一种机电悬架两级叠加控制方法

技术领域

本发明涉及车辆悬架技术领域，具体涉及一种机电悬架两级叠加控制方法。

背景技术

机电悬架是一种新型悬架，其核心技术之一是使用电机取代传统悬架的阻尼原件，实现悬架阻尼参数的实时、快速调节，并可以主动输出控制力，使车辆的行动系统的性能达到最优。

如图1所示，机电悬架一般由螺旋弹簧、扭杆弹簧、板簧等弹性元件支撑车体静态重量，由机械部件与电机构成的执行器产生主动力或阻尼力。机电式悬架是一方面能够实现电能转换成机械能，实现悬架的主动调节，从而提高车辆行驶的平顺性和操作稳定性；另一方面能够将悬架的机械能转化成电能，实现能量回收、存储，或者通过电阻耗散。

机电悬架是车辆悬架技术的重要发展方向之一，符合车辆全电化的发展趋势。机电悬架利用电磁感应定律，通过悬架的伸长和拉伸切割磁感线产生感应电动势，将悬架的振动能量转化为可储存和再利用的电能，同时达到减振性能。将机电悬架应用到新能源汽车上，具有独特的优势，首先相比于其它悬架，机电悬架在能量回收效率、响应特性等方面都有很大的优势；其次，相比于传统汽车，新能源汽车的特殊之处在于增加了一套高电压的电池-电机系统，一方面可实现类似于再生制动能量回收系统，将回收的电能储存到车载电池中，同时可以和车载驱动电机共用一套能量供给系统，无需增加额外的能量储存和供给装置；另一方面，将馈能电机设计成高压电机可以有效减小能量回收的电流，减少能量损耗；最后，新能源汽车对电能的需求更加强烈，可充分利于机电悬架回收的能量，来提高燃油经济性或延长续驶里程。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种机电悬架两级叠加控制方法，能够提升机电悬架系统应对复杂行驶工况的能力，利于行驶动力学特性的改善与行驶安全性的提高。

本发明采用以下具体技术方案：

一种机电悬架两级叠加控制方法，该控制方法包括以下步骤：

计算整车分配给各车轮悬架的主动控制力或阻尼力；

计算单个车轮的主动控制力或阻尼力；

对单个车轮的主动控制力或阻尼力与整车分配的主动控制力或阻尼力进行叠加，得到叠加值；

计算叠加值与被动承载力的差值，形成目标执行力，并通过电机控制器控制电机的输出扭矩或阻尼力达到目标执行力。

更进一步地，采用包括操纵稳定性控制模块、平顺性控制模块以及降额使用控制模块的整车综合控制模块计算整车分配给各车轮悬架的主动控制力或阻尼力，具体包括：

根据驾驶员的操作指令、车体质心处的纵向加速度和横向加速度信号，操纵稳定性控制模块计算整车分解到各轮悬架的第一主动控制力或第一阻尼力；

根据车身垂向加速度、俯仰角速度和侧倾角速度信号，平顺性控制模块计算整车分解到各轮悬架的第二主动控制力或第二阻尼力；

根据主动控制系统或半主动控制系统的工作状态，降额使用控制模块在主动控制系统或半主动控制系统故障后实现降级使用，转换为被动悬架模式，并计算整车分解到各轮悬架的第三主动控制力或第三阻尼力；

将第一主动控制力或第一阻尼力、第二主动控制力或第二阻尼力、以及第三主动控制力或第三阻尼力进行加权求和。

更进一步地，驾驶员的操作指令包括油门信号、制动信号和转向信号；

纵向加速度和横向加速度信号通过陀螺仪采集获得。

更进一步地，在计算单个车轮的主动控制力或阻尼力时，以悬架导向机构的位移信号和簧载的垂向加速度信号作为输入，单轮控制模块通过模糊控制算法进行计算。

更进一步地，采用整车综合控制模块计算整车分配给各轮悬架的主动控制力或阻尼力Ni的计算公式为：

Ni＝Fi×r1+Gi×r2+Hi×r3；

其中，Fi为通过操纵稳定性控制模块计算的分解至第i个车轮悬架的第一主动控制力或第一阻尼力，r1为Fi的加权系数，Gi为通过平顺性控制模块计算的分解至第i个车轮悬架的第二主动控制力或第二阻尼力，r2为Gi的加权系数，Hi为降额使用控制模块计算的分解至第i个车轮悬架的第三主动控制力或第三阻尼力，r3为Hi的加权系数，i为1、2、3……；

第一主动控制力或第一阻尼力Fi的计算公式为：

Fi＝M×(zi×az+hi×ah)；

其中，M为车体的质量；az为车辆质心的纵向加速度；ah为车辆质心的横向加速度；zi为第i个悬架处的纵向加速度的加权系数，当无制动信号时zi＝0；hi为第i个悬架处的横向加速度的加权系数，当无转向信号时hi＝0；

第二主动控制力或第二阻尼力Gi的计算公式为：

Gi＝M×si×a；

其中，M为车体的质量；a为车体质心的垂向加速度；si为第i个悬架处的平顺性控制力的加权值；

第三主动控制力或第三阻尼力Hi的计算公式为：

Hi＝Ei×ci；

其中，Ei为第i个悬架执行器的最大输出力值；ci为第i个悬架处降额使用的加权值，当悬架功能正常时，ci＝0；

通过单轮控制模块计算单个车轮的主动控制力或阻尼力Di的计算公式为：

Di＝mi×qi×ai；

其中，mi为第i个悬架处的簧载质量，ai为第i个悬架处的簧载质量加速度，qi为第i个悬架处的控制力的加权值；

第i个悬架的被动承载力Li的计算公式为：

Li＝xi×ki；

其中，xi为第i个悬架的动态变形量，ki为第i个悬架的刚度；

目标执行力Ti的计算公式为：

Ti＝Di+Ni-Li；

其中，Ti为第i个悬架的目标执行力；Di为第i个悬架的主动控制力或阻尼力；Li为第i个悬架的被动承载力；Ni为通过整车综合控制模块计算整车分配给各轮悬架的主动控制力或阻尼力。

有益效果：

1、本发明的机电悬架两级叠加控制方法包括：计算整车分配给各车轮悬架的主动控制力或阻尼力；计算单个车轮的主动控制力或阻尼力；对单个车轮的主动控制力或阻尼力与整车分配的主动控制力或阻尼力进行叠加，得到叠加值；计算叠加值与被动承载力的差值，形成目标执行力，并通过电机控制器控制电机的输出扭矩或阻尼力达到目标执行力；上述控制方法通过整车综合控制力和单轮控制力的叠加，不仅满足了整车层面的操纵稳定性的需求也完善了车轮层面的振动控制需求，实现了对机电悬架的有效控制，使车辆悬架系统可以更好地适应不同行驶速度和不同路面工况，因此，采用上述控制方法能够提升机电悬架系统应对复杂行驶工况的能力，利于行驶动力学特性的改善与行驶安全性的提高。

2、本发明的机电悬架两级叠加控制方法中，采用包括操纵稳定性控制模块、平顺性控制模块以及降额使用控制模块的整车综合控制模块计算整车分配给各车轮悬架的主动控制力或阻尼力，在计算时综合考虑了驾驶员的操作信号、车体运动信号和悬架位移信号等多个因素，使得计算过程更符合实际行驶工况，提升了机电悬架系统应对复杂行驶工况的能力。

3、本发明的机电悬架两级叠加控制方法在计算单个车轮的主动控制力或阻尼力时，以悬架导向机构的位移信号和簧载的垂向加速度信号作为输入，并通过模糊控制算法进行计算，有利于准确计算单轮的主动控制力和阻尼力，使得控制更加精确。

附图说明

图1为机电悬架的工作原理图；

图2为机电悬架控制系统的总体结构示意图；

图3为本发明的机电悬架系统整车综合控制原理示意图；

图4为本发明机电悬架系统单轮控制原理示意图。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

本发明实施例提供了一种机电悬架两级叠加控制方法，图2为机电悬架控制系统的总体结构示意图，图3为机电悬架两级叠加控制方法中整车综合控制模块的原理示意图，图4为机电悬架两级叠加控制方法中单轮控制模块的原理示意图；该控制方法包括以下步骤：

第一步骤，计算整车分配给各车轮悬架的主动控制力或阻尼力；在本实施例中，在机电悬架处于主动控制模式时则生成主动控制力，在机电悬架处于半主动控制模式时则生成阻尼力；

第二步骤，计算单个车轮的主动控制力或阻尼力；

第三步骤，对单个车轮的主动控制力或阻尼力与整车分配的主动控制力或阻尼力进行叠加，得到叠加值；

第四步骤，计算叠加值与被动承载力的差值，形成目标执行力，并通过电机控制器控制电机的输出扭矩或阻尼力达到目标执行力。

上述机电悬架两级叠加控制方法通过计算整车和单轮两个层级产生的主动力或阻尼力的叠加值与被动承载力的差值得到目标执行力，通过机电悬架控制器对电机控制器进行控制调节，实现了对机电悬架主动、半主动力的输出控制；主动控制模式下车载电源释放能量产生力矩，控制悬架动作，减缓路面冲击；半主动模式下，路面冲击能量驱动悬架运动，产生的振动能量带动发电机发电，实现对电能的回收，并产生电磁阻尼力；上述控制方法通过整车综合控制力和单轮控制力的叠加，不仅满足了整车层面的操纵稳定性的需求也完善了车轮层面的振动控制需求，实现了对机电悬架的有效控制，使车辆悬架系统可以更好地适应不同行驶速度和不同路面工况，因此，采用上述控制方法能够提升机电悬架系统应对复杂行驶工况的能力，利于行驶动力学特性的改善与行驶安全性的提高。

在第一步骤中，计算整车分配给各车轮悬架的主动控制力或阻尼力时，采用包括操纵稳定性控制模块、平顺性控制模块以及降额使用控制模块的整车综合控制模块计算整车分配给各车轮悬架的主动控制力或阻尼力，具体包括：

根据驾驶员的操作指令、车体质心处的纵向加速度和横向加速度信号，操纵稳定性控制模块计算整车分解到各轮悬架的第一主动控制力或第一阻尼力；驾驶员的操作指令包括油门信号、制动信号和转向信号；纵向加速度和横向加速度信号通过陀螺仪采集获得；操纵稳定性控制模块通过采集驾驶员的油门信号、制动信号和转向信号来判断驾驶员的当前行驶意图，并结合陀螺仪所采集的车辆质心处的纵向加速度与横向加速度来计算分解到各轮悬架的主动控制力或阻尼力；

根据车身垂向加速度、俯仰角速度和侧倾角速度信号，平顺性控制模块计算整车分解到各轮悬架的第二主动控制力或第二阻尼力；

根据主动控制系统或半主动控制系统的工作状态，降额使用控制模块在主动控制系统或半主动控制系统故障后实现降级使用，转换为被动悬架模式，并计算整车分解到各轮悬架的第三主动控制力或第三阻尼力；降额使用控制模块根据各轮悬架处的信息和系统报警信息判别悬架是否处于正常工作状态，当主动控制或半主动控制故障时，系统可降额转换为被动悬架模式；

将第一主动控制力或第一阻尼力、第二主动控制力或第二阻尼力、以及第三主动控制力或第三阻尼力进行加权求和；整车综合控制模块基于以上各模块分解控制力，针对优先级，加权叠加得到各轮悬架分配的主动力或阻尼力，并通过车载总线将该整车控制分量发送至机电悬架控制器和仪表板。

上述机电悬架两级叠加控制方法中，采用包括操纵稳定性控制模块、平顺性控制模块以及降额使用控制模块的整车综合控制模块计算整车分配给各车轮悬架的主动控制力或阻尼力，整车综合控制模块的控制原则是确保整车行驶的安全性与平顺性，并且在悬架出现问题后能够实现降级使用；在计算时综合考虑了驾驶员的操作信号、车体运动信号和悬架位移信号等多个因素，使得计算过程更符合实际行驶工况，提升了机电悬架系统应对复杂行驶工况的能力。

在第二步骤中，在计算单个车轮的主动控制力或阻尼力时，以悬架导向机构的位移信号和簧载的垂向加速度信号作为输入，单轮控制模块通过模糊控制算法进行计算。悬架位移量可通过位移传感器直接测量得到，并结合机电悬架几何传动关系，进一步推导出电机转动的角速度与角加速度，并以此计算出各轮悬架当前的被动承载力。通过加速度传感器采集各车轮处的簧载垂向加速度，并结合各车轮处的悬架位移量作为模糊控制算法或天棚控制算法的输入，计算出单轮主动控制力或者阻尼力，再与车载总线上整车分配的主动控制力相叠加，计算其与被动承载力的差值，形成目标执行力。通过输出信号，对电机控制器进行控制调节，控制电机的输出扭矩或阻尼力，达到目标执行力。

上述机电悬架两级叠加控制方法在计算单个车轮的主动控制力或阻尼力时，以悬架导向机构的位移信号和簧载的垂向加速度信号作为输入，并通过模糊控制算法进行计算，有利于准确计算单轮的主动控制力和阻尼力，使得控制更加精确。

上述机电悬架两级叠加控制方法中，采用整车综合控制模块计算整车分配给各轮悬架的主动控制力或阻尼力Ni的计算公式为：

Ni＝Fi×r1+Gi×r2+Hi×r3；

其中，Fi为通过操纵稳定性控制模块计算的分解至第i个车轮悬架的第一主动控制力或第一阻尼力，r1为Fi的加权系数，Gi为通过平顺性控制模块计算的分解至第i个车轮悬架的第二主动控制力或第二阻尼力，r2为Gi的加权系数，Hi为降额使用控制模块计算的分解至第i个车轮悬架的第三主动控制力或第三阻尼力，r3为Hi的加权系数，i为1、2、3……；

第一主动控制力或第一阻尼力Fi的计算公式为：

Fi＝M×(zi×az+hi×ah)；

其中，M为车体的质量；az为车辆质心的纵向加速度；ah为车辆质心的横向加速度；zi为第i个悬架处的纵向加速度的加权系数，当无制动信号时zi＝0；hi为第i个悬架处的横向加速度的加权系数，当无转向信号时hi＝0；

第二主动控制力或第二阻尼力Gi的计算公式为：

Gi＝M×si×a；

其中，M为车体的质量；a为车体质心的垂向加速度；si为第i个悬架处的平顺性控制力的加权值；

第三主动控制力或第三阻尼力Hi的计算公式为：

Hi＝Ei×ci；

其中，Ei为第i个悬架执行器的最大输出力值；ci为第i个悬架处降额使用的加权值，当悬架功能正常时，ci＝0；

通过单轮控制模块计算单个车轮的主动控制力或阻尼力Di的计算公式为：

Di＝mi×qi×ai；

其中，mi为第i个悬架处的簧载质量，ai为第i个悬架处的簧载质量加速度，qi为第i个悬架处的控制力的加权值；

第i个悬架的被动承载力Li的计算公式为：

Li＝xi×ki；

其中，xi为第i个悬架的动态变形量，ki为第i个悬架的刚度；

目标执行力Ti的计算公式为：

Ti＝Di+Ni-Li；

其中，Ti为第i个悬架的目标执行力；Di为第i个悬架的主动控制力或阻尼力；Li为第i个悬架的被动承载力；Ni为通过整车综合控制模块计算整车分配给各轮悬架的主动控制力或阻尼力。

上述机电悬架两级叠加控制方法通过两个层级模块产生的主动力或阻尼力的叠加，通过机电悬架控制器对电机控制器进行控制调节，实现了对机电悬架主动、半主动力的输出控制。主动控制模式下车载电源释放能量产生力矩，控制悬架动作，减缓路面冲击；半主动模式下，路面冲击能量驱动悬架运动，产生的振动能量带动发电机发电，实现对电能的回收，并产生电磁阻尼力。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。