混合動力汽車的主動減振控制方法分析

吳圣 曹林

弗迪科技有限公司 廣東省深圳市 518118

大量的理論研究和實(shí)驗(yàn)表明，發(fā)動機(jī)的振動及噪聲已成為影響乘坐舒適性的重要因素，其特點(diǎn)是多振源、寬頻帶、形態(tài)復(fù)雜。發(fā)動機(jī)振動主要由發(fā)動機(jī)氣缸內(nèi)的燃燒與活塞的往復(fù)運(yùn)動所致，該振動可經(jīng)發(fā)動機(jī)懸置系統(tǒng)傳遞至車架，進(jìn)而傳遞到駕駛室內(nèi)，影響乘坐舒適性。削弱甚至消除發(fā)動機(jī)傳遞到車架上的振動能有效地解決這一問題，主動懸置系統(tǒng)可利用帶有電磁作動器的液壓懸置，動態(tài)調(diào)節(jié)懸置的動剛度和阻尼，理論上可以將系統(tǒng)的振動降為“0”。

1 主動懸置隔振原理

主動懸置系統(tǒng)相比傳統(tǒng)的橡膠懸置、純液壓懸置增加了電磁作動器及其電子控制單元，電磁作動器如圖1所示，電子控制單元的電路板如圖2所示。電磁作動器是利用永磁鐵或電磁鐵來產(chǎn)生穩(wěn)定的磁場，當(dāng)磁場中線圈有電流通過時產(chǎn)生了和電流成正比的安培力，從而驅(qū)動作動器動作，電磁作動器是主動懸置的核心部件，是電控單元對懸置采取主動控制的重要環(huán)節(jié)。

圖2 主動懸置系統(tǒng)控制電路板

2 主動減振控制策略

普通懸置做不到理想剛度和阻尼的要求，主動懸置的動剛度和阻尼是可控的，可根據(jù)實(shí)際激勵來輸出所需要的剛度和阻尼，理論上可以將系統(tǒng)的振動降為“0”。其基本原理為：通過傳感器采集到發(fā)動機(jī)和路面激勵信號反饋給控制電路，使作動器產(chǎn)生一個與之頻率和幅值均一樣、相位反向的信號從而達(dá)到抵消激勵信號的目的，控制原理示意圖如圖3所示。

圖3 控制原理示意圖

電控單元通過車速與發(fā)動機(jī)曲軸傳感器信號判斷出目標(biāo)工況，并從發(fā)動機(jī)電子控制單元獲取與振動相關(guān)的數(shù)據(jù)，分析出發(fā)動機(jī)的振動狀態(tài)，計(jì)算電磁作動器的工作電流，并根據(jù)動力電池充電功率、發(fā)動機(jī)點(diǎn)火線圈信號、縱向加速度值對工作電流大小、時序進(jìn)行多次修正和閉環(huán)控制，最終控制主動懸置削弱甚至消除發(fā)動機(jī)振動傳遞與噪音。

混合動力汽車的主動減振控制方法可按以下6個步驟進(jìn)行。

S101：當(dāng)混合動力汽車的發(fā)動機(jī)工作時，獲取車速和曲軸傳感器信號，并以此判斷車輛是否處于怠速充電工況，車速信號用于怠速工況的判斷，曲軸傳感器信號判斷發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)速是否處于充電工況對應(yīng)的預(yù)設(shè)轉(zhuǎn)速區(qū)間，二者都滿足時即為目標(biāo)工況。預(yù)設(shè)轉(zhuǎn)速區(qū)間可根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行標(biāo)定，例如預(yù)設(shè)轉(zhuǎn)速區(qū)間可以為900r/min-2000r/min。

S102：當(dāng)S1判斷車輛處于怠速充電工況下時，則根據(jù)曲軸傳感器信號計(jì)算發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)速和振動周期。發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速等于每分鐘曲軸轉(zhuǎn)動的圈數(shù)，發(fā)動機(jī)振動周期可根據(jù)發(fā)動機(jī)的汽缸數(shù)和發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)速計(jì)算獲得。以四缸發(fā)動機(jī)為例，發(fā)動機(jī)的每個工作循環(huán)中曲軸轉(zhuǎn)動兩圈，并且每個工作循環(huán)中，四個汽缸按照1342的順序點(diǎn)火燃燒各一次，即發(fā)動機(jī)每轉(zhuǎn)會點(diǎn)火燃燒兩次，也就是發(fā)動機(jī)每轉(zhuǎn)振動兩次，如果發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)速為6000r/min，那么它的振動周期為1/200s。在計(jì)算出發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)速和振動周期后，可利用采樣法獲得此時發(fā)動機(jī)的振幅和頻率，通過采樣法或查表法等計(jì)算獲得所需的目標(biāo)電流值A(chǔ)；當(dāng)S1判斷車輛處于非怠速充電工況下時，則進(jìn)入其他工況（如加速、減速等）的處理。

S103：當(dāng)S1判斷混合動力汽車處于怠速充電工況時，需與整車控制器或者電池管理系統(tǒng)通信以獲取動力電池的充電功率。此通信周期遠(yuǎn)大于發(fā)動機(jī)的振動周期，為了減少在通信完成后的計(jì)算時間，可以設(shè)置一個預(yù)處理（如步驟S1-S2），該預(yù)處理的作用就是利用通信完成前的時間，預(yù)先計(jì)算出一個目標(biāo)電流值A(chǔ)，并在通信結(jié)束后，直接利用該目標(biāo)電流值A(chǔ)，從而有效減少通信結(jié)束后的計(jì)算時間。

S104：由于充電功率會對發(fā)動機(jī)的振動產(chǎn)生影響，所以還需根據(jù)動力電池的充電功率對目標(biāo)電流值A(chǔ)進(jìn)行調(diào)整，以獲得第一修正電流值A(chǔ)’，這樣修正后的目標(biāo)電流值更加符合實(shí)際工況。

S105：獲取發(fā)動機(jī)的點(diǎn)火線圈信號，并根據(jù)發(fā)動機(jī)的點(diǎn)火線圈信號判斷發(fā)動機(jī)處于點(diǎn)火狀態(tài)時，根據(jù)第一修正電流值和發(fā)動機(jī)的點(diǎn)火線圈信號輸出帶有工作時刻的驅(qū)動信號至電磁作動器進(jìn)行工作電路的驅(qū)動。點(diǎn)火線圈信號反映了發(fā)動機(jī)汽缸內(nèi)的燃燒時刻，發(fā)動機(jī)的振動主要產(chǎn)生于點(diǎn)火時刻汽缸內(nèi)的氣體燃燒推動活塞，所以采用點(diǎn)火線圈信號來控制第一修正電流值 A’的輸出時刻，抑制振動更為準(zhǔn)確和有效。可先根據(jù)第一修正電流值A(chǔ)’和發(fā)動機(jī)的振動周期，采用脈沖寬度調(diào)制控制的方式獲取相對應(yīng)的驅(qū)動信號，然后根據(jù)點(diǎn)火線圈信號生成驅(qū)動用脈沖控制信號，通過該脈沖控制信號決定第一修正電流值A(chǔ)’輸入到作動器的時間。

S106：驅(qū)動電路根據(jù)驅(qū)動信號向作動器輸出帶有作用時間的工作電流，作動器根據(jù)帶有作用時間的工作電流進(jìn)行工作以對混合動力汽車進(jìn)行主動減振控制。當(dāng)?shù)谝恍拚娏髦礎(chǔ)’輸入至作動器時，作動器根據(jù)工作電流對自身的電磁感應(yīng)裝置進(jìn)行調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)機(jī)械結(jié)構(gòu)的上下運(yùn)動，從而改變主動懸置的阻尼和動剛度，實(shí)現(xiàn)汽車在怠速充電工況下的減振降噪功能，提高用戶的乘車舒適度。

在實(shí)際應(yīng)用中，還可以通過監(jiān)測作動器工作溫度來適當(dāng)調(diào)整目標(biāo)電流值，對每個時刻的第一修正電流值的大小進(jìn)行調(diào)整，消除溫度對作動器的影響。由于驅(qū)動電路中線圈的電阻會隨著溫度的升高而增大，所以可以利用驅(qū)動電路的輸出電流來計(jì)算線圈的電阻值，然后根據(jù)該電阻值推算出此時作動器的工作溫度，最后根據(jù)工作溫度推算出作動器的工作狀態(tài)，并根據(jù)工作狀態(tài)對第一修正電流值A(chǔ)進(jìn)行調(diào)整，以及根據(jù)調(diào)整后的電流值對主動懸置的動剛度進(jìn)行調(diào)整。從而在未產(chǎn)生本次減振效果之前，通過對作動器工作溫度的監(jiān)測，對每個時刻的第一修正電流值的大小進(jìn)行調(diào)整，消除溫度對作動器的影響，達(dá)到對減振效果進(jìn)行主動調(diào)整的目的，使其具有更好的減振效果。

在對主動懸置動剛度調(diào)整后，如果不對減振效果進(jìn)行監(jiān)控，則無法判斷減振是否有效以及具有怎樣的減振效果，而如果能夠?qū)p振效果進(jìn)行監(jiān)測，并根據(jù)當(dāng)前的減振效果對下一周期的第一修正電流值進(jìn)行調(diào)整，那么所獲得的第一修正電流值會更加合理，減振效果會更好。

圖4是某車型四缸發(fā)動機(jī)的點(diǎn)火線圈信號與目標(biāo)電流值的關(guān)系圖。其中，q1為1號汽缸的點(diǎn)火線圈信號，q2為3號汽缸的點(diǎn)火線圈信號，q3為4號汽缸的點(diǎn)火線圈信號，q4為2號汽缸的點(diǎn)火線圈信號，F(xiàn)為產(chǎn)生目標(biāo)電流值所需的PWM信號，a、a1分別為修正前后的起始相位差，b、b1分別為修正前后高電平信號時間長度，c、c1分別為修前后一個信號周期的時間長度，其中占空比即為b/c、b1/c1。

圖4 點(diǎn)火線圈信號與目標(biāo)電流值的關(guān)系圖

以曲軸傳感器、點(diǎn)火線圈信號、車速傳感器等汽車已經(jīng)存在的信號作為減振控制的輸入信號，信號采集更加便捷有效。并且運(yùn)用點(diǎn)火線圈信號直接獲取減振降噪控制的有效時刻，使得減振控制的作用時間更加準(zhǔn)確，減振效果更有效。同時，將驅(qū)動電路的工作電流作為輸入信號，對目標(biāo)電流值進(jìn)行主動調(diào)整，并將加速度傳感器的信號作為反饋信號，對目標(biāo)電流值進(jìn)行閉環(huán)控制，可以更好地實(shí)現(xiàn)減振降噪控制，達(dá)到衰減振動和降低噪聲的效果，提高用戶的舒適度而且整個控制充分利用了與整車控制器的通信時間，有效減少了通信后的計(jì)算時間，使得控制響應(yīng)速度更快。

3 臺架試驗(yàn)方法與數(shù)據(jù)

此試驗(yàn)臺架是模擬某車型發(fā)動機(jī)重量、安裝位置和質(zhì)心位置，將其邊界環(huán)境加以簡化而設(shè)計(jì)，用于模擬發(fā)動機(jī)運(yùn)行的各工況激勵下懸置的隔振情況。臺架運(yùn)行時能產(chǎn)生0-100Hz的激振力，可模擬四缸發(fā)動機(jī)3000轉(zhuǎn)以下各種工況的激勵，可做懸置耐久疲勞試驗(yàn)和電路板耐久試驗(yàn)，還可以對控制電路及軟件程序進(jìn)行試驗(yàn)標(biāo)定及優(yōu)化。試驗(yàn)臺架的原理和結(jié)構(gòu)圖如圖5、6所示。

圖5 試驗(yàn)臺架原理框圖

圖6 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和臺架結(jié)構(gòu)圖

位移傳感器置于主動懸置的被動端，由臺架數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集和處理被動端位移量，圖7、8分別是臺架試驗(yàn)主動懸置介入和關(guān)閉后的振動位移幅值對比。從圖中可以看出，主動懸置作動后位移幅值減小了約50%，當(dāng)主動懸置不工作時位移幅值增大約一倍。

下述為使用BBM數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進(jìn)行加速度數(shù)據(jù)采集和處理，加速度傳感器分別放置主動懸置的主動端及被動端，如圖9、10所示。

圖9 BBM數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

圖11、12分別是試驗(yàn)臺架無作動和有作動兩種情況下，主動懸置部作動前后主、被動端振動加速度值對比。從圖中可以看出，振動加速度衰減率為80%，重要的是被動端的振動加速度有效值由0.073g衰減到0.046g，從實(shí)際主觀感受上隔振效果非常明顯。

圖8 主動懸置關(guān)閉后被動端振動位移圖

圖10 振動數(shù)據(jù)處理

圖11 試驗(yàn)臺架無作動時主被動端振動數(shù)據(jù)

圖12 試驗(yàn)臺架作動時主被動端振動數(shù)據(jù)

4 結(jié)語

應(yīng)用以上的主動減振控制方法，并通過搭建試驗(yàn)臺架對發(fā)動機(jī)各工況進(jìn)行模擬試驗(yàn)，驗(yàn)證了該控制方法可使主動懸置系統(tǒng)削弱50%以上的發(fā)動機(jī)振動傳遞，阻止不平衡力和噪聲向車內(nèi)傳遞，可以在主動懸置相關(guān)的控制系統(tǒng)當(dāng)中推廣使用。混合動力汽車在市場上還占有著相當(dāng)大的比例，解決好混合動力汽車在怠速充電工況下的主動減振問題，能夠有效提升車輛的舒適性，對車廠和消費(fèi)者而言都有著重要意義。