CN114654953B - 基于作动器自身质量改进的主动悬架及其控制器设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开车辆悬架领域中的一种基于作动器自身质量改进的主动悬架及其控制器设计方法，通过改进主动力作动器在悬架整体结构中的布置方式，将现有二级减振主动悬架作动器的电机端与整体外圈式橡胶弹簧固定联结，套筒端与车身固定连接，包含作动器自身质量作为新增悬架第三质量的一部分，与整体外圈式橡胶弹簧以及非虚拟质量一起成为悬架第三质量，减少额外附加质量的布置，满足汽车轻量化的需求，有效解决现有二级减振主动悬架正则化以后主动控制力无法直接作用在簧载质量的问题；设计控制器时，在整体外圈式橡胶弹簧非线性刚度以及阻尼的基础上增加了一个虚拟刚度和一个虚拟阻尼这两个控制器参数，进一步提升悬架性能。

Description

基于作动器自身质量改进的主动悬架及其控制器设计方法

技术领域

本发明属于车辆悬架技术领域，尤其涉及二级减振主动悬架的结构及其控制器的设计，具体是改进二级减振主动悬架中的作动器自身质量以及确定该悬架的控制器的参数。

背景技术

针以车辆的二级减振主动悬架，为应对悬架中的旋转电机式作动器等效惯性质量过大的问题，中国专利申请号为201810431986.6、名称为“一种螺旋弹簧与橡胶弹簧异轴心的主动悬架”的文献中提出了一种异轴式两级减振式主动悬架结构，其中的主动力作动器与螺旋弹簧异轴安装，主动力作动器同轴心地串接一个整体外圈式橡胶弹簧；另一中国专利申请号为201810431437、名称为“一种采用与主动力作动器同轴心橡胶弹簧的主动悬架”的文献，提出了一种主动力作动器与螺旋弹簧同轴心的主动悬架，将主动力作动器同轴心地串接一个内管向上偏置的整体外圈式橡胶弹簧。虽然上述异轴或同轴的二级减振结构可以减小车轮对主动力作动器的加速度输入，进而减小了作动器等效惯性力对其需求控制力的放大影响。但是，上述两种主动悬架存在共同的不足之处是：为了减小非簧载质量(车轮质量)，将作动器的电机端与车身连接，增加一级减振结构后，在作动器等效惯性质量作用下，描述悬架系统运动的状态方程在对质量矩阵正则化后，作动器控制力无法直接作用在簧载质量上，导致其控制器在设计时，必须在悬架综合性能评价指标中额外增加一个控制力约束，此外，这两种二级减振主动悬架在车身高频振动时，减振效果不明显。

发明内容

本发明针对上述的二级减振主动悬架存在的状态方程在对质量矩阵正则化后作动器控制力无法直接作用在簧载质量以及妆车身高频振动时减振效果欠佳的不足，提出了一种基于作动器自身质量改进的主动悬架，同时提出能够有效控制该主动悬架的专用控制器的设计方法，可以有效解决现有二级减振主动悬架存在的问题，在设计控制器时，增加了对一个虚拟刚度和一个虚拟阻尼这两个控制器参数的优化，提升悬架性能。

本发明所述的基于作动器自身质量改进的主动悬架采用的技术方案是：包括主动力作动器和整体外圈式橡胶弹簧，整体外圈式橡胶弹簧下端固定在车轮，主动力作动器由内筒和外筒组成其套筒端，由主动力作动器端盖和永磁同步电机组成其电机端，所述的套筒端在上方且固定连接车身，电机端在下方且刚性连接位于电机端下方的非虚拟质量，非虚拟质量刚性连接下方的整体外圈式橡胶弹簧。

所述的基于作动器自身质量改进的主动悬架的控制的设计方法采用的技术方案是包括以下步骤：

步骤1)建立控制模型，主动力作动器等效为主动力控制力F_e，库伦阻尼力F_f和等效惯性质量m_e并联，整体外圈式橡胶弹簧等效为一个虚拟线性刚度k_c和一个虚拟线性阻尼c_c并联，包含了永磁同步电机、主动力作动器端盖的作动器自身质量和整体外圈式橡胶弹簧等效为悬架自身质量m_c0，悬架自身质量m_c0和非虚拟质量的质量m_cv之和等效为悬架第三质量m_c＝m_c0+m_cv；

步骤2)：根据控制模型求出质量矩阵M、阻尼矩阵C和刚度矩阵K：

步骤3)：先选取状态向量X，再根据质量矩阵M、阻尼矩阵C和刚度矩阵K以及状态向量X得到控制器的状态方程；

步骤4)：建立评价悬架性能的悬架综合性能评价指标函数J，根据状态向量X和及其状态方程，得到悬架综合性能评价指标函数J的二次型标准形式；

步骤5)：基于悬架综合性能评价指标函数J的二次型标准形式，求出控制主动悬架的反馈向量K：

步骤6)：由反馈向量K、状态向量X以及主动力作动器内部的库伦阻尼力F_f的计算得到控制器输出的理想主动控制力F_e＝-KX-F_f。

本发明采用上述技术方案后，具有的有益效果是：

1、本发明通过改进主动力作动器在悬架整体结构中的布置方式，将现有二级减振主动悬架作动器的电机端与整体外圈式橡胶弹簧的外圈固定联结，滚珠丝杠套筒端与车身固定连接，利用包含永磁同步电机、滚珠丝杠、外壳等作动器自身质量作为新增悬架第三质量的一部分，并与整体外圈式橡胶弹簧以及附加的非虚拟质量一起成为悬架第三质量，增加的悬架第三质量，可以减少额外附加质量的布置，在提高悬架性能的同时尽量满足汽车轻量化的需求，有效解决现有二级减振主动悬架正则化以后主动控制力无法直接作用在簧载质量的问题，在构建悬架综合性能指标时使簧载质量加速度可控，不需要额外增加一个力约束，同时也能大幅度提升高频振动下的减振性能，能够进一步提升汽车行驶时的乘坐舒适性。

3、设计控制器时，除对以作动器自身质量及整体外圈式橡胶弹簧质量和为基准进行悬架第三质量这个系统参数进行优化以外，还在整体外圈式橡胶弹簧非线性刚度及阻尼的基础上增加了一个虚拟刚度及一个虚拟阻尼这两个控制器参数，并针对橡胶弹簧的非线性因素通过等效成为一个并联的刚度和阻尼使系统线性化，使控制器具有更好的稳定性和可优化性，进一步提升悬架性能。

4、本发明采用的LQG控制，同时适用于异轴式和同轴式两种改进结构的主动悬架，在设计控制器时只需改动部分矩阵参数，实用性强，可以缩短控制器设计周期。

附图说明

图1是本发明所述的基于作动器自身质量改进的主动悬架的第一种实施例的结构图，是主动力作动器4与螺旋弹簧2异轴安装的异轴式二级减振主动悬架的结构图；

图2是图1所示的异轴式二级减振主动悬架的控制模型图；

图3是本发明所述的基于作动器自身质量改进的主动悬架的第二种实施例的结构图，是主动力作动器4与螺旋弹簧2同轴安装的同轴式二级减振主动悬架的结构图；

图4是图3所示的同轴式二级减振主动悬架的控制模型图；

图5是图1和图3中的主动力作动器4的结构放大图；

图中：1.车身；2.螺旋弹簧；3.车轮；4.主动力作动器；4-1.衬套；4-2.内筒；4-3.外筒；4-4.永磁同步电机；4-5.主动力作动器端盖；4-6.螺母；5.非虚拟质量；6.整体外圈式橡胶弹簧；7.车身质量加速度传感器；8.控制器；9.悬架第三质量；10.车轮质量加速度传感器。

具体实施方式

如图1和图3所示，规定本发明的方位是：以地面为“下”方，车身1为“上”方，主动力作动器4和整体外圈式橡胶弹簧6安装在车身1和车轮3之间，车轮3在地面上滚动。

本发明所述的两种基于作动器自身质量改进的主动悬架，如图1和图3所示，分别是基于作动器质量改进的异轴式和同轴式的二级减振主动悬架，两种二级减振主动悬架都具有相同的主动力作动器4，主动力作动器4的结构如图5所示，由衬套4-1、内筒4-2、外筒4-3、永磁同步电机4-4、主动力作动器端盖4-5和螺母4-6组成，外筒4-3和永磁同步电机4-4固定在主动力作动器端盖4-5上端，外筒4-3内同轴套有内筒4-2，内筒4-2的外壁与外筒4-3的内壁密封相接，并且内筒4-2能沿外筒4-3的内壁上下滑动。内筒4-2向上伸出并且顶部用螺栓固定衬套4-1，衬套4-1固定连接于车身1。永磁同步电机4-4的输出轴和套接于外筒4-3内的滚珠丝杠的驱动轴在主动力作动器端盖4-5内通过皮带轮连接。永磁同步电机4-4通过控制线连接于控制器，由控制器控制永磁同步电机4-4工作，输出作动器控制力。由内筒4-2和外筒4-3组成套筒端，由主动力作动器端盖4-5和永磁同步电机4-4组成电机端。主动力作动器4的布置方式都是：套筒端在上方，通过衬套4-1连接上方的车身1，电机端在下方，通过螺母4-6刚性连接下方的非虚拟质量5，非虚拟质量5再刚性连接下方的整体外圈式橡胶弹簧6，即在电机端和整体外圈式橡胶弹簧6之间固结一个附加的非虚拟质量5。整体外圈式橡胶弹簧6和外筒4-3同轴心，整体外圈式橡胶弹簧6下端固定在车轮3上。

图1和图3所示的两种主动悬架的不同之处是：对于异轴式二级减振主动悬架，如图1所示，在主动力作动器4的旁侧并联安装一个螺旋弹簧2，螺旋弹簧2的上、下端分别连接在车身1和车轮3的对应位置上，这样使螺旋弹簧2和主动力作动器4的中心轴呈异轴，共同安装在车辆的车身1和车轮3之间。对于同轴式二级减振主动悬架，如图3所示，主动力作动器4的外筒4-3的外部同轴套有螺旋弹簧2，螺旋弹簧2的上端连接车身1的对应部位，下端支撑在外筒4-3的弹簧安装座上，这样使螺旋弹簧2和主动力作动器4的中心轴呈同轴，共同安装在车辆的车身1和车轮3之间。另外，对于同轴式二级减振主动悬架中的整体外圈式橡胶弹簧6，其刚性内管相对于整体外圈式橡胶弹簧6中心点在自由状态下有一个向下的偏置，当和主动力作动器4一起安装在车身1和车轮3之间时，在簧载质量的作用下使刚性内管达到整体外圈式橡胶弹簧6的中心点(参见申请号为201810431437、名称为“一种采用与主动力作动器同轴心橡胶弹簧的主动悬架”)。

两种主动悬架工作时，当车辆在路面行驶时，由于车轮3的上下摆动，整体外圈式橡胶弹簧6的刚性内管受力运动，作用于有弹性的橡胶主簧，使橡胶主簧产生减振力。在主动力作动器4和螺旋弹簧2本身具有的减振功能的基础上又增加了一级减振功能，实现两级减振。

此外，由于本发明改进了主动力作动器4的布置方式，将主动力作动器4的电机端与整体外圈式橡胶弹簧6的外圈固定联结，包含有永磁同步电机4-4、滚珠丝杠、主动力作动器端盖4-5、外壳等的质量作为作动器自身质量，作动器自身质量与下方的整体外圈式橡胶弹簧6一起构成悬架自身质量，悬架自身质量成为悬架第三质量的一部分，并和另一部分非虚拟质量5一起共同成为悬架第三质量，即由悬架自身质量和非虚拟质量5共同组成悬架第三质量。也就是在现有二级减振主动悬架结构的基础上通过对作动器自身质量的改进，利用悬架自身一部分质量和附加的非虚拟质量5之和作为新增的悬架第三质量。

图2是在图1所示的异轴式二级减振主动悬架结构基础上得到的控制模型图，图4是在图3所示的同轴式二级减振主动悬架结构的基础上得到的控制模型图，且都增加了控制部分，控制部分包括测量车身质量加速度的传感器7和测量车轮质量加速度的传感器10，以及控制器8。在汽车行驶过程中，车身质量加速度传感器7和车轮质量加速度传感器10将检测到的汽车运动状态数据传给控制器8，控制器8通过计算得出所需的主动控制力并将数据传给主动力作动器4，使其产生主动力抵消外部振动，从而达到减振效果。

如图2和图4所示，设计控制器8时(以采用LQG控制策略为例)，首先建立控制模型：将主动力作动器4等效为包含主动力控制力F_e，库伦阻尼力F_f和等效惯性质量m_e相并联的模型；将整体外圈式橡胶弹簧6等效为一个虚拟线性刚度k_c和一个虚拟线性阻尼c_c并联的模型，其工作时产生的实际作用力为F_b。由永磁同步电机4-4、主动力作动器端盖4-5和整体外圈式橡胶弹簧6组成的悬架自身质量的质量为m_c0，悬架自身质量m_c0和非虚拟质量5的质量m_cv之和作为悬架第三质量9的质量m_c，即m_c＝m_c0+m_cv。车轮3的等效刚度为k₁；螺旋弹簧2的刚度为k₂。具体的控制器设计方法包括如下步骤：

步骤1：如图2和4所示，根据控制模型，分别求出本发明所述异轴式和同轴式二级减振主动悬架设计控制器时所需的系统参数矩阵，包括质量矩阵M、阻尼矩阵C和刚度矩阵K：

其中，质量矩阵阻尼矩阵/>m₁为车轮3的质量；m₂为车身1的质量；m_e为主动力作动器4的等效惯性质量，m_c0为悬架自身质量；m_cv为非虚拟质量5，c_c为整体外圈式橡胶弹簧6等效的虚拟线性阻尼。

由于两种二级减振主动悬架螺旋弹簧2布置的位置不同，图1中异轴式二级减振主动悬架螺旋弹簧2和主动力作动器4并联布置，图3中同轴式二级减振主动悬架螺旋弹簧2和主动力作动器4串联布置，因此两者的刚度矩阵K存有不同：

异轴式二级减振主动悬架的刚度矩阵K用K_A表示，同轴式二级减振主动悬架的刚度矩阵K用K_B表示，/>其中，/>k₁为车轮3的等效刚度；k₂为螺旋弹簧2的弹簧刚度；k_c为整体外圈式橡胶弹簧6等效的虚拟线性刚度。

在系统参数矩阵中，在橡胶弹簧非线性刚度及阻尼模型的基础上，增设了虚拟线性刚度k_c和虚拟线性阻尼c_c和悬架第三质量m_c＝m_c0+m_cv，一起进行优化确定系统参数矩阵。

步骤2：选取状态向量X为：q为路面输入激励，z₁为车轮3的垂直位移，z_c为悬架第三质量9的垂直位移，z₂位车身1的垂直位移。根据步骤1中所得的质量矩阵M、阻尼矩阵C、刚度矩阵K以及状态向量X得到本发明所设计LQG控制器的状态方程的标准形式为：

式中：为状态向量X的一阶导数，控制器状态矩阵/>控制矩阵/>干扰矩阵/>干扰向量F_b为整体外圈式橡胶弹簧6工作时产生的作用力，该控制系统的控制向量U＝(F_e+F_f)，F_e为主动力作动器4产生的主动控制力，F_f为主动力作动器4内部的库伦阻尼力。

步骤3：建立评价悬架性能的悬架综合性能评价指标函数J：按照文献(一种确定车辆悬架LQG控制加权系数的方法，振动与冲击,2008(02):65-68+176.)中提供的方法得到车身加速度加权系数δ₁、轮胎动变形加权系数δ₂和悬架动挠度加权系数δ₃。

式中：为车身加速度，(z₁-q)为轮胎动变形；(z₂-z₁)为悬架动挠度，T为车辆行驶时间；按照文献(一种确定车辆悬架LQG控制加权系数的方法，振动与冲击,2008(02):65-68+176.)中提供的方法得到车身加速度加权系数δ₁、轮胎动变形加权系数δ₂和悬架动挠度加权系数δ₃。

步骤4：根据步骤2中的状态向量X和状态方程中的控制向量U改写式(2)，得到悬架综合性能评价指标函数J的二次型标准形式：

式中：Q为状态向量加权矩阵，R为控制加权矩阵，N为状态向量和控制交叉加权矩阵，Q＝[1 0_1×3]^T*δ₂*[1 0_1×3]+[0 1 0 0]^T*δ₃*[0 1 0 0]+A(4,:)^T*δ₁A(4,:)，Ν＝A(4,:)^T*δ₁*A(4,:)，R＝B(4,:)^T*δ₁*B(4,:)。A(4,:)和A(4,:)分别是步骤2中矩阵A和矩阵B的第4行。

步骤5：基于悬架综合性能评价指标函数J的二次型标准形式，将式(3)中的矩阵Q、R、N代入下式Riccatti矩阵方程，并求解得到唯一解S：

(SA)^T+SA-(SB+N)R^-1(SB+N)^T+Q＝0 (4)

步骤6：求出LQG控制器控制主动悬架的反馈向量K为：

K＝R^-1(SB+N)^T (5)

故，此时二级减振主动悬架的理想主动控制力F_e为：

F_e＝-KX-F_f (6)

F_f为主动力作动器4内部的库伦阻尼力，

控制器8控制主动力作动器4工作，主动力作动器4产生主动控制力F_e＝-KX-F_f，使二级减振主动悬架的性能最佳。

Claims (7)

1.一种基于作动器自身质量改进的主动悬架的控制器的设计方法，主动悬架包括主动力作动器(4)和整体外圈式橡胶弹簧(6)，整体外圈式橡胶弹簧(6)下端固定在车轮(3)，主动力作动器(4)由内筒(4-2)和外筒(4-3)组成其套筒端，由主动力作动器端盖(4-5)和永磁同步电机(4-4)组成其电机端，其特征是：所述的套筒端在上方且固定连接车身(1)，电机端在下方且刚性连接位于电机端下方的非虚拟质量(5)，非虚拟质量(5)刚性连接下方的整体外圈式橡胶弹簧(6)，其特征是包括以下步骤：

步骤1)建立控制模型，将主动力作动器(4)等效为主动力控制力F_e，库伦阻尼力F_f和等效惯性质量m_e并联，整体外圈式橡胶弹簧(6)等效为一个虚拟线性刚度k_c和一个虚拟线性阻尼c_c并联，包含了永磁同步电机(4-4)、主动力作动器端盖(4-5)的作动器自身质量和整体外圈式橡胶弹簧(6)等效为悬架自身质量m_c0，悬架自身质量m_c0与非虚拟质量(5)的质量m_cv之和等效为悬架第三质量m_c＝m_c0+m_cv；

步骤2)：根据控制模型求出质量矩阵M、阻尼矩阵C和刚度矩阵K：所述的质量矩阵所述的阻尼矩阵/>m₁为车轮3的质量；m₂为车身(1)的质量；m_e为主动力作动器(4)的等效惯性质量，m_c0为悬架自身质量；m_cv为非虚拟质量(5)，c_c为整体外圈式橡胶弹簧(6)等效的虚拟线性阻尼；

当在主动力作动器(4)的旁侧并联一个螺旋弹簧时，刚度矩阵K用K_A表示，当在主动力作动器(4)的外筒(4-3)的外部同轴套有一个螺旋弹簧(2)时，的刚度矩阵K用K_B表示，/>k₁为车轮(3)的等效刚度；k₂为螺旋弹簧(2)的弹簧刚度；k_c为整体外圈式橡胶弹簧(6)等效的虚拟线性刚度；

步骤3)：先选取状态向量X，再根据质量矩阵M、阻尼矩阵C和刚度矩阵K以及状态向量X得到控制器的状态方程；

步骤4)：建立评价悬架性能的悬架综合性能评价指标函数J，根据状态向量X和及其状态方程，得到悬架综合性能评价指标函数J的二次型标准形式；

步骤5)：基于悬架综合性能评价指标函数J的二次型标准形式，求出控制主动悬架的反馈向量K：

步骤6)：由反馈向量K、状态向量X以及主动力作动器4内部的库伦阻尼力F_f的计算得到控制器输出的理想主动控制力F_e＝-KX-F_f。

2.根据权利要求1所述的控制器的设计方法，其特征是：主动力作动器(4)的旁侧并联一个螺旋弹簧(2)，螺旋弹簧(2)的上、下端分别连接在车身(1)和车轮(3)，使螺旋弹簧(2)和主动力作动器(4)的中心轴呈异轴。

3.根据要求1所述的控制器的设计方法，其特征是：主动力作动器(4)的外筒(4-3)的外部同轴套有螺旋弹簧(2)，螺旋弹簧(2)的上端连接车身(1)、下端支撑在外筒(4-3)上，使螺旋弹簧(2)和主动力作动器(4)的中心轴呈同轴。

4.根据权利要求1所述的控制器的设计方法，其特征是：步骤3)中，所述的状态向量q为路面输入激励，z₁为车轮(3)的垂直位移，z_c为悬架第三质量的垂直位移，z₂位车身(1)的垂直位移；

所述的状态方程为： 为状态向量X的一阶导数，状态矩阵控制矩阵/>干扰矩阵/> 干扰向量/>F_b为整体外圈式橡胶弹簧6工作时产生的作用力，控制向量U＝(F_e+F_f)，F_e为主动力作动器(4)产生的主动控制力，F_f为主动力作动器(4)内部的库伦阻尼力。

5.根据权利要求4所述的控制器的设计方法，其特征是：步骤4)中，所述的悬架综合性能评价指标函数δ₁为车身加速度加权系数，δ为轮胎动变形加权系数，δ₃为悬架动挠度加权系数，/>为车身加速度，(z₁-q)为轮胎动变形；(z₂-z₁)为悬架动挠度，T为车辆行驶时间。

6.根据权利要求5所述的控制器的设计方法，其特征是：步骤4)中，所述的悬架综合性能评价指标函数J的二次型标准形式为：Q为状态向量加权矩阵，R为控制加权矩阵，N为状态向量和控制交叉加权矩阵，Q＝[1 0_1×3]^T*δ₂*[10_1×3]+[0 1 0 0]^T*δ₃*[0 1 0 0]+A(4,:)^T*δ₁A(4,:)，Ν＝A(4,:)^T*δ₁*A(4,:)，R＝B(4,:)^T*δ₁*B(4,:)，A(4,:)和A(4,:)分别是状态矩阵A和控制矩阵B的第4行。

7.根据权利要求6所述的控制器的设计方法，其特征是：步骤5)中，先根据方程(SA)^T+SA-(SB+N)R^-1(SB+N)^T+Q＝0求解得到唯一解S，再根据式K＝R^-1(SB+N)^T计算得到所述的反馈向量K。