CN114172411A - 一种应用开关磁阻电机的悬架振动抑制系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种应用开关磁阻电机的悬架振动抑制系统及方法，涉及汽车悬架技术领域，开关磁阻电机将被动悬架上的传递的机械能转化为电能；所述功率变换器为开关磁阻电机励磁和续流提供回路，检测电路用来检测开关磁阻电机的位置信号、电压和电流；SRM控制器对检测电路输出的位置信号进行判断后输出开关信号给功率变换器，功率变换器根据开关信号断开或导通开关磁阻电机中各相电流，最终实现转矩分配；所述直流电源为功率变换器提供能量。本发明将开关磁阻电机代替阻尼减震器，并通过控制电流的大小实现输出最优阻尼力，同时本发明中通过利用SRM控制器，有效减少了SRM转矩脉动，在提高SRM工作性能的同时，提高车辆行驶平顺性和稳定性。
Description
技术领域
本发明属于汽车悬架技术领域，具体涉及到一种利用开关磁阻电机来减小汽车悬架系统振动的系统及方法。
背景技术
悬架系统是汽车的重要组成部分，具有减小路面激励引起的振动、承载车身、传递扭矩等功能。它可以把路面作用于车轮的支撑力、牵引力、制动力等各项力以及力矩传递给车身，同时吸收缓和行驶过程中路面对车身的冲击并衰减弹性系统引发的振动，从而提升驾驶者的舒适感。
悬架系统根据控制方式的不同，可以分为被动悬架、半主动悬架和主动悬架。被动悬架系统的刚度和阻尼系数是根据经验设计并优化的，一经设定后续无法调节，其减振性能有限。主动悬架则是在被动悬架的基础上，增加有源可控制的元件，形成闭环系统，从而根据路况和车辆行驶状态调节控制执行器的输出力，从而保证车辆处于最佳运动状态。而半主动悬架则由无源但可控制的元件构成，通过储存在计算机系统里的优化参数指令来调节阻尼系数和弹簧刚度，使悬架对复杂的路况具备较好的适应性。相比于被动悬架减振性能差，主动悬架能耗高、成本高、可靠性低等缺点，半主动悬架结构简单，工作时不需要消耗汽车动力就可取得与主动悬架相近的性能，可以更快地投入市场应用，因此具备广阔的发展前景。
由于汽车弹性元件需要承担汽车本身的静载，所以实施刚度调节比阻尼调节困难得多，因此在半主动悬架领域，对阻尼减振器的研究较多。阻尼减振器又分为传统减振器和电流变、磁流变减振器。传统阻尼可调减振器分为有级可调和连续可调，通过开关型节流阀或连续活门来控制液体阻尼大小从而实现阻尼有级或连续可调。电流变和磁流变阻尼器是调节上下腔通路上的电场或磁场而改变减振液黏性，实现阻尼无级变化，其本质上是利用新型智能材料作为减振液，从而避免了传统液压阀的振动冲击和噪声。但是在汽车实际推广应用中，实现电源和减振液特性的长期稳定性是一个较大难题。
总而言之，在半主动悬架领域中，传统可调减振器有无法克服的缺点，节流阀制造精度要求高、结构复杂、响应慢等，而电流变、磁流变阻尼器数学模型很难确定导致减振器控制复杂调节不便。
发明内容
针对现有技术中半主动悬架减振器调节不便，控制方法复杂的缺点，本发明提供了一种应用开关磁阻电机的悬架振动抑制系统，本发明将开关磁阻电机代替阻尼减震器，并通过控制电流的大小实现输出最优阻尼力，同时本发明中通过利用SRM控制器，有效减少了SRM转矩脉动，在提高SRM工作性能的同时，提高车辆行驶平顺性和稳定性。
本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。
一种应用开关磁阻电机的悬架振动抑制系统，包括开关磁阻电机、功率变换器、检测电路、SRM控制器和直流电源；所述开关磁阻电机将被动悬架上的传递的机械能转化为电能；所述功率变换器为开关磁阻电机励磁和续流提供回路，检测电路用来检测开关磁阻电机的位置信号、电压和电流；SRM控制器对检测电路输出的位置信号进行判断后输出开关信号给功率变换器，功率变换器根据开关信号断开或导通开关磁阻电机中各相电流，最终实现转矩分配；所述直流电源为功率变换器提供能量。
进一步的，所述SRM控制器包括PI控制器模块，转速计算模块，转矩分配函数模块和滞环控制器模块；所述SRM控制器的输入包括预设角速度ω*、电机转子角度θ以及电机输出转矩Ti；转速计算模块根据SRM开关磁阻电机的转子角度θ计算出电机的实际角速度ω，根据预设角速度ω*，将ω*和ω的差值作为PI控制器的输入，PI控制器输出一个预设转矩Tref，预设转矩Tref根据转矩分配函数模块被分成各相的预设转矩
预设转矩
和实际转矩Ti的差值将被用作所述滞环控制器模块的输入；最后经过处理，滞环控制器输出“1”或“0”的开关信号Si；开关信号Si作为功率变换器的一部分输入控制主电路的通断，实现转矩的输出。
进一步的，还包括负载，所述负载用来储存电能。
进一步的，所述开关磁阻电机的转子通过机械结构件分别与被动悬架系统中的簧上质量(车身)和簧下质量(轮胎)链接。
进一步的，所述机械结构件包括第一刚性杆和第二刚性杆。
应用开关磁阻电机的悬架振动抑制系统的方法，包括如下步骤：
步骤一：理想车况下设定好开关磁阻电机转子位置，在磁通最大，磁阻最小位置；
步骤二：通过位置传感器读取开关磁阻电机转子位置信息；
步骤三：判断此时开关磁阻电机转子是否在导通区间内，若是，则开始下个步骤，若否，重复上个步骤；
步骤四：导通开关磁阻电机相应绕组；
步骤五：通过位置传感器、电流传感器分别获得开关磁阻电机的转速以及绕组电流，利用SRM控制器实行SF控制策略；
步骤六：判断此时是否收到开关磁阻电机停机指令，若是，则车辆停止开关磁阻电机恢复初始状态并关机；若否，则重复步骤二-步骤五。
本发明的有益效果是：
1.汽车领域中直线电机一般用作驱动车辆，由于电机本身质量和气隙偏心率的影响会产生不平衡电磁力反而影响汽车平顺性。本发明却将开关磁阻电机应用于悬架减振，不仅利用好开关磁阻电机转矩大的优点，还在削弱车身振动的基础上有效避免电机本身产生多余振动，同时利用发电特性，将振动能量转换为电能备用，实现了节能减排的良好功能。
2.选用的开关磁阻电机无齿槽转矩，启动转矩大，具有良好减振效果。开关磁阻电机转子上没有任何形式的绕组、永磁体、滑环等，定子上只有简单的集中绕组，绕组端部较短，没有相间跨接线，因此SRM电机结构简单，造价低，材料利用系数高，与直流电机甚至感应电机相比，体积小、坚固、耐高温，从而保证了整个悬架系统的运行稳定性。
3.本发明中采用SRM控制器，SRM控制器提供一种转矩控制策略，即转矩分配函数TSF。该方法根据转子角θ的变化，利用分段函数把反馈的总参考转矩值，合理分配成各相的转矩值，实现SRM平滑地转矩输出，在减轻电机转矩脉动和工作噪声的同时，提高悬架系统的响应速率。
4.该悬架系统可以通过对电流的导通、断开控制轻松实现系统的软启动。该方法所需设备简单，且控制部分依赖于算法，成本较低，有利于工程实现。
附图说明
图1为根据本发明实施例的开关磁阻电机系统结构示意图；
图2为根据本发明实施例的两相4/2极开关磁阻电机的结构示意图；
图3为根据本发明实施例的一种应用开关磁阻电机系统减振的悬架结构示意图；
图4为本发明中开关磁阻电机系统中的SRM控制器示意图；
图5为根据本发明实施例的一种应用开关磁阻电机减弱悬架振动的方法原理流程图；
图6为本发明实施例中开关磁阻电机系统中的功率变换器。
附图标记：
11-开关磁阻电机；12-功率变换器；13-检测电路；14-SRM控制器；41-PI控制器模块；42-转矩分配函数模块；43-转速计算模块；44-滞环控制器模块；15-负载；16-直流电源。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“轴向”、“径向”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
一种应用开关磁阻电机的悬架振动抑制系统，包括开关磁阻电机11、功率变换器12、检测电路13、SRM控制器14和直流电源16；所述开关磁阻电机11将被动悬架上的传递的机械能转化为电能；所述功率变换器12为开关磁阻电机11励磁和续流提供回路，检测电路13用来检测开关磁阻电机11的位置信号、电压和电流；SRM控制器14对检测电路13输出的位置信号进行判断后输出开关信号给功率变换器12，功率变换器12根据开关信号断开或导通开关磁阻电机11中各相电流，最终实现转矩分配；所述直流电源16为功率变换器15提供能量。
进一步的，所述SRM控制器14包括PI控制器模块41，转速计算模块43，转矩分配函数模块42和滞环控制器模块44；所述SRM控制器14的输入包括预设角速度ω*、电机转子角度θ以及电机输出转矩Ti；转速计算模块43根据开关磁阻电机11的转子角度θ计算出电机的实际角速度ω，根据预设角速度ω*，将ω*和ω的差值作为PI控制器41的输入，PI控制器41输出一个预设转矩Tref，预设转矩Tref根据转矩分配函数模块42被分成各相的预设转矩
预设转矩
和实际转矩Ti的差值将被用作所述滞环控制器模块44的输入；最后经过处理，滞环控制器44输出“1”或“0”的开关信号Si；开关信号Si作为功率变换器12的一部分输入控制主电路的通断，实现转矩的输出。
进一步的，还包括负载15，所述负载15用来储存电能。
进一步的，所述开关磁阻电机11的转子通过机械结构件分别与被动悬架系统中的簧上质量车身和簧下轮胎链接。
进一步的，所述机械结构件包括第一刚性杆21和第二刚性杆22。
应用开关磁阻电机的悬架振动抑制系统的方法，包括如下步骤：
步骤一：理想车况下设定好开关磁阻电机11转子位置，在磁通最大，磁阻最小位置；
步骤二：通过位置传感器读取开关磁阻电机11转子位置信息；
步骤三：判断此时开关磁阻电机11转子是否在导通区间内，若是，则开始下个步骤，若否，重复上个步骤；
步骤四：导通开关磁阻电机11相应绕组；
步骤五：通过位置传感器、电流传感器分别获得开关磁阻电机11的转速以及绕组电流，利用SRM控制器14实行SF控制策略；
步骤六：判断此时是否收到开关磁阻电机11停机指令，若是，则车辆停止开关磁阻电机11恢复初始状态并关机；若否，则重复步骤二-步骤五。
实施例
结合附图1所示，本发明系统包括开关磁阻电机11、功率变换器12、检测电路13、控制器14、负载15和直流电源16；在车辆行驶过程中，悬架会因受到路面激励而不断振动，期间的部分机械能会传递给开关磁阻发电机11并由开关磁阻发电机实现机电能量转换。功率变换器12承担着两个重要任务，一是连接直流电源16和电机绕组，为机械能到电能的转化提供足够的励磁，同时通过开关控制实现不同的控制目标；二是连接电机绕组和负载15，为电机绕组提供储能电路。
结合附图6所示，本发明采用功率变换器是传统不对称半桥功率变换器，每相由两个续流二极管和两个IGBT(开关管)组成，可单独控制各相，灵活方便。若当电机运行时，S3、S4导通，S1、S2关闭，B相绕组两端为直流母线电压，即B相励磁，转子受到B相绕组的磁拉力开始旋转。通过控制S1、S2、S3、S4四个IGBT通断控制相绕组的励磁情况，而D1、D2、D3、D4四个续流二极管提供相时快速的退磁反馈回路。功率变换器12由SRM控制器14提供的开关信号来独立控制各个开关，从而分别向相绕组施加正电压、零电压、负电压，实现励磁、续流、退磁三种工作模式。检测电路13可以检测SRM开关磁阻电机的电压与电流、位置信号。其中的位置检测是开关磁阻电机正常运行的前提条件，也是控制策略实施的理论依据，本发明采用的是广泛应用的光电式位置传感器，其齿盘与电机转子同轴，并且极数相同，齿槽距相等；两只光电开关相隔15°固定在机壳上。因此，当开关磁阻电机旋转时，两个光电开关通过外围电路输出两路相差90°信号，经整流、滤波便可获得较好的方波信号。捕捉这两路信号的上下沿即可获得开关磁阻电机各相触发的基准点并可在此基础上实现位置和速度的检测。SRM控制器14则是对检测电路13输入的位置信号进行判断后输出开关信号给功率变换器12，功率变换器12根据开关信号断开或导通电机中各相电流，最终实现转矩分配功能。同时SRM控制器14采用的控制策略是TSF转矩分配控制，可有效解决开关磁阻电机11转矩脉动过大的问题。负载15作为电池，用来储存电能。
结合附图2所示，开关磁阻电机11，定子极数为4，转子极数为2，定子上相互对应的两极用线圈串联，构成电机的一相绕组，4极即为双相，转子由硅钢片叠加而成。SRM为双凸极结构，遵循“磁阻最小原则”，即磁通总要沿着磁阻最小的路径闭合，所以当转子轴线与定子磁极轴线不重合，就会有磁阻力作用于转子上并产生转矩使其趋向于磁阻最小位置。定子极B-B’对齐转子极，此时给定子极A-A′相绕组通电，即直流电源VDC对其励磁形成T1→A→A′→T2励磁回路。根据“磁阻最小原则”，转子极将有向定子极A-A′运动的趋势，并受到了沿着定子极B-B′顺时针方向的拉力作用，该拉力与电机旋转方向相反，转子上的机械能转化为磁能储存于磁场中。当开关管T1、T2断开时，A-A′相绕组通过二极管D1、D2续流，形成续流回路，绕组内电流方向不改变，电源VDC极性与原来相反，将绕组和磁场中储藏的磁能释放，转化为电能回馈。从而完成了机械能和电能之间以磁场为媒介的机电能量转化过程。根据基本电路定律和电磁感应定律，第k相绕组电压方程表示为:
其中，Uk为第k相绕组电压，Rk为第k相绕组电阻，ik为第k相绕组电流，ψk为第k相绕组磁链。因为只需考虑一相通电。可以忽略互感和磁漏的影响，磁链ψk可通过用电感Lk和相电流ik来表示，即
ψk(θ,ik)＝Lk(θ,ik)ik (2)
实际运行中，如果电机的电磁转矩Te和电机负载转矩TL存在差异时，SRG转子会产生角加速度d2θ/dt2，按照力学定律，可得出机械运动方程为：
式(3)中，J是转动惯量，D为需要克服的摩擦系数，由此可知当SRG平稳运行时，d2θ/dt2＝0，式(3)可改写为
SRM运行时，有一部分能量储存在线圈中成为磁共能wm，电磁转矩Te和磁共能wm之间的关系可表示为：
如果在不计磁场饱和，磁路非线性和磁通边缘效应，同时忽略磁滞和涡流效应等功率损耗的理想情况下，电磁转矩可表示为：
结合附图3所示，两相4/2极开关磁阻发电机的两个转子通过第一刚性杆21和第二刚性杆22分别与悬架的簧上质量ms和簧下质量mu相连。当汽车在道路上行驶时，车辆振动主要表现为簧上质量和簧下质量相对于地面的垂向位移，而二者之间的相对位移会迫使转子发生旋转，从而达到利用SRG发电节能的目的，而机械振动能量转换为电能，有效地抑制了悬架的振动。该悬架系统由被动悬架和SRM开关磁阻电机系统通过机械结构件耦合而成，其中被动悬架以传统汽车四分之一悬架为例。
结合附图4所示，开关磁阻电机的转矩分配函数控制策略被集成为SRM控制器14。转矩分配函数(Torque Sharing Function，TSF)其核心思路是设定转矩分配函数，根据转子角θ的变化，利用分段函数把反馈的总参考转矩值，合理分配成各相的转矩值。SRM控制器14包括PI控制器模块41，转速计算模块43，转矩分配函数模块42和滞环控制器模块44；该系统的输入由预设角速度ω*、电机转子角度θ以及电机输出转矩Ti组成，输出是功率变换器38mos管的开关信号Si。首先，转速计算模块13根据电机的转子角度θ计算出电机的实际角速度ω。接着，预设一个角速度ω*，将ω*和ω的差值作为PI控制器41的输入，PI控制器41会输出一个预设转矩Tref。预设转矩根据转矩分配函数模块42被分成各相的预设转矩
然后，预设转矩
和实际转矩Ti的差值将被用作滞环控制器模块44的输入。最后经过处理，滞环控制器44输出“1”或“0”的开关信号Si。开关信号Si作为功率变换器38的一部分输入可控制主电路的通断，从而实现转矩的良好输出。这其中，转矩分配函数模块常用的正弦型转矩分配函数的表达式可以表示为:
上式中θon,θov,θoff,τr分别为开通角，重叠角，关断角和转子极距。而预设转矩Tref和
各相预设转矩
的关系定义为：
结合附图5所示是整个发明方法的原理流程图。首先需要在车辆静止或者在相当平坦路面匀速行驶的理想情况下，测出簧上质量与簧下质量的之间相对位置，选择好长度适当的机第一刚性杆21和第二刚性杆22，将开关磁阻电机11与被动悬架耦合，此时开关磁阻电机11中转子极与定子极B-B′的轴线重合，保持磁通最大，磁阻最小。当车辆开始行驶，一旦遇到路面突起时，簧下质量先行向上位移，第二刚性杆22上抬，第一刚性杆21下移，推动转子逆时针转，该过程中电磁转矩与机械力矩方向相反，从而抑制悬架振动，并通过图1所示发电模块回收机械能量，实现节能目的。同时利用图4所示的TSF转矩分配策略，实现转矩切换平稳过渡，有效克服了所采用双相4/2极开关磁阻电机转矩脉动过大这一缺点。
综上所述，本发明方法不仅能够有效减弱汽车行驶过程中车身的振动，提升乘坐人员舒适感并且在不影响汽车正常行驶的情况下，起到能量回收、节能减排的效果。对本领域的技术人员在不背离本发明的精神和保护范围的情况下做出的其它的变化和修改，仍包括在本发明保护范围之内。
SRM，英文全称：Switched Reluctance Motor，中文全称：开关磁阻电机。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“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。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
Claims (6)
1.一种应用开关磁阻电机的悬架振动抑制系统，其特征在于，包括开关磁阻电机(11)、功率变换器(12)、检测电路(13)、SRM控制器(14)和直流电源(16)；所述开关磁阻电机(11)将被动悬架上的传递的机械能转化为电能；所述功率变换器(12)为开关磁阻电机(11)励磁和续流提供回路，检测电路(13)用来检测开关磁阻电机(11)的位置信号、电压和电流；SRM控制器(14)对检测电路(13)输出的位置信号进行判断后输出开关信号给功率变换器(12)，功率变换器(12)根据开关信号断开或导通开关磁阻电机(11)中各相电流，最终实现转矩分配；所述直流电源(16)为功率变换器(15)提供能量。
2.根据权利要求1所述的应用开关磁阻电机的悬架振动抑制系统，其特征在于，所述SRM控制器(14)包括PI控制器模块(41)，转速计算模块(43)，转矩分配函数模块(42)和滞环控制器模块(44)；所述SRM控制器(14)的输入包括预设角速度ω*、电机转子角度θ以及电机输出转矩Ti；转速计算模块(43)根据开关磁阻电机(11)的转子角度θ计算出电机的实际角速度ω，根据预设角速度ω*，将ω*和ω的差值作为PI控制器(41)的输入，PI控制器(41)输出一个预设转矩Tref，预设转矩Tref根据转矩分配函数模块(42)被分成各相的预设转矩
预设转矩
和实际转矩Ti的差值将被用作所述滞环控制器模块(44)的输入；最后经过处理，滞环控制器(44)输出“1”或“0”的开关信号Si；开关信号Si作为功率变换器(12)的一部分输入控制主电路的通断，实现转矩的输出。
3.根据权利要求1所述的应用开关磁阻电机的悬架振动抑制系统，其特征在于，还包括负载(15)，所述负载(15)用来储存电能。
4.根据权利要求1所述的应用开关磁阻电机的悬架振动抑制系统，其特征在于，所述开关磁阻电机(11)的转子通过机械结构件分别与被动悬架系统中的簧上质量(车身)和簧下(轮胎)链接。
5.根据权利要求4所述的应用开关磁阻电机的悬架振动抑制系统，其特征在于，所述机械结构件包括第一刚性杆21和第二刚性杆22。
6.根据权利要求1至5任一项所述的应用开关磁阻电机的悬架振动抑制系统的方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一：理想车况下设定好开关磁阻电机(11)转子位置，在磁通最大，磁阻最小位置；
步骤二：通过位置传感器读取开关磁阻电机(11)转子位置信息；
步骤三：判断此时开关磁阻电机(11)转子是否在导通区间内，若是，则开始下个步骤，若否，重复上个步骤；
步骤四：导通开关磁阻电机(11)相应绕组；
步骤五：通过位置传感器、电流传感器分别获得开关磁阻电机(11)的转速以及绕组电流，利用SRM控制器(14)实行SF控制策略；
步骤六：判断此时是否收到开关磁阻电机(11)停机指令，若是，则车辆停止开关磁阻电机(11)恢复初始状态并关机；若否，则重复步骤二-步骤五。
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| CN202111293572.XA CN114172411A (zh) | 2021-11-03 | 2021-11-03 | 一种应用开关磁阻电机的悬架振动抑制系统及方法 |
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2021
- 2021-11-03 CN CN202111293572.XA patent/CN114172411A/zh active Pending
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