路模块通过PWM信号驱动，基于DC-DC变换，可实现电路两端电压比，响应速度快，结构可靠，可实现电机负载电压的快速改变。
附图说明
图1为本发明馈能式半主动悬架变阻尼系统结构示意图。
图2为本发明所述馈能电机等效模型图。
图3为本发明半主动悬架变阻尼馈能作动器结构示意图。
图中：11-外套筒，12-内套筒，21-馈能电机，31-滚珠丝杠，32-丝杠螺母，33-联轴器。
图4为本发明所述半主动悬架变阻尼系统的控制流程图。
具体实施方式
为更进一步阐述发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及实施例，对依据本发明提出的馈能式半主动悬架变阻尼系统的具体实施方式，结构，特征及其功效，详细说明如后。
下面结合附图对本发明作进一步的说明。
参照图1，一种馈能式半主动悬架变阻尼系统与控制方法，其中变阻尼系统包括馈能作动器及阻尼控制电路。
参照图3，馈能作动器由与车身连接的外套筒11、与底盘连接的内套筒12、馈能电机21、滚珠丝杠33、联轴器31和丝杠螺母32组成，其中所述电机轴和所述滚珠丝杠轴通过联轴器相固接，安装于内外套筒内部，丝杠螺母安装于内套筒前端，将外套筒连接于汽车车身，内套筒与底盘相连，电磁阻尼作动器相对直线运动通过滚珠丝杠轴转化为电机的旋转运动，实现能量的回收。
参照图1，馈能式半主动悬架变阻尼系统阻尼控制电路，包括整流桥、DC-DC变换电路、电池以及控制器，电机输出线与整流桥输入端相连，整流桥输出端与DC-DC变换电路输入端相连，电池与DC-DC变换电路输出端相连，组成变阻尼系统阻尼控制电路。所述控制器由DSP微处理器及数据采集系统组成，采集电机输出端电流ia，电压ea，负载电阻RL以及电机转速ω等数据，通过PI控制器计算，其输出信号为占空比为D的PWM波，用于驱动DC-DC变换电路中的开关管M1。
参见图2，为上述电机阻尼器的等效电路模型，其中电机等效内阻为ra，电机外部负载等效电阻为RL，电枢电流为ia，电机电动势常数和转矩常数分别为Ke和KT，设电机转速为ω，滚珠丝杠轴的导程为l，所以电机转速与车身与底盘之间直线相对运动速度的关系为电机电枢电动势ea＝Keω，且进一步得到电机目标输出转矩Te＝KTia，可以通过控制电机电枢电流或电枢电压值的大小实现对电机实际电磁转矩的控制。
参见图4，所述馈能式半主动悬架变阻尼系统控制方法，包括以下步骤：
第一步，利用控制器采集到的车身与底盘之间的直线相对运动速度v，滚珠丝杠导程为l,利用计算出此时电机的转速ω；
第二步，在控制器内根据电机电枢电动势ea＝Keω，计算出电枢电压ea，电机等效内阻及外部负载等效电阻分别为ra和RL，进一步计算出目标电机电枢电流目标电机电磁转矩Te＝KTia；
第三步，在控制器内令上述计算所得电枢电流ia为参考电流iref，令控制器采集所得电机实际电枢电流为iact，令实际电枢电流与参考电流之间的差值e＝|iref-iact|作为PI控制器的输入，以转矩大小为控制目标，经过PI调节输出占空比为D的PWM波；
第四步，所述PWM波用于驱动DC-DC变换电路中的开关管，DC-DC变换电路输出端所接电池电压为uo，设控制器所产生PWM波占空比值为D，则DC-DC变换电路输入端电压通过输出合适的占空比值可得到目标电枢电压，进一步得到目标电枢电流及目标电机电磁转矩。
第五步，在下一个采样周期中，重复第一步到第四步的操作。
以上所述仅是本发明的一优选实施方式，并非对本发明作任何限定，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种馈能式半主动悬架变阻尼系统，其特征在于，包括电磁阻尼作动器模块，用于产生可根据路面状况调节的电磁阻尼值；
PWM产生模块，用于产生占空比可调的PWM信号，驱动DC-DC电路；
阻尼控制电路模块，用于调节阻尼作动器电磁阻尼值。
2.根据权利要求1所述的一种馈能式半主动悬架变阻尼系统，其特征在于，电磁阻尼作动器模块包括外套筒(11)，内套筒(12)，馈能电机(21)，滚珠丝杠(31)，丝杠螺母(32)，联轴器(33)，控制回路以及控制器；其中，内套筒(12)的一端套装在外套筒(11)的一端内，外套筒(11)的另一端与车身连接，内套筒(12)的另一端与底盘连接，安装在悬架系统中，馈能电机(21)安装于外套筒(11)内，外套筒(11)输出轴与滚珠丝杠(31)通过联轴器(33)连接，丝杠螺母(32)安装于内套筒(12)前端，控制电路输入端正极与馈能电机(21)输出端正极相连，馈能电机(21)输入端负极与控制电路负极相连，控制器通过控制电路控制馈能电机(21)的启停。
3.根据权利要求2所述的一种馈能式半主动悬架变阻尼系统，其特征在于，PWM产生模块包括DSP微控制器，光耦驱动电路，以及光耦芯片；其中，DSP控制器PWM输出引脚与光耦驱动电路输入端相连，光耦驱动电路输出端与光耦芯片信号端相连，光耦芯片VCC端与电源相连。
4.根据权利要求3所述的一种馈能式半主动悬架变阻尼系统，其特征在于，阻尼控制电路模块包括整流桥B1，电容器C1、C2，电感L1，开关管M1，二极管D1，以及负载电池BAT1；其中，整流桥输出端正负极与电容器C1相连，电感L1与电容器C2和电容器C1均并联连接，开关管集电极与控制电路正极相连，开关管发射极与电感L1正极相连，开关管门极与PWM产生模块光耦芯片输出引脚相连，电池BAT1与电容器C2并联。
5.权利要求4所述的一种馈能式半主动悬架变阻尼系统的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，采集馈能电机(21)转速，计算参考电枢电流和转矩；
步骤2，采集馈能电机(21)实际电枢电流，计算其与参考电流之差；
步骤3，以该差值为控制器输入进行PI调节，输出一定占空比的PWM信号；
步骤4，以该PWM信号驱动前述阻尼控制电路开关管M1，使其输入端电流逼近参考电流值，馈能电机(21)输出目标转矩，同时给电池充电。
6.根据权利要求5所述的一种馈能式半主动悬架变阻尼系统控制方法，其特征在于，步骤1中，通过电机编码器采集馈能电机(21)转速，电机电动势常数和转矩常数分别为Ke和KT，设电机转速为ω，根据ea＝Keω计算电机电枢电压，电机等效内阻及外部负载等效电阻分别为ra和RL，进一步计算出目标电机电枢电流目标电机电磁转矩Te＝KTia。
7.根据权利要求5所述的一种馈能式半主动悬架变阻尼系统的控制方法，其特征在于，步骤4中，PWM波用于驱动阻尼控制电路中的开关管M1，阻尼控制电路输出端所接电池电压为uo，设控制器所产生PWM波占空比值为D，则阻尼控制电路输入端电压通过输出的占空比值得到目标电枢电压，进一步得到目标电枢电流及目标电机电磁转矩，滚珠丝杠(31)及丝杠螺母(32)将阻尼作动器直线位移转化为馈能电机(21)旋转运动，使馈能电机(21)工作在发电机模式，完成能量的回收。
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