直線電機式主動懸架協調車身姿態控制研究

謝健++汪若塵++葉青++孟祥鵬++陳龍

摘 要：將直線電機作為汽車主動懸架的作動器，能實現懸架的主動減振。建立整車主動懸架的動力學模型和直線電機的數學模型，輸入三相交流電，測試直線電機的電磁力，仿真與試驗的結果較為一致，驗證了電機數學模型的正確性。基于整車姿態協調控制原理，結合模糊控制理論和電流滯環控制策略，研究了包含直線電機作動器的車輛主動懸架的動態響應。結果表明，該控制策略可行，且控制系統能有效改善車輛舒適性和行駛安全性，車身姿態也得到有效控制。

關鍵詞：主動懸架；直線電機；姿態；模糊控制；電流滯環

中圖分類號：TP391.9文獻標文獻標識碼：A文獻標DOI：10.3969/j.issn.2095-1469.2015.05.05

車輛的舒適性和操縱穩定性很大程度上由懸架系統決定。為此，國內外學者已對主動懸架控制方法進行了比較完整的研究。但是，對于懸架系統中作動器的研究卻比較少見。2004年，Bose公司應用直線電機設計了一種電磁懸架，該電磁懸架減振性能卓越，對車輛制動時的車身前傾、轉彎時的車身側傾和越障時的車身振動有顯著的抑制作用，而且在抵消道路沖擊的同時可回收部分能量[1]。2006年，Martins等人研制了圓筒型永磁直線電機作動器，基于天棚阻尼原理，設計了電機作動器的閉環控制系統[2]。2012年，羅虹等人對主動懸架采用的直線電機控制系統進行了研究，分析了PI參數對電磁力的影響[3]。同年，陳星等人設計了直線電機饋能懸架的控制系統，并進行了饋能分析[4]。2014年，陳冬云等人采用電磁作動器功率流計算方法分析了饋能主動懸架的可回饋能量[5]。

文獻[2]和[3]所設計的控制算法較為復雜，文獻[4]和[5]只是做了理論上的能量計算分析，本研究將控制算法簡化后也能達到較好的控制效果，所以也具有實際的工程應用價值。

直線電機相比其它類型的作動器，具有控制精度高、能量回收效率高、不需潤滑、結構簡單等優勢[6]。基于上述特點，本文所研究的是用于主動懸架的直線電機作動器。針對此直線電機作動器，建立了整車主動懸架的振動模型和直線電機的數學模型，同時通過試驗臺架測試了直線電機的電磁力，試驗與仿真的結果基本吻合。在此基礎上，基于整車姿態協調控制原理，結合懸架模糊控制理論和直線電機電流滯環控制策略，設計了直線電機式主動懸架主動力控制系統，研究了該主動懸架的動態響應。通過該控制策略，有效改善了車身的姿態，緩沖了不平路面沖擊，抑制了車身的垂向振動，提高了汽車的抗俯仰和抗側傾能力。

2 懸架的主動控制

在路面激勵下，車輛主動懸架系統會受迫振動，通過模糊控制器[12-14]分別計算出四個直線電機所需要的主動控制力，然后通過電流滯環[15-16]控制直線電機輸出電磁力跟蹤主動控制力，實現懸架的主動控制。圖2為主動懸架控制原理圖。

2.1 直線電機電流滯環控制

直線電機工作的方式和旋轉電機的工作方式有所區別，現控制交軸電流來實現勵磁電流和推力電流之間的解耦。電流滯環控制的原理是將電流控制于所能夠容許的誤差范圍內，把指令電流i*和實際輸出電流i的偏差作為滯環比較器的輸入，通過比較器的輸出控制開關管V1和V2的通斷，V1通時，i增大；V2通時，i減小。通過比較器的控制，i就在和的范圍內，呈鋸齒狀地跟蹤指令電流i*。原理如圖3所示。

2.2整車姿態協調模糊控制

車輛行駛過程中，整車運動會出現垂直、俯仰以及側傾的運動耦合，會呈現不同的運動姿態[17]，而直線電機式主動懸架的控制目標是盡量衰減這些運動，調整車輛的運動姿態，提高車輛的乘坐舒適性。單一的控制模態顯然滿足不了多姿態的控制要求。通過大量的仿真和試驗研究，車輛行進中的運動姿態可以劃分為以下八種情況：（1）垂直、俯仰和側傾運動都較小。（2）單獨的垂直運動。（3）單獨的俯仰運動。（4）單獨的側傾運動。（5）垂直和俯仰運動耦合。（6）垂直和側傾運動耦合。（7）俯仰和側傾運動耦合。（8）垂直俯仰及側傾運動耦合。第一種運動車身姿態變化較小，舒適性和操縱穩定性都能得到保證，采用開環保持控制策略，其余的運動姿態是垂直、俯仰以及側傾運動中的一種或多種運動的耦合，為了簡單有效地達到理想的控制效果，整車控制部分采用整車姿態協調模糊控制。

第八種運動存在三種運動的耦合，具有代表性，因此以第八種運動姿態為例，設計控制方法。針對車身的三種運動設計不同的模糊控制器，在Matlab/Simulink中分別建立抑制車身的垂直振動、車身的俯仰和側傾的控制器。輸入為車身速度及其變化率、車身俯仰角速度及其變化率和車身側傾角速度及其變化率，由于可以將整車解耦成4個單輪模型、前后兩個半車模型和左右兩個半車模型，那么4個懸架中的任意一個懸架的輸出力是下面3個力之和，它們分別為：1/4個垂直運動控制器計算出的力；1/2個俯仰運動控制器計算出的力；1/2個側傾運動控制器計算出的力，具體如圖4所示。模糊規則見文獻[14]。

車身垂直速度及其變化率的基本論域分別為[-0.15， 0.15]和[-1.5， 1.5]，作動器主動力的基本論域為[-6， 6]，模糊論域為{-6， -5， -4， -3， -2， -1， 0， 1， 2， 3， 4， 5， 6}，量化因子Ke、Kec和比例因子Ku分別為40、4、133。

車身俯仰角速度及其變化率的基本論域分別為[-0.06， 0.06]和[-1.5， 1.5]，作動器主動力的基本論域為[-6， 6]，模糊論域為{-6， -5， -4， -3， -2， -1， 0， 1， 2， 3， 4， 5， 6}，量化因子Ke、Kec和比例因子Ku分別為100、4、133。

車身側傾角速度及其變化率的基本論域分別為[-0.2， 0.2]和[-3， 3]，作動器主動力的基本論域為[-6， 6]，模糊論域為{-6， -5， -4， -3， -2， -1， 0， 1， 2， 3， 4， 5， 6}，量化因子Ke、Kec和比例因子Ku分別為30、2、133。整車模型參數見表1。

3 直線電機特性試驗驗證

文章基于INSTRON 8800 數控液壓伺服激振試驗臺，對直線電機作動器數學模型進行了臺架試驗驗證，本文選用的直線電機為永磁同步直線電機，動子部分由永磁體組成，定子部分由繞有線圈的磁鋼組成。

試驗設備：INSTRON 8800 數控液壓伺服激振試驗臺（圖5）、萬用表、三相調壓器、電流傳感器。

試驗方案為：將直線電機初級通過上夾具與橫梁固定。然后，將下夾具固定在激振臺上。將試驗設備通電，將伺服激振臺通過液壓泵升高到平衡位置，然后通過三相調壓器向直線電機輸入三相交流電，直線電機有外界的電壓輸入便會產生電磁力，激振臺上的傳感器可以測量直線電機輸出的電磁力。由于此時電機是類似于堵轉的，必須快速測出此時的電磁力，防止電機過熱燒壞。

分多次向直線電機輸入三相交流電，每個電壓下重復兩次取平均值。圖6為直線電機電磁力對比圖。

將試驗的結果與仿真計算的結果對比，發現計算值誤差在7%之內，說明建立的直線電機模型能夠滿足使用要求。

4 仿真結果分析

在Matlab/Simulink仿真分析軟件中建立該懸架系統模型。直線電機作動器的直流電壓為E=311 V。仿真采用參考文獻[18]的有限帶寬白噪聲作為路面輸入，路面等級為B級，車速為20 m/s，仿真結果如圖7所示。

由表2可以看出，主動懸架車身的垂向、俯仰和側傾加速度3個評價指標的均方根值均有較大幅度的降低，相比傳統懸架分別下降了23.07%、13.24%和19.63%。結果表明：基于整車姿態協調模糊控制理論和直線電機電流滯環控制的控制策略可行性強，有效改善了車身的姿態，緩沖了不平路面的沖擊，抑制了車身的垂向振動，提高了汽車的抗俯仰和抗側傾能力，使車輛的行駛平順性得到了較大改善。

5 結論

（1）建立了直線電機式主動懸架的數學模型，直線電機特性試驗驗證了直線電機模型的正確性。

（2）結合整車姿態協調模糊控制理論和直線電機電流滯環控制方法，設計了懸架主動控制系統。仿真結果表明，該控制策略可行性強，使車輛的行駛平順性得到了較大提升，有效改善了車身的姿態。

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