饋能型多模式懸架系統研究*

鄧志君，董鑄榮, 2，彭 鵬，李占玉，梁松峰

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饋能型多模式懸架系統研究*

鄧志君1，董鑄榮1, 2，彭 鵬1，李占玉1，梁松峰1

（1. 深圳職業技術學院 汽車與交通學院，廣東 深圳 518055；2. 北京交通大學 機械與電子控制工程學院，北京 100044）

文章提出一種基于新型電磁力與液力混合型執行器的饋能型多模式懸架系統，建立了四分之一車輛饋能懸架系統及饋能電路模型，提出了節流閥可調減振器阻尼系數及饋能電路部分參數的計算方法以及采用天棚加地棚的半主動饋能控制策略．仿真結果表明：該控制策略可以改變懸架的舒適性、穩定性及饋能性．試驗驗證了選取的基本阻尼系數的合理性及仿真模型的準確性，為后續的參數優化及控制算法優化研究提供了基礎．

饋能懸架；執行器；控制策略；建模仿真；試驗

電磁饋能式主動懸架技術既能回收由不平路面激勵引起的振動能量，實現有限能量源的充分利用，又能提高車輛尤其是非簧載質量較大的輪轂驅動電動汽車的平順性、穩定性，已成為國內外的研究熱點．電磁饋能主動懸架最關鍵的部件是電磁執行器．目前，電磁執行器在結構上可分為直線電機式[1-2]和“傳動機構+旋轉電機”式（包括：齒輪齒條+旋轉電機式[3-4]、滾珠絲杠+旋轉電機式[5-6]等）．現有執行器存在以下缺點：1）滿足車用的大功率執行器在大部分的行車路況下無法在高效區進行能量回收，效率低；2）執行器及其電控系統如果失效，車輛將喪失減振能力，帶來安全問題；3）大功率執行器尺寸及質量大幅增加，給整車布置及節能帶來新的難題；4）采用“傳動機構+旋轉電機”式的電磁執行器方案可靠性和耐久性較差．

本研究提出一種采用新型的電磁力與液力混合型執行器（EFA）的饋能型多模式懸架系統，并對懸架系統進行了建模，提出饋能懸架的半主動控制策略以及相關參數的計算方法，并進行了仿真及試驗研究．

1 基于新型執行器的饋能型多模式懸架系統

新型的電磁力與液力混合型執行器（如圖1所示），采用類似直線電機與節流閥可調減振器組合的結構特點，直線電機動子采用永磁體，其下端與活塞桿連成一體，活塞桿通過下連接銷與車輪相連，直線電機定子內有三相繞組，直線電機定子與節流閥可調減振器的外殼連接，并通過上連接銷與車體連接，位置傳感器用于檢測直線電機動子相對于直線電機定子的位置（也是車身與車輪的相對位移）．執行器活塞上有常通的小節流孔，旁通管的流量由電動節流閥控制，電動節流閥的驅動部件可以是電磁閥或者是電機（本文采用了后者），ECU控制電動節流閥的開度，實現液力阻尼力調節．直線電機采用額定功率幾百瓦級的電機，同時液力的減振能力也適當減小．ECU根據不同路況、車速或駕駛員選擇的模式，對執行器進行多模式控制，見表1．

圖1 電磁力與液力混合型執行器示意圖

基于新型電磁力與液力混合型執行器的饋能多模式懸架系統，其結構框圖如圖2所示．它由試驗臺激振器、車身（簧上質量）、輪胎（簧下質量）、懸架彈簧、電磁力與液力混合型執行器、驅動及蓄能控制電路、控制單元ECU、各種傳感器、數據采集系統、車載電源、數據顯示器等組成．

表1 懸架工作模式

圖2 饋能式多模式懸架系統結構框圖

2 四分之一車輛饋能多模式懸架模型

基于電磁力與液力混合型執行器的四分之一車輛懸架可以簡化為圖3所示的模型，其中：b為車身重塊質量（簧上質量）；t為車輪質量（非簧載質量）；為彈簧剛度；t為輪胎剛度；b，t，分別為車身、車輪、地面的垂直位移坐標，坐標原點選在各自的平衡位置；g為節流閥可調減振器的基本阻尼系數（最小阻尼系數）；f為節流閥可調減振器的調節阻尼力；e為直線電機的電磁力．系統的運動方程為：

3 節流閥可調減振器阻尼系數

為了提高電磁力與液力混合型執行器的可靠性，希望在執行器的電磁力和液力調節功能均失效的情況下，執行器進入液力被動工作模式，并且仍然保持有足夠的阻尼力，此時的阻尼系數為基本阻尼系數．我國有關標準規定：將車輪受激振動時對地面的最小動態載荷與靜態接地力之比作為評價懸架系統特性的指標，并將此比值稱為“吸收率”．根據規定，車輛的吸收率應不小于40%．在matlab/Simulink軟件里建立普通懸架的仿真模型，路面的輸入為振幅5mm的正弦周期振動，使振動頻率從0增加到共振頻率以上，在共振點過后（15Hz），振動頻率減少，并再次通過共振點，模擬懸架的吸收率試驗，并計算出懸架吸收率．

圖4是在其他參數不變的情況下，阻尼系數與吸收率的關系曲線，隨著阻尼系數增大，懸架的吸收率也增大，節流閥可調減振器的基本阻尼系數g取750 N·s/m，對應的吸收率為45%，滿足懸架檢測的要求．當阻尼系數為2650 N·s/m時，對應的吸收率為77.5%，此阻尼系數將作為節流閥可調減振器能達到的最大阻尼系數max，則其可調節的最大阻尼系數fmax為：

則各速度下能達到的最小阻尼力（基本阻尼力）g為：

其中，為車身與車輪的相對速度，也是下文提及的直線電機速度．

各速度下能達到的最大可調阻尼力fmax為：

4 直線電機及其饋能電路建模及特性分析

4.1 直線電機及其饋能電路模型

本論文只考慮電磁力與液力混合型執行器的直線電機在發電狀態下的阻尼及能量回收情況，即把直線電機作為發電機，將直線電機的三相電樞繞組等效為3個電感線圈，忽略繞組間的互感，永磁體所產生的感應電動勢用理想正弦電壓源來表示，將電機發出的電經二極管全波整流橋整流后，由饋能調節電路（Boost變換器）調節饋能回路電流，從而調節電磁阻尼力，同時將電能升壓存儲到超級電容SC，建立如圖5所示的電路模型．其中：a、b、c分別為各相感應電動勢；a、b、c分別為各相端電壓；n為中性點電壓；a、b、c分別為各相電流；a、b、c分別為各繞組電阻；a、b、c分別為各繞組電感；VT是Boost變換器中控制電路通斷的MOS管；dc是儲能電感．

采用Boost變換器對整流后的電能進行升壓，減少充電“死區”現象[7]．當VT閉合時，超級電容SC短路，電能被暫存至儲能電感dc中；當VT斷開時，儲能電感產生高于超級電容的電壓，與經整理的輸入電壓一起給超級電容充電．

在matlab/Simulink軟件里，將直線電機的速度及位置信號作為輸入，結合電機的反電勢系數e及相位差，計算各相的感應電動勢，在Simulink/simpowersystems里，將各相的感應電動勢作為受控電壓源，構建直線電機及其饋能電路仿真模型．

直線電機產生的電磁阻尼力為：

4.2 饋能回路性能參數計算

對圖5的直線電機及其饋能電路進一步簡化成圖6所示的等效電路．當VT導通時，此時電路滿足式（6）：

當VT關斷時，電路滿足式（7）：

其中，z為經整流器整流后的輸出端電壓；c為超級電容端電壓；d為二極管壓降；eq、eq分別是儲能電感與電機繞組的等效電阻值及電感值；為電流的瞬時值．

由式（6）、（7）可得電機繞組中的穩態電流值為：

其中為一個開關周期內開關信號的占空比．

如直線電機整流后的等效反電動勢為ez，則

直線電機產生的電磁阻尼力可表示為：

當D=1時，得出直線電機在速度時產生的最大電磁阻尼力：

直線電機在速度時產生的最小電磁阻尼力為：

圖6 饋能等效電路

Boost變換器輸出最大功率，即此狀態下產生最大回收功率：

對應的電磁阻尼力為：

5 饋能懸架半主動控制策略

饋能懸架采用天棚加地棚的半主動控制策略[8,9]．天棚地棚控制策略的可控阻尼力可表示為：

由天棚地棚控制策略確定的可控阻尼力作為參考阻尼力，再根據分配策略分配給節流閥可調減振器和直線電機來調節，液力阻尼力與電磁阻尼力分配策略如圖7所示．如果參考阻尼力ref大于此速度下節流閥可調減振器能調節到的最大阻尼力fmax，則將節流閥可調減振器的調節阻尼力f分配為fmax，剩余的阻尼力（ref-fmax）由直線電機產生的電磁力e完成，如果剩余的阻尼力超過直線電機在此速度下能產生的最大電磁力emax，則直線電機將按emax的目標調節．如果ref小于或等于fmax，先滿足電磁力e分配需求，即饋能需求，如果ref大于直線電機在此狀態下能產生最大回收功率所對應的電磁力rmax，則電磁力直線電機將按rmax的目標調節，剩余的阻尼力目標由節流閥可調減振器來調節．如果ref小于或等于rmax，則直線電機將按ref的目標調節，節流閥可調減振器保持最小阻尼力．

圖7 電磁阻尼力與液力阻尼力分配流程圖

6 仿真與試驗

6.1 饋能懸架仿真計算與分析

在matlab/Simulink軟件里構建如圖8所示的四分之一車輛饋能懸架仿真模型，選用一個濾波白噪聲作為路面輸入模型[10]，即：

式中：00為下截止空間頻率，0為參考空間頻率；q為路面不平度系數；為車輛前進速度；()為均值為零的高斯白噪聲．

四分之一車輛模型的輸出為車身速度和車輪速度及其相對速度，懸架控制策略模塊根據車輛的狀態參數，確定參考電磁阻尼力及參考液力阻尼力分配給直線電機及節流閥可調減振器模塊執行，各自產生的實際阻尼力同時作用到車輛．通過仿真能計算出所需的狀態參數，如：車身加速度均方根、車輪動載荷均方根、懸架動撓度均方根、超級電容的回收能量等．四分之一車輛饋能懸架部分技術參數見表2．

圖8 四分之一車輛饋能懸架仿真模型

表2 饋能懸架的技術參數

仿真結果還表明：車速越高、路況越差，能量回饋效果越顯著．由于直線電機相對于整個執行器的功率偏小，所以回饋的總能量不高，懸架振動的大部分能量被節流閥可調減振器消耗掉了，所以還可以通過提高直線電機的連續功率來提高回饋的能量．

表3 C級路面仿真計算結果

6.2 試驗與分析

設計研制的電磁力與液力混合型執行器的節流閥可調減振器樣機與直線電機樣機，以及四分之一車輛饋能懸架振動測試系統如圖9所示．饋能懸架振動測試系統的懸架激振器采用課題組自主研發的基于多連桿機構運動原理的機械激振器[11]．饋能懸架采用了螺旋彈簧，同時保留了懸架的車輪總成．基于Labview開發了測試系統的數據采集系統．

利用饋能懸架振動測試系統對懸架進行基本阻尼系數下的吸收率試驗，節流閥可調減振器的阻尼系數g經測試近似為730 N·s/m，對應的吸收率為51%（如圖10所示），滿足懸架檢測的要求．

另外對饋能懸架開展了頻率為3Hz，幅值為0.011m的正弦路面輸入下饋能懸架的控制響應試驗，節流閥可調減振器調節為基本阻尼系數g（取730 N·s/m），按式（13）的關系控制電磁阻尼力，測試系統的響應及能量回收情況．選取其中前10秒的試驗結果和仿真結果進行比較，表4是懸架響應的均方根值、能量耗散及能量回收的試驗及仿真結果．仿真結果與試驗結果基本一致，驗證了仿真模型的準確性，為后續的參數優化及控制算法優化研究提供了基礎．

表4 正弦路面輸入試驗及仿真結果

圖9 饋能懸架振動測試系統

圖10 車輪對地動態載荷與時間的關系

[1] Bart L J, Gysen van der Sande Tom P J, Paulides Johannes J H. Efficiency of a regenerative direct-drive electromagnetic active suspension[J]., 2011，60（4）：1384-1393．

[2] 王艷陽．基于輪邊驅動電動車的饋能型懸架綜合性能研究[D]．重慶：重慶大學，2014．

[3] Weeks D A, Bresie D A, Beno J H，et al. The Design of an Electromagnetic Linear Actuator for an Active Suspension[C]//SAE International Congress and Exposition, 1999-01-0730，1999．

[4] 于長淼，王偉華，王慶年．電磁饋能式懸架方案設計與節能分析[J]．汽車技術，2010（2）：21-25．

[5] 劉松山．電磁饋能懸架阻尼特性研究[D]．長春：吉林大學，2013．

[6] 黃昆，喻凡，張勇超．基于能量流動分析的電磁式饋能型主動懸架控制[J]．上海交通大學學報，2011，45（7）：1068-1073．

[7] 汪若塵，焦宇，錢金剛，等．混合懸架半主動控制器設計與試驗[J]．農業機械學報，2017，48（6）：334-340．

[8] 李銳，余淼，陳偉民，等．基于磁流變減振器的汽車懸架振動控制[J]．機械工程學報，2005，41（6）：128-132．

[9] 郭孔輝，王金珠，郭耀華，等．基于混合阻尼控制的車輛半主動懸架可調性研究[J]．汽車技術，2013（3）： 1-5．

[10] 陳杰平，陳無畏，祝輝，等．基于Matlab/Simulink 的隨機路面建模與不平度仿真[J]．農業機械學報，2010，41（3）：11-15．

[11] 鄧志君，任少云，梁松峰，等．汽車電磁饋能主動懸架試驗臺設計和研究[J]．機械設計，2017，34（9）：85-90．

Research on Multi-patterns Energy Regenerative Suspension

DENG Zhijun1, DONG Zhurong1, 2, PENG Peng1, LI Zhanyu1, LIANG Songfeng1

（）

A multi-pattern energy regenerative suspension has been presented based on a new electro-hydraulic actuator. 1/4 vehicle energy regenerative suspension system and energy regenerative circuit were built up. A new method is introduced to calculate the energy regenerative circuit parameters and damping coefficient of the absorber, whose throttle aperture is adjustable. This paper also presents a semi-active energy regenerative control strategy by using sky-hook and ground-hook. The simulation results show that the control strategy can change the comfort, stability and energy regenerative ability of suspension. The electro-hydraulic actuator and 1/4 vehicle energy regenerative suspension system has been made. The rationality of the selected basic damping coefficient is verified by the test. The accuracy of the simulation model is verified as well, so that it can be the basic for parameter optimization and control strategy optimization research.

energy regenerative suspension; electro-hydraulic actuator; control strategy; system modeling and simulation; test

2018-10-15

2016深圳市基礎研究項目（JCYJ20160525110851132）；2016廣東省自然基金項目（2016A030313024）；2016深圳市基礎研究資助項目（JCYJ20160525110808894）

鄧志君（1979-），男，廣東河源人，副教授，碩士，主要研究領域為電動汽車及汽車底盤設計．

10.13899/j.cnki.szptxb.2019.01.001

U463.33

A

1672-0318（2019）01-0003-07