本發(fā)明專利屬于汽車安全領(lǐng)域，具體涉及一種基于輪邊驅(qū)動(dòng)電動(dòng)車的電磁懸架系統(tǒng)及其控制方法。

背景技術(shù)：

隨著汽車技術(shù)的不斷發(fā)展，消費(fèi)者對汽車安全性和舒適性的要求也越來越高。汽車在使用過程中，載荷、車速、路況等行駛狀態(tài)會有較大變化，不同的工況對平順性和操縱穩(wěn)定性要求的側(cè)重點(diǎn)不同，懸架特性也要相應(yīng)變化。例如，平順性一般要求懸架較軟，而在急轉(zhuǎn)彎、緊急制動(dòng)和加速、高速駕駛操縱時(shí)，行駛安全性又要求懸架較硬，以保持車身姿態(tài)和輪胎的接地性。被動(dòng)懸架則難以滿足各種行駛狀態(tài)下對懸架性能的較高要求。在這樣的要求下，許多汽車節(jié)能技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，例如液壓互聯(lián)技術(shù)、半主動(dòng)控制技術(shù)、制動(dòng)能量回收技術(shù)等，這些技術(shù)在一定程度上提高了汽車的安全性和舒適性。

直線電機(jī)是旋轉(zhuǎn)電機(jī)在結(jié)構(gòu)方面的一種變形，其結(jié)構(gòu)簡單、效率高、電樞與定子無徑向力等優(yōu)點(diǎn)已在各種領(lǐng)域廣泛應(yīng)用發(fā)展，特別是車輛懸架方面。直線電機(jī)式電磁懸架可以通過控制直線電機(jī)來實(shí)現(xiàn)車輛主動(dòng)減振，大大增加了懸架的可控性。

中國專利201510645787.1公開了一種汽車主動(dòng)懸架lqg控制器最優(yōu)控制力的設(shè)計(jì)方法，但只是單一地采用了lqg算法，在跟蹤力輸出的精確性和有效性方面還值得考量；而且采用的是較簡單二自由度懸架系統(tǒng)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提出了一種基于輪邊驅(qū)動(dòng)電動(dòng)車的電磁懸架系統(tǒng)及其控制方法，采用lqg外環(huán)控制與pi內(nèi)環(huán)控制協(xié)調(diào)作用，以保障更精確的對懸架進(jìn)行作動(dòng)力控制，達(dá)到更好的車輛行駛平順性與安全性。

本發(fā)明的技術(shù)方案是：一種基于輪邊驅(qū)動(dòng)電動(dòng)車的電磁懸架系統(tǒng)，包括簧載質(zhì)量、彈性元件、減振器、直線電機(jī)、輪轂電機(jī)、簧下質(zhì)量、加速度信號傳感器、位移傳感器a、位移傳感器b和ecu；

所述彈性元件兩端分別固連在簧載質(zhì)量與輪轂電機(jī)上，減振器的兩端分別固連在簧載質(zhì)量與輪轂電機(jī)之間，輪轂電機(jī)的另一端通過軸承與簧下質(zhì)量連接；所述直線電機(jī)套于彈性元件內(nèi)部，加速度信號傳感器安裝在簧載質(zhì)量上，位移傳感器a安裝在簧載質(zhì)量上，位移傳感器b安裝在簧下質(zhì)量上；

所述ecu分別與加速度信號傳感器、位移傳感器a和位移傳感器b電連接，所述ecu通過加速度信號傳感器采集簧載質(zhì)量的加速度信號，通過位移傳感器a采集簧載質(zhì)量的位移信號，通過位移傳感器b采集簧下質(zhì)量的位移信號，并進(jìn)行分析處理，得到車輛實(shí)時(shí)的懸架動(dòng)態(tài)參數(shù)，以懸架動(dòng)態(tài)參數(shù)為依據(jù)采用lqg算法控制直線電機(jī)輸出作動(dòng)力。

上述方案中，所述方法包括舒適性模式、安全性模式和綜合性模式三種工作模式；所述舒適性模式以乘坐舒適性為控制目標(biāo)，所述安全性模式以輪胎接地性為控制目標(biāo)，所述綜合性模式兼顧乘坐舒適性和輪胎接地性，對以上三種模式采用lqg算法控制直線電機(jī)輸出作動(dòng)力；

車輛的ecu通過加速度信號傳感器采集簧載質(zhì)量的加速度信號，通過位移傳感器a采集簧載質(zhì)量的位移信號，通過位移傳感器b采集簧下質(zhì)量的位移信號，并進(jìn)行分析處理，得到車輛實(shí)時(shí)的懸架動(dòng)態(tài)參數(shù)，ecu根據(jù)懸架動(dòng)態(tài)參數(shù)的結(jié)果選擇進(jìn)入的工作模式。

上述方案中，當(dāng)車身加速度超過2m/s²時(shí)使直線電機(jī)工作在舒適性模式；

當(dāng)輪胎動(dòng)載荷超過2kn時(shí)使直線電機(jī)工作在安全性模式；

當(dāng)不滿足上述條件時(shí)，使直線電機(jī)工作在綜合性模式。

上述方案中，包括系統(tǒng)外環(huán)控制和系統(tǒng)內(nèi)環(huán)控制，所述系統(tǒng)內(nèi)環(huán)控制使用pi控制算法，所述系統(tǒng)外環(huán)控制采用lqg控制算法；

系統(tǒng)通過lqg控制產(chǎn)生目標(biāo)控制力輸入控制內(nèi)環(huán)，控制內(nèi)環(huán)進(jìn)行pi控制并輸入懸架模型，懸架模型把實(shí)時(shí)懸架動(dòng)態(tài)參數(shù)作為控制內(nèi)環(huán)輸出，同時(shí)反饋給控制外環(huán)lqg控制，實(shí)時(shí)控制直線電機(jī)輸出作動(dòng)力，抑制懸架振動(dòng)。

上述方案中，所述lqg控制算法具體為：

1)建立帶輪轂電機(jī)的電磁懸架模型振動(dòng)微分方程：

其中，zs為簧載質(zhì)量垂向位移，zv為輪轂電機(jī)垂向位移，zt為簧下質(zhì)量垂向位移，q為路面垂向位移，ks為彈性元件剛度，kv為輪轂電機(jī)等效剛度，kt為輪胎等效剛度，c為減振器阻尼系數(shù)，fa為直線電機(jī)作動(dòng)力，fv為電機(jī)垂向力，ms為，mv為，mt為；ms為簧載質(zhì)量，mv為輪轂電機(jī)質(zhì)量，mt為簧下質(zhì)量；

并以矩陣形式表達(dá)，如下式：

其中，

其中，w為高斯白噪聲輸入矩陣，u為控制輸入矩陣，即w＝[w]，u＝[fa]，y＝[fv]；g0為路面不平度系數(shù)，u0為車輛前進(jìn)速度，f0為下截至頻率，w為均值為零的高斯白噪聲

2)確定lqg控制指標(biāo)車身垂向加速度、懸架動(dòng)行程、車輪動(dòng)位移并確定目標(biāo)函數(shù)如下：

其中，q1為輪胎動(dòng)位移的加權(quán)系數(shù)，q2為懸架動(dòng)行程的加權(quán)系數(shù)，q3為車身加速度的加權(quán)系數(shù)，t為一個(gè)時(shí)間周期；

3)將目標(biāo)函數(shù)改寫成標(biāo)準(zhǔn)二次型形式：

其中：

4)根據(jù)黎卡提方程

ak+ka^t+q-kb-¹b^tk+fwf^t＝0

求出增益矩陣k＝(k1k2k3k4k5)；

5)根據(jù)增益矩陣k和狀態(tài)變量x，可得出直線電機(jī)輸出的最優(yōu)控制力：

上述方案中，根據(jù)不同模式選取合適的加權(quán)系數(shù)；

當(dāng)處于舒適性模式時(shí)，則q1＝5.62，q2＝3283，q3＝21638；

當(dāng)處于安全性模式時(shí)，則q1＝1.03，q2＝50200，q3＝845000；

當(dāng)處于綜合性模式時(shí)，則q1＝0.88，q2＝3000，q3＝38000。

上述方案中，所述pi算法中根據(jù)對內(nèi)環(huán)特性的分析，選定pi控制器參數(shù)為：比例參數(shù)p＝1.55，積分參數(shù)i＝0.7。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：

1.本發(fā)明懸架采用帶有輪轂電機(jī)質(zhì)量系的三自由度懸架模型，此模型結(jié)構(gòu)首次提出，結(jié)構(gòu)新穎，適用于輪邊驅(qū)動(dòng)的電動(dòng)車上，滿足可持續(xù)發(fā)展的要求，具有很大的環(huán)保意義。

2.根據(jù)車輛行駛的不同工況采用不同工作模式，其中舒適性模式以乘坐舒適性為控制目標(biāo)，安全性模式以輪胎接地性為控制目標(biāo)，綜合性模式兼顧兩者性能，針對以上三種模式并在lqg控制中采用不同的加權(quán)系數(shù)，以期達(dá)到快速準(zhǔn)確的對懸架進(jìn)行主動(dòng)控制，以保證乘員的乘車感受與乘車安全。

3.本發(fā)明采用內(nèi)環(huán)pi控制與外環(huán)lqg控制進(jìn)行協(xié)調(diào)控制，通過反饋機(jī)制實(shí)時(shí)控制直線電機(jī)輸出作動(dòng)力，抑制懸架振動(dòng)。

4.針對于新型電磁懸架模型提出了與其相匹配的改進(jìn)的lqg控制算法，得到直線電機(jī)輸出最優(yōu)控制力，進(jìn)一步改善了車輛行駛的平順性與安全性。

附圖說明

圖1為本發(fā)明中基于輪邊驅(qū)動(dòng)的電磁懸架的結(jié)構(gòu)圖；

圖2為本發(fā)明中雙環(huán)力跟蹤系統(tǒng)示意圖。

1-簧載質(zhì)量；2-彈性元件；3-減振器；4-直線電機(jī)；5-輪轂電機(jī)；6-簧下質(zhì)量；7-加速度信號傳感器；8-位移傳感器a；9-位移傳感器b。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說明，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不限于此。

圖1是本發(fā)明中基于輪邊驅(qū)動(dòng)電動(dòng)車的電磁懸架的結(jié)構(gòu)圖，基于輪邊驅(qū)動(dòng)電動(dòng)車的電磁懸架系統(tǒng)包括簧載質(zhì)量(1)、彈性元件(2)、減振器(3)、直線電機(jī)(4)、輪轂電機(jī)(5)、簧下質(zhì)量(6)、加速度信號傳感器(7)、位移傳感器a(8)、位移傳感器b(9)和ecu。所述彈性元件(2)兩端分別固連在簧載質(zhì)量(1)與輪轂電機(jī)(5)上，減振器(3)的兩端分別固連在簧載質(zhì)量(1)與輪轂電機(jī)(5)之間，輪轂電機(jī)(5)的另一端通過軸承與簧下質(zhì)量(6)連接；所述直線電機(jī)(4)套于彈性元件(2)內(nèi)部，加速度信號傳感器(7)安裝在簧載質(zhì)量(1)上，位移傳感器a(8)安裝在簧載質(zhì)量(1)上，位移傳感器b(9)安裝在簧下質(zhì)量(6)上；各傳感器通過can總線傳遞信號。

所述ecu分別與加速度信號傳感器(7)、位移傳感器a(8)和位移傳感器b(9)電連接，所述ecu通過加速度信號傳感器(7)采集簧載質(zhì)量(1)的加速度信號，通過位移傳感器a(8)采集簧載質(zhì)量(1)的位移信號，通過位移傳感器b(9)采集簧下質(zhì)量(6)的位移信號和輪胎動(dòng)載荷信號并進(jìn)行分析處理，得到車輛實(shí)時(shí)的懸架動(dòng)態(tài)參數(shù)，以懸架動(dòng)態(tài)參數(shù)為依據(jù)采用lqg算法控制直線電機(jī)(4)輸出作動(dòng)力。

所述輪胎動(dòng)載荷的公式：fd＝(zt-q)*kt

本發(fā)明還提供一種根據(jù)所述基于輪邊驅(qū)動(dòng)電動(dòng)車的電磁懸架系統(tǒng)的控制方法，包括舒適性模式、安全性模式和綜合性模式三種工作模式。

由于汽車乘坐舒適性和輪胎接地性之間存在矛盾，在提高平順性的同時(shí)會犧牲操穩(wěn)性，反之亦然，所以發(fā)明分別設(shè)定三種工作模式，其中，舒適性模式以乘坐舒適性為控制目標(biāo)，安全性模式以輪胎接地性為控制目標(biāo)，綜合性模式兼顧兩者，對以上三種模式采用lqg控制策略并根據(jù)不同模式制定相應(yīng)的加權(quán)系數(shù)，來實(shí)現(xiàn)不同模式下車輛動(dòng)力學(xué)性能的提高。

車輛的ecu通過加速度信號傳感器7采集簧載質(zhì)量1的加速度信號，通過位移傳感器a8采集簧載質(zhì)量1的位移信號，通過位移傳感器b9采集簧下質(zhì)量6的位移信號，并進(jìn)行分析處理，得到車輛實(shí)時(shí)的懸架動(dòng)態(tài)參數(shù)，ecu根據(jù)懸架動(dòng)態(tài)參數(shù)(輪胎動(dòng)位移、懸架動(dòng)行程、車身加速度)的結(jié)果選擇進(jìn)入的工作模式。

a.當(dāng)車身加速度超過2m/s²，此時(shí)根據(jù)人體感官程度，乘坐者會感受到較大的振動(dòng)，此時(shí)使直線電機(jī)工作在舒適性模式。

b.當(dāng)輪胎動(dòng)載荷超過2kn時(shí)，此時(shí)車輛輪胎徑向跳動(dòng)較大，會對車輛穩(wěn)定行駛造成影響，此時(shí)使直線電機(jī)工作在安全性模式。

c.當(dāng)不滿足上述兩者條件時(shí)，使直線電機(jī)工作在綜合性模式，兼顧兩者性能，保障汽車穩(wěn)定行駛。

圖2為本發(fā)明的雙環(huán)力跟蹤系統(tǒng)示意圖，控制系統(tǒng)內(nèi)環(huán)控制使用pi控制算法，外環(huán)控制采用lqg控制算法，lqg控制產(chǎn)生目標(biāo)控制力輸入控制內(nèi)環(huán)，控制內(nèi)環(huán)進(jìn)行pi控制并輸入懸架模型，懸架模型把實(shí)時(shí)懸架動(dòng)態(tài)參數(shù)作為控制內(nèi)環(huán)輸出，同時(shí)反饋給控制外環(huán)lqg控制。

內(nèi)環(huán)控制采用的pi算法具體如下：

根據(jù)對內(nèi)環(huán)特性的分析，選定pi控制器參數(shù)為：比例參數(shù)p＝1.55，積分參數(shù)i＝0.7，經(jīng)過系統(tǒng)仿真，此參數(shù)能夠使模型系統(tǒng)作動(dòng)力較好地跟蹤目標(biāo)控制力，減小系統(tǒng)誤差，保證輸出作動(dòng)力的精確性。

外環(huán)控制所采用的lqg算法具體如下：

帶有輪轂電機(jī)的電磁懸架系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)微分方程如下：

其中，zs為簧載質(zhì)量垂向位移，zv為輪轂電機(jī)垂向位移，zt為簧下質(zhì)量(即輪胎)垂向位移，ks為彈性元件剛度，kv為輪轂電機(jī)等效剛度，kt為輪胎等效剛度，c為減振器阻尼系數(shù)，fa為直線電機(jī)作動(dòng)力，fv為電機(jī)垂向力，ms為，mv為，mt為；ms為簧載質(zhì)量，mv為輪轂電機(jī)質(zhì)量，mt為簧下質(zhì)量；

路面輸入模型采用一個(gè)符合高斯(正態(tài))分布的濾波白噪聲，即：

其中g(shù)0為路面不平度系數(shù)，u0為車輛行駛速度，w為高斯白噪聲，f0為截止頻率。

為了便于采用lqg算法，將上述微分方程寫成矩陣形式，即下式：

其中，

其中，w為高斯白噪聲輸入矩陣，u為控制輸入矩陣，即w＝[w]，u＝[fa]，y＝[fv]；g0為路面不平度系數(shù)，u0為車輛前進(jìn)速度，f0為下截至頻率，w為均值為零的高斯白噪聲

電磁懸架系統(tǒng)中，lqg控制器目標(biāo)函數(shù)j為輪胎動(dòng)位移、懸架動(dòng)行程和車身加速度的加權(quán)平方和的積分值，即：

其中，q1為輪胎動(dòng)位移的加權(quán)系數(shù)，q2為懸架動(dòng)行程的加權(quán)系數(shù)，q3為車身加速度的加權(quán)系數(shù)，t為一個(gè)時(shí)間周期。對不同目標(biāo)采用不同的權(quán)值將根據(jù)車輛不同行駛狀態(tài)有針對性的改善車輛某一方面的性能。

不同模式選取的加權(quán)系數(shù)優(yōu)選如下表：

將上式目標(biāo)函數(shù)改寫為標(biāo)準(zhǔn)二次型形式：

其中：

利用黎卡提方程求出增益矩陣k，黎卡提方程形式如下：

ak+ka^t+q-kb-¹b^tk+fwf^t＝0

根據(jù)增益矩陣k和狀態(tài)變量x，可得出直線電機(jī)輸出的最優(yōu)控制力：

本發(fā)明采用內(nèi)外環(huán)協(xié)調(diào)控制，內(nèi)環(huán)控制使用pi控制算法，外環(huán)控制采用lqg控制算法，相比之前大多數(shù)研究者采用的單環(huán)控制，基于lqg與pi控制的力跟蹤控制方式能夠利用反饋機(jī)制更好地跟蹤懸架實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，并更有效地輸出目標(biāo)跟蹤力改善車身振動(dòng)。同時(shí)本發(fā)明建立的是基于輪邊驅(qū)動(dòng)電動(dòng)車的三自由度電磁懸架模型，模型結(jié)構(gòu)更復(fù)雜，考慮因素更多，并且能夠應(yīng)用于現(xiàn)代電動(dòng)汽車上，符合節(jié)能減排的目標(biāo)。

應(yīng)當(dāng)理解，雖然本說明書是按照各個(gè)實(shí)施例描述的，但并非每個(gè)實(shí)施例僅包含一個(gè)獨(dú)立的技術(shù)方案，說明書的這種敘述方式僅僅是為清楚起見，本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)將說明書作為一個(gè)整體，各實(shí)施例中的技術(shù)方案也可以經(jīng)適當(dāng)組合，形成本領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解的其他實(shí)施方式。

上文所列出的一系列的詳細(xì)說明僅僅是針對本發(fā)明的可行性實(shí)施例的具體說明，它們并非用以限制本發(fā)明的保護(hù)范圍，凡未脫離本發(fā)明技藝精神所作的等效實(shí)施例或變更均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。