汪若塵 焦 宇 錢金剛 丁仁凱 陳 龍
(江蘇大學(xué)汽車與交通工程學(xué)院, 鎮(zhèn)江 212013)
混合懸架半主動(dòng)控制器設(shè)計(jì)與試驗(yàn)
汪若塵 焦 宇 錢金剛 丁仁凱 陳 龍
(江蘇大學(xué)汽車與交通工程學(xué)院, 鎮(zhèn)江 212013)
為改善傳統(tǒng)被動(dòng)懸架的動(dòng)力學(xué)性能,回收懸架振動(dòng)能量,設(shè)計(jì)了一種半主動(dòng)混合懸架系統(tǒng)。建立1/4車動(dòng)力學(xué)方程,分別研究饋能回路處于 Boost模式和 Buck模式時(shí)饋能回路內(nèi)電流的變化情況,并分析 MOS管占空比對(duì)直線電動(dòng)機(jī)電磁阻尼力的影響。在此基礎(chǔ)上,引入基于天棚和地棚混合控制的半主動(dòng)控制策略。提出半主動(dòng)控制參考力的概念,并運(yùn)用粒子群算法確定其最優(yōu)控制參數(shù)。通過(guò)對(duì)不同工作模式下電路電流的追蹤,達(dá)到對(duì)電動(dòng)機(jī)電磁阻尼力實(shí)時(shí)控制的目的。接著運(yùn)用 Simulink仿真搭建混合懸架系統(tǒng)模型,分別進(jìn)行動(dòng)力學(xué)性能、饋能性能以及電流跟蹤控制效果對(duì)比。仿真結(jié)果表明,半主動(dòng)混合懸架能夠在改善車輛動(dòng)力學(xué)性能的同時(shí)回收部分振動(dòng)能量,所設(shè)計(jì)的半主動(dòng)控制器對(duì)電流有較好的控制效果。最后,進(jìn)行臺(tái)架試驗(yàn),通過(guò)對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了仿真結(jié)果的正確性。
汽車; 半主動(dòng)混合懸架; 占空比; 天棚和地棚混合控制; 最優(yōu)控制參數(shù)
引言
傳統(tǒng)被動(dòng)懸架旨在通過(guò)彈簧以及被動(dòng)阻尼器等元件實(shí)現(xiàn)隔離路面激勵(lì)對(duì)車身產(chǎn)生的振動(dòng)。車身振動(dòng)產(chǎn)生的能量以熱能的形式耗散在阻尼器及彈簧等元件中。國(guó)內(nèi)外學(xué)者[1-7]對(duì)這部分能量進(jìn)行了研究,發(fā)現(xiàn)具有可觀的回收前景。
被動(dòng)懸架無(wú)法改善車輛動(dòng)力學(xué)性能,主動(dòng)懸架在提升汽車平順性和操穩(wěn)性的同時(shí)伴隨著很大的能量消耗,而半主動(dòng)懸架能夠在消耗少量能量的同時(shí),改善車輛動(dòng)力學(xué)性能[8]。于是半主動(dòng)懸架成為許多學(xué)者研究的新領(lǐng)域。1973年,KARNOPP等[9]提出了天棚阻尼控制模型,第一次實(shí)現(xiàn)了懸架的半主動(dòng)控制。1994年,PRINKOS等[10]使用電流變和磁流變體作為工作介質(zhì),研究了半主動(dòng)懸架系統(tǒng)。2002年,采用美國(guó)德?tīng)柛9敬帕髯儨p振器的Magnet Ride半主動(dòng)懸架系統(tǒng)應(yīng)用在Cadillac Seville STS高檔車上,此懸架系統(tǒng)能根據(jù)行駛情況自動(dòng)改變減振阻尼[11]。
早期研究饋能懸架時(shí)采用蓄電池作為能量?jī)?chǔ)存裝置[12]。但是由于車輛行駛時(shí)受到路面隨機(jī)激勵(lì)作用,在某些時(shí)刻電機(jī)產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)小于蓄電池充電端電壓,便無(wú)法實(shí)現(xiàn)充電,存在能量的損失[13];此外,某些時(shí)刻產(chǎn)生過(guò)大的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)也會(huì)損傷電池。DC/DC變換器在饋能懸架上的應(yīng)用[14],調(diào)節(jié)了充電端電壓,使電能可以穩(wěn)定地存儲(chǔ)至儲(chǔ)能裝置;而使用超級(jí)電容作為儲(chǔ)能裝置,則是由其優(yōu)良的工作特性所決定的。
本文以混合懸架為研究對(duì)象,基于單向Boost-Buck變換器。首先設(shè)計(jì)半主動(dòng)混合懸架系統(tǒng),包括混合懸架動(dòng)力學(xué)模型以及饋能回路;然后設(shè)計(jì)半主動(dòng)控制策略,并借助粒子群算法確定最優(yōu)控制參數(shù),完成半主動(dòng)控制器設(shè)計(jì);最后分別通過(guò)仿真與試驗(yàn)驗(yàn)證控制器的控制效果。
1.1 半主動(dòng)混合懸架系統(tǒng)
所設(shè)計(jì)的半主動(dòng)混合懸架系統(tǒng)包括被動(dòng)阻尼器、彈簧、直線電動(dòng)機(jī)、饋能回路、儲(chǔ)能裝置(超級(jí)電容)以及半主動(dòng)控制器,如圖1所示。

圖1 半主動(dòng)混合懸架系統(tǒng)實(shí)施方案Fig.1 Implementation of semi-active suspension system
結(jié)合圖1對(duì)半主動(dòng)控制原理進(jìn)行闡述:首先半主動(dòng)控制器獲取來(lái)自混合懸架模型、饋能回路以及儲(chǔ)能裝置的相關(guān)采樣信號(hào);半主動(dòng)控制器根據(jù)采樣信號(hào)制定控制方案,并將控制信號(hào)傳遞給饋能回路,通過(guò)控制饋能回路內(nèi)MOS管的通斷,一方面控制饋能回路的工作模式(Boost/Buck模式),另一方面控制饋能回路電流的變化,從而控制直線電動(dòng)機(jī)電磁阻尼力的變化,實(shí)現(xiàn)對(duì)懸架的半主動(dòng)控制。在此過(guò)程中,懸架的部分振動(dòng)能量以電能的形式存儲(chǔ)至儲(chǔ)能裝置。
1.2 混合懸架動(dòng)力學(xué)模型
為了分析混合懸架對(duì)車輛動(dòng)態(tài)性能的影響,引入二自由度的混合懸架模型,如圖2所示。

圖2 混合懸架動(dòng)力學(xué)模型Fig.2 Dynamic model of hybrid suspension
由圖2可得混合懸架二自由度動(dòng)力學(xué)方程為
(1)
其中
Ft=kii
(2)
式中mb——簧上質(zhì)量,kgmt——簧下質(zhì)量,kgks——彈簧剛度,N/mkt——輪胎剛度,N/mc——被動(dòng)阻尼器阻尼系數(shù),N·s/mzb——簧上質(zhì)量位移,mzt——簧下質(zhì)量位移,mz0——路面激勵(lì),mFt——直線電動(dòng)機(jī)電磁阻尼力,Nki——電動(dòng)機(jī)推力系數(shù)i——電動(dòng)機(jī)繞組電流
此外,直線電動(dòng)機(jī)隨懸架振動(dòng)做上下運(yùn)動(dòng)時(shí),其內(nèi)部三相繞組在永磁體產(chǎn)生的氣隙磁場(chǎng)中做切割磁感線運(yùn)動(dòng),會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)Um,而感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)Um與電動(dòng)機(jī)運(yùn)行速度v存在關(guān)系[15]
Um=kev
(3)
其中
(4)
式中ke——電動(dòng)機(jī)反電動(dòng)勢(shì)系數(shù)
2.1 饋能回路工作模式
車輛行駛過(guò)程中,直線電動(dòng)機(jī)會(huì)在路面狀況較好的情況下隨懸架做低頻振動(dòng)。而直線電動(dòng)機(jī)低頻振動(dòng)時(shí)只能產(chǎn)生較小的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì),作為饋能回路的輸入端電壓,較小的輸入端電壓無(wú)法實(shí)現(xiàn)給超級(jí)電容充電。于是產(chǎn)生了饋能回路的充電“死區(qū)”現(xiàn)象[16]。此外,對(duì)饋能回路電流的調(diào)節(jié)能夠有效控制用來(lái)隔振的電動(dòng)機(jī)電磁阻尼力。所以,為了充分回收懸架的振動(dòng)能量,減小充電“死區(qū)”現(xiàn)象,同時(shí)對(duì)饋能回路電流進(jìn)行有效地跟蹤,本文使用單向Boost-Buck變換器來(lái)調(diào)節(jié)饋能回路電流。饋能回路基本結(jié)構(gòu)如圖3所示,圖中,AC為饋能回路輸入端電壓,L為直線電動(dòng)機(jī)線圈電感,R為直線電動(dòng)機(jī)線圈內(nèi)阻;虛線框內(nèi)則是Boost-Buck變換器,其中VT1、VT2、VT3分別是控制電路工作模式以及電路通斷的MOS管,Ldc是儲(chǔ)能電感,Rv是電路保護(hù)電阻,用于防止MOS管通斷瞬間瞬時(shí)大電流損壞電器元件;SC是用于回收電能的超級(jí)電容。
饋能回路可進(jìn)行Boost以及Buck 2種工作模式的切換。

圖3 饋能回路基本結(jié)構(gòu)Fig.3 Basic structure of energy-regenerative circuit
2.2 Boost模式
在圖3所示的饋能回路中,VT1和VT3之間存在邏輯非關(guān)系。即當(dāng)VT1導(dǎo)通時(shí),VT3斷開(kāi);而當(dāng)VT1斷開(kāi)時(shí),VT3導(dǎo)通。
當(dāng)VT1常通,VT3常斷時(shí),VT2作為升壓斬波器,饋能回路工作在Boost模式,此時(shí)饋能回路工作簡(jiǎn)圖如圖4所示。

圖4 Boost模式Fig.4 Boost mode
Boost模式分為2個(gè)工作過(guò)程,當(dāng)VT2閉合時(shí),饋能回路處在過(guò)程I,超級(jí)電容短路,電能被暫存至外電感Ldc中;當(dāng)VT2斷開(kāi)時(shí),饋能回路處在過(guò)程Ⅱ,此時(shí)超級(jí)電容充電端電壓變大,外電感Ldc和輸入端電壓一起給超級(jí)電容充電。
假設(shè)變換器在CCM模式下工作,則此時(shí)電流平均值為[17]
(5)
式中Um——饋能回路輸入端電壓Uc——超級(jí)電容端電壓D——占空比
2.3 Buck模式
當(dāng)VT2常斷時(shí),VT1作為降壓斬波器,饋能回路工作在Buck模式,此時(shí)饋能回路簡(jiǎn)圖如圖5所示。

圖5 Buck模式Fig.5 Buck mode
Buck模式也分為2個(gè)工作過(guò)程,當(dāng)VT1斷開(kāi),VT3閉合時(shí),饋能回路處在過(guò)程Ⅰ,由于充電端電壓過(guò)大,所以先讓保護(hù)電阻Rv分壓;當(dāng)VT1閉合,VT3斷開(kāi)時(shí),饋能回路處于過(guò)程Ⅱ,此時(shí)充電端電壓可以安全地給超級(jí)電容充電。
與Boost模式相同,當(dāng)變換器在CCM模式下工作時(shí),電流平均值為[17]
(6)
由式(4)和式(5)可知,MOS管占空比D影響著饋能回路電流的變化。再結(jié)合圖4和圖5可以計(jì)算出饋能回路工作時(shí)電流的具體變化情況(表1)。由表1可知,在懸架系統(tǒng)運(yùn)作時(shí),饋能回路電流又隨著工作模式以及端電壓的變化而變化。

表1 饋能回路電流變化情況
3.1 半主動(dòng)控制參考力
懸架以及饋能回路模型提出后,需要采用合適的控制方法,可以實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)作。由于天棚阻尼控制是優(yōu)化車輛乘坐舒適性的控制方法[18],而地棚阻尼控制是優(yōu)化車輛行駛安全性的控制方法[19],所以從兼顧車輛乘坐舒適性以及行駛安全性的角度考慮,本文采用基于天棚和地棚混合控制的半主動(dòng)控制方法。在此基礎(chǔ)上,提出半主動(dòng)控制參考力的概念,預(yù)期的半主動(dòng)控制效果是天棚控制與地棚控制兩種控制效果的折中。定義半主動(dòng)控制參考力為
(7)
式中Fref——半主動(dòng)控制參考力Cs——天棚阻尼系數(shù)Cg——地棚阻尼系數(shù)
參考力Fref是對(duì)懸架進(jìn)行控制的理想力。在實(shí)際中,直線電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的電磁阻尼力Ft需要實(shí)時(shí)地跟蹤參考力Fref,旨在與參考力趨近,實(shí)現(xiàn)最優(yōu)控制。
3.2Cs和Cg值的匹配
在確定Cs和Cg時(shí),采用粒子群算法進(jìn)行參數(shù)尋優(yōu),車輛相關(guān)參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 車輛參數(shù)
粒子位置和速度更新公式可表示為[20]
(8)
優(yōu)化尋優(yōu)時(shí),以車身加速度為目標(biāo)函數(shù),并建立相應(yīng)的約束條件,參數(shù)尋優(yōu)的數(shù)學(xué)模型表示為
(9)
式中Fd——半主動(dòng)混合懸架車輪動(dòng)載荷fd——半主動(dòng)混合懸架動(dòng)撓度Fdp——被動(dòng)懸架車輪動(dòng)載荷fdp——被動(dòng)懸架動(dòng)撓度G——裝配半主動(dòng)混合懸架車輛的靜載荷fs——裝配半主動(dòng)混合懸架車輛的靜撓度
參數(shù)尋優(yōu)的基本原則是:首先保證半主動(dòng)懸架車輪動(dòng)載荷以及懸架動(dòng)撓度分別不超過(guò)被動(dòng)懸架相應(yīng)動(dòng)載荷和動(dòng)撓度的10%,其次保證半主動(dòng)混合懸架的車輪動(dòng)載荷和懸架動(dòng)撓度分別不超過(guò)車輪靜載以及懸架靜撓度的1/3,在這兩個(gè)前提下,盡可能的提高乘坐舒適性。
在參數(shù)尋優(yōu)前,設(shè)定種群規(guī)模為10,迭代次數(shù)為k=1 000,粒子群搜索空間維度設(shè)為2,分別表示Cs和Cg,慣性權(quán)重為0.8,學(xué)習(xí)因子均為2。得到控制參數(shù)Cs和Cg的最優(yōu)值分別為415和405。
3.3 半主動(dòng)控制器
半主動(dòng)控制器工作過(guò)程包括饋能回路工作模式的切換以及電流的跟蹤控制2個(gè)環(huán)節(jié)。半主動(dòng)控制器通過(guò)獲取相關(guān)采樣信號(hào),可以實(shí)現(xiàn)對(duì)饋能回路工作模式的切換,以及對(duì)MOS管占空比的控制,達(dá)到對(duì)饋能回路電流控制的目的。
如圖6所示,工作模式的切換主要依賴模式判別邏輯輸出的控制信號(hào)控制MOS管通斷實(shí)現(xiàn),模式判別邏輯的判斷過(guò)程則是依靠饋能回路的采樣信號(hào)Um和Uc,以及參考力信號(hào)Fref。

圖6 半主動(dòng)控制器控制原理圖Fig.6 Control schematic of semi-active controller


饋能回路電流來(lái)減小直線電動(dòng)機(jī)電磁阻尼力,使電磁阻尼力逼近控制參考力。這時(shí),控制信號(hào)驅(qū)動(dòng)相關(guān)MOS管,使VT2常斷,電路切換到Buck模式。同理,在Buck模式下,用參考電流和實(shí)際電流的差值與高低閾值作比較。通過(guò)改變MOS管VT1和VT3的通斷狀態(tài)來(lái)調(diào)節(jié)電流,最終實(shí)現(xiàn)Buck工作模式下的電流跟蹤。
在得到最優(yōu)控制參數(shù)后,為驗(yàn)證所設(shè)計(jì)半主動(dòng)控制器的控制效果,進(jìn)行基于Simulink的仿真。仿真環(huán)境是C級(jí)路面,車速20m/s,仿真時(shí)間10s,將半主動(dòng)混合懸架與傳統(tǒng)被動(dòng)懸架作對(duì)比,得到關(guān)于兩者的幅頻特性曲線,如圖7所示。
由圖7可知,在低頻共振區(qū),混合懸架質(zhì)心加速度以及車輪相對(duì)動(dòng)載的幅值均有所降低,懸架動(dòng)撓度的幅值也略有改善;但在高頻共振區(qū),質(zhì)心加速度沒(méi)有明顯變化,車輪相對(duì)動(dòng)載以及懸架動(dòng)撓度的幅值均略有增大。說(shuō)明半主動(dòng)混合懸架在提升車輛乘坐舒適性的同時(shí)也伴隨著行駛安全性的輕微惡化。其原因主要是因?yàn)橐胫本€電動(dòng)機(jī)增加了非簧載質(zhì)量。

圖7 半主動(dòng)混合懸架與被動(dòng)懸架幅頻特性對(duì)比Fig.7 Comparisons of amplitude frequency characteristics of semi-active suspension and passive suspension
仿真參數(shù)不變,進(jìn)行時(shí)域仿真對(duì)比,結(jié)果如圖8所示。其均方根如表3所示。

圖8 半主動(dòng)混合懸架與被動(dòng)懸架時(shí)域?qū)Ρ菷ig.8 Time domain comparisons of semi-active suspension and passive suspension

參數(shù)半主動(dòng)混合懸架傳統(tǒng)被動(dòng)懸架質(zhì)心加速度/(m·s-2)1192213367懸架動(dòng)撓度/m0011200114車輪動(dòng)載荷/N81169617714779
由表3可知,與傳統(tǒng)被動(dòng)懸架相比,半主動(dòng)混合懸架使質(zhì)心加速度和懸架動(dòng)撓度分別降低了10.8%和1.8%;車輪動(dòng)載荷則增加5.2%。說(shuō)明車輛乘坐舒適性有很好的改善,而行駛安全性雖有惡化,但在可控范圍(10%)之內(nèi)。
與此同時(shí),仿真還得到了饋能電路真實(shí)電流與理論電流的跟蹤圖,如圖9所示。

圖9 理論電流與實(shí)際電流對(duì)比Fig.9 Comparison of actual and theoretical currents
從圖9中可以看出,理論電流曲線在大部分時(shí)間內(nèi)與實(shí)際電流曲線重合,說(shuō)明實(shí)際電流對(duì)理論電流有較好的跟蹤。
最后,仿真還得到了懸架饋能情況的數(shù)據(jù),這主要反映在超級(jí)電容端電壓的變化。在10 s的仿真時(shí)間內(nèi),超級(jí)電容端電壓從初始的20 V上升至最終的20.248 4 V,根據(jù)能量計(jì)算公式可以算出超級(jí)電容共回收能量約41.66 J。
為驗(yàn)證仿真結(jié)果的正確性,在INSTRON 8800型數(shù)控液壓伺服激振試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行了臺(tái)架試驗(yàn)。試驗(yàn)實(shí)況如圖10所示。采用的其他儀器有:加速度傳感器、位移傳感器、LMS數(shù)據(jù)采集器、穩(wěn)壓電源、三相整流器等。對(duì)饋能回路MOS管占空比的控制是依靠dSPACE提供驅(qū)動(dòng)信號(hào)。
分別對(duì)半主動(dòng)混合懸架以及被動(dòng)懸架進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)環(huán)境是20 m/s,C級(jí)路面,試驗(yàn)時(shí)間是10 s,試驗(yàn)相關(guān)參數(shù)見(jiàn)表2。試驗(yàn)得到的動(dòng)力學(xué)性能時(shí)域變化曲線如圖11所示。

圖10 試驗(yàn)實(shí)況Fig.10 Test charts

圖11 試驗(yàn)結(jié)果Fig.11 Test results
根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算得各動(dòng)力學(xué)指標(biāo)的均方根如表4所示。

表4 試驗(yàn)結(jié)果均方根
分析圖11以及表4的試驗(yàn)結(jié)果并對(duì)比仿真結(jié)果,可知仿真值與試驗(yàn)值比較接近,只存在較小的誤差,而且均在誤差容許范圍之內(nèi),說(shuō)明了仿真結(jié)果的正確性。此外,從試驗(yàn)結(jié)果看,相比于傳統(tǒng)被動(dòng)懸架,半主動(dòng)混合懸架的質(zhì)心加速度和懸架動(dòng)撓度分別降低11.0%和1.9%,說(shuō)明半主動(dòng)混合懸架改善了車輛的乘坐舒適性。
另一方面,在進(jìn)行半主動(dòng)混合懸架性能試驗(yàn)時(shí),得知超級(jí)電容端電壓從初始20 V上升至20.198 V,計(jì)算可得回收的振動(dòng)能量為33.16 J。與仿真相比,回收能量有所減少。這是因?yàn)榉抡娴碾娐吩^(guò)于理想,實(shí)際中各元件存在一定的能量損耗。
(1)設(shè)計(jì)了一種半主動(dòng)混合懸架系統(tǒng),包括混合懸架系統(tǒng)與半主動(dòng)控制器。
(2)分別分析了饋能回路的工作原理以及半主動(dòng)控制器的控制原理,通過(guò)粒子群優(yōu)化算法尋優(yōu),找到本文所設(shè)計(jì)控制器的最優(yōu)控制參數(shù)。
(3)臺(tái)架試驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果接近,表明裝配半主動(dòng)混合懸架的車輛可以在保證車輛乘坐舒適性的同時(shí)回收一部分振動(dòng)能量。
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Design and Experiment on Semi-active Controller for Hybrid Suspension
WANG Ruochen JIAO Yu QIAN Jin’gang DING Renkai CHEN Long
(SchoolofAutomobileandTrafficEngineering,JiangsuUniversity,Zhenjiang212013,China)
In order to improve the dynamic performance of traditional passive suspension and recovery vibration energy from it, a semi-active hybrid suspension system was designed. The dynamic equation of the 1/4 vehicle was established, and then the variations of current in the Boost mode and Buck mode were studied respectively, and the influence of duty cycle of Mosfet on electromagnetic damping force of the linear motor was also analyzed. On this basis, semi-active control strategy based on skyhook and groundhook hybrid control was introduced. The concept of semi-active control reference force (Fref) was proposed, and the optimal control parameters of the semi-active control reference force were determined by using the particle swarm optimization algorithm. Through tracking the current in different working modes, the purpose of real-time control of the motor electromagnetic damping force was reached. Then the hybrid suspension system model was built by Simulink simulation, and the dynamic and regenerative performance of the hybrid suspension system and the current tracking control effect of the semi-active controller were compared respectively. The simulation results showed that the semi-active hybrid suspension could improve the dynamic performance of vehicle, and partial vibration energy was recovered at the same time, the semi-active controller that designed had better control effect on current. Finally, the bench test was carried out, and the correctness of the simulation results was verified by comparing with the test results.
vehicle; semi-active hybrid suspension; duty cycle; skyhook and groundhook hybrid control; optimal control parameters
10.6041/j.issn.1000-1298.2017.06.044
2016-09-02
2016-10-10
國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目(51575240)、江蘇省教育廳自然科學(xué)基金重大項(xiàng)目(15KJA460005)和鎮(zhèn)江市工業(yè)支撐項(xiàng)目(GY2015029)
汪若塵(1977—),男,教授,博士生導(dǎo)師,主要從事車輛動(dòng)態(tài)性能模擬與控制研究,E-mail: wrc@ujs.edu.cn
U463.33
A
1000-1298(2017)06-0334-07