一种新型汽车主动悬架的研制

第27卷第3期

JOURNALOFVIBRATIONANDSHOCK

Vo.l27No.32008󰀁

工程应用

一种新型汽车主动悬架的研制

寇发荣,󰀁方宗德

(西北工业大学󰀁机电学院,西安󰀁710072)

󰀁󰀁摘󰀁要:提出一种基于电动静液压作动器EHA(Electro-HydrostaticActuator)的汽车主动悬架结构。在分析EHA

作动器原理和汽车结构基础上,建立了EHA作动系统模型和1/4汽车悬架模型,设计了用于主动悬架的模糊控制算法,在以单频信号作为激励源情况下进行了仿真研究。开发了主动悬架DSP控制器,研制了EHA汽车主动悬架物理样机和

试验台架,并进行样机台架试验研究。结果表明,EHA主动悬架明显地改善了汽车行驶平顺性和操纵稳定性,进一步证明了控制算法和EHA主动悬架样机的的可行性和有效性。

关键词:主动悬架;DSP控制;EHA;模糊控制;试验研究中图分类号:U463.33;TH137󰀁󰀁󰀁文献标识码:A

󰀁󰀁传统被动悬架是根据汽车的综合性能要求,针对

特定的路面及汽车运行状况而设计的,系统振动特性固定不变。为了提高汽车平顺性和安全性能,主动元件开始用于车辆悬架结构当中。

主动悬架的概念最早是在20世纪50年代提出[1]

的。主动悬架采用液压或气压作动器产生控制力。主动悬架要求将传感器安装在汽车的不同点来测量车身、悬架系统或非悬架质量的运动状态,然后将传感到的信息输入到控制器,由控制器产生指令使作动器形成精确的控制力。

传统液压伺服车辆主动悬架主要采用各类阀[2]

件。这样,汽车悬架结构变得相对复杂,同时可靠性也会下降。此外,以往主动悬架作动器的成本过高,不利于实现产业化。为了满足以上要求,采用目前航空航天领域先进的功率电传PBW(Power󰀁by󰀁Wire)技

[3-6]

术󰀂󰀂󰀂EHA(Electro󰀁HydrostaticActuator),提出了一种基于电动静液压作动EHA的汽车主动悬架控制结构,设计了DSP控制系统及主动悬架物理样机,并进行了悬架样机台架试验。

电机连接一蓄电池,在电机和蓄电池之间安装控制器。

图1󰀁基于EHA的车辆主动悬架基本结构

1󰀁基于EHA的车辆主动悬架结构与原理

1󰀂1󰀁EHA汽车主动悬架基本结构

󰀁󰀁基于EHA的汽车主动悬架基本结构如图1所示。主动悬架系统主要包括减振弹簧和执行器两大部分,其中执行器由液压缸、液压泵、控制器、直流电机等组成。具体连接关系:平行安装的液压缸和弹簧分别与车身和车桥垂直相连,液压缸再与液压泵通过液压管路连接,液压泵后通过联轴器联结一个直流电机,直流

基金项目:西北工业大学科技创新基金(M450211)资助收稿日期:

2007-04-20󰀁修改稿收到日期:2007-07-24

第一作者寇发荣男,博士生,1973年6月生

本装置的特点是不采用液压阀件,结构简单,成本低,工作范围宽。通过调整无刷电机转速和方向,从而控制液压缸的执行力,实现主动悬架功能。1󰀂2󰀁EHA主动悬架结构选型1.2.1󰀁直流电机

在本文研究的EHA作动器中,直流电机选用方波稀土永磁无刷直流电机BLDCM(BrushlessDirectCur󰀁rentMotor)。BLDCM既具有交流电机的结构简单、运行可靠、维护方便等优点,又具备直流电机运行效率高、无励磁损耗以及调速性能好等特点,因而,其用途比较广泛,特别适用于对性能、体积、重量要求更高、突

图2󰀁BLDCM的结构原理

166

振动与冲击󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁2008年第27卷

[7]

然反转特殊运行等场合,如航天、航空、汽车等领域。BLDCM的结构原理如图2所示。

BLDCM主要有电机本体、转子位置传感器、电子开关线路三部分组成。电机本体在结构上与永磁同步电动机相似,但没有笼型绕组和其他起动装置。电机的转子由永久磁钢按一定极对数组成,定子绕组一般制成多相,此处选为三相定子绕组。电子开关线路由功率变换电路、驱动电路及控制电路等组成。图2中T1~T6是功率变换电路的功率开关管,A、B、C为稀土永磁无刷直流电机的三相定子绕组。控制电路对转子位置信号进行逻辑变换后产生PWM信号,经过驱动电路放大送至逆变器功率开关管,每一时刻有两个功率开关管导通(如果是双极性PWM,每一时刻便会有四个开关管道通),从而控制电机的运行。如T1和T4导通时,电枢绕组A、B导通,此时电枢A、B上的电压变为电机端电压。由直流电机特性可得电机端电压与电机转速的等效关系如式(1)所示。

Ua-2󰀂Ua-2Iara

(1)󰀁=

Ce

电机的电磁转矩为

Tm=CM Ia(2)

电机的电磁转矩平衡方程为

d󰀁Tm=Jm +TL(3)

dt

Ua=24U

其中,Ia为电枢电流,Ua为电机端电压,󰀂Ua为开关管电压损耗,ra为电枢电阻,Ce 为电势系数,CM为电磁转矩常数,TL为负载转矩,Jm为电动机的转动惯量,U为PWM信号的占空比。1.2.2󰀁EHA液压单元

EHA液压单元主要包括液压泵、液压缸等。液压泵直接驱动液压缸。根据悬架载荷状况,选用双杆双作用对称液压缸,其设计结构如图3所示。

液压缸的流量连续方程为

dxtV1dpf

Qf=A++Ctgpf(5)

dtEydt

其中,Ctg=Cig+Ceg,Ctg为液压缸的总泄漏系数,Cig为内泄漏系数,Ceg为外泄漏系数;Ey为液压油的体积弹性模数;V1为高压腔一侧的总容积。

液压缸的负载力平衡方程为:

2dxtdxt

F=Apf=mt2+Bt+Ktxt+FL(6)

dtdt其中,pf为负载压差;A为作动筒的活塞面积;xt为活塞

杆的位移;Bt为粘性阻尼系数;Kt为负载弹簧刚度;FL为外干扰力;mt为活塞与负载折算到活塞上的总质量。

2󰀁基于EHA的汽车主动悬架动力学模型的建立

󰀁󰀁将式(1)~式(6)联立,即可得到EHA作动器PWM信号占空比与输出作动力F之间关系的模型。

研究汽车悬架的主动控制时,通常建立如图4所示的主动悬架二自由度车辆动力学模型,用EHA作动器作为一个主动力发生器,通过对力发生器的控制来实现悬架系统的性能优化。

图4󰀁汽车主动悬架模型

系统的运动微分方程为:

图3󰀁双杆双作用对称液压缸结构

msxs+ks(xs-xu)+cs(xs-xu)-F=0muxu-ks(xs-xu)-cs(xs-xu)+F+

液压泵选用齿轮式泵。与叶片式、柱塞式液压泵

相比较,齿轮式液压泵具有零件数目少、易加工、体积较小、泵的自吸能力强、转速范围大、对油液污染承受能力较强、对油的粘度要求不严格、造价低等优点。该

[8]

定量液压泵的流量线性化方程为:

Qf=q󰀁-Cip(p1-p2)-Cepp1(4)

式中,Qf为负载流量;q为泵的排量;󰀁为泵的转速;p1为高压腔压力;p2为低压腔的压力;Cip为泵的内漏系数;Cep为泵的外漏系数。(7)

kt(xu-xr)=0

这里,ms,mu分别为簧载质量和非簧载质量;ks,kt分别为弹簧刚度和轮胎刚度;xr,xs,xu分别为路面位移,簧载质量位移和非簧载质量位移;cs为粘滞阻尼系数;F为主动控制力。

应用现代控制理论可将运动微分方程改写成状态

T

方程组(8)。状态变量为X=[x1,x2,x3,x4],输出变量为Y=[y1,y2,y3,y4]。它们分别表示为:x1=xs-T

第3期󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁寇发荣等:一种新型汽车主动悬架的研制

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xu,x2=xs,x3=xu-xr,x4=xu,y1=x2,y2=x1,y3=ktx3,y4=x4。x1代表悬架相对位移(悬架动挠度);x2代表簧载质量速度;x3代表轮胎相对于地面位移;x4代表非簧载质量速度;y1代表簧载质量加速度;y2代表悬架动挠度;y3代表轮胎动载荷;y4代表非簧载质量速度。

X=AX+Bu(t)(8)Y=CX+Du(t)

在这个方程中,A、B、C、D分别表示状态矩阵、输入矩阵、输出矩阵、传递矩阵。

010-100kscscs1--00msmsmsms

A=󰀁B=

0001-10kscsktcs10---mumumumumu-C=

ks

ms10

-csms00

00kt

csms

0󰀁󰀁D=0

00001ms000

0001利用式(7)或式(8)所建立的EHA汽车主动悬架动力学模型,并将下面所开发的控制策略应用于其中,以验证控制算法的有效性;同时,通过对EHA主动悬架性能进行仿真分析,为EHA主动悬架样机的研制提供指导。

多方面的因素,如主频、程序存储器和数据存储器的大小、外设、指令集、封装及管脚数量。如果处理器不需要太多的数据处理,可以用单片机;如果系统有大量的传感器信号和外部通信数据需要处理,对处理器的数据和程序存储空间要求较高,可选用DSP。

本研究中控制电路采用的芯片是Microchip公司推出的一款增强型闪存式16位数字信号处理器DSPIC30F6010。DSPIC30F6010内部可提供PWM波,它可通过驱动电路为功率变换器上的功率开关管提供门极电压。该芯片为安捷司生产的门极驱动光耦HCPL-316J,该芯片内部集成欠电压饱和检测电路、过电压保护、过电流保护及故障状态反馈电路,它具有光隔离、高耐压、反应快、软关断等特点,为驱动电路的可靠性提供了保证,同时具有简单实现的特点。该芯片的缺点为每片HCPL-316J只能驱动一个功率开关,本文所设计的控制系统需要六块功率开关管,因此,需要六路驱动电路,每路驱动电路接收一路由控制芯片发出的PWM。

功率变换电路用于将直流电变换成频率固定或可调的交变电流。本文采用三相六状态的功率变换电路,功率开关管由六个功率场效应管MOSFET组成。图6为研制的控制电路板硬件。

3󰀁新型主动悬架样机的软硬件系统设计

3󰀂1󰀁EHA控制系统设计3.1.1󰀁控制器硬件电路

主动悬架控制器主要由控制电路、驱动电路、功率变换器及悬架性能检测位移传感器、加速度传感器等组成。控制电路根据无刷直流电机转子霍尔位置信号及悬架位移传感器给定信号等发出PWM指令,经过驱动电路驱动功率开关电路,功率开关电路控制无刷直

[9]

流电机的换向与速度,其基本原理如图5所示。

图6󰀁控制电路硬件

图5󰀁主动悬架控制系统原理图

控制芯片是控制电路的核心部分,其选择要考虑3.1.2󰀁控制策略与软件实现

目前,已有许多控制方法,例如PID控制,反馈控制,LQG控制,天棚控制等方法都可用于汽车主动悬架

[10]

的控制。

模糊控制方法采用语言变量和模糊集合理论形成控制算法,适合非线性较强、时滞较大又无法确定精确数学模型的系统,针对主动悬架系统是一种十分有效的方法。模糊控制系统本身包括三个阶段:模糊化,模糊推理,反模糊化。

本文主动悬架模糊控制器输入的语言变量为簧载质量加速度a和簧载质量速度v(簧载质量位移的微分),输出的语言变量为PWM信号的占空比(U),a和v的范围均为[-2,2],U的范围为[-2,2]。簧载质量加速度、簧载质量速度、占空比有一组相同的3个语

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振动与冲击󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁2008年第27卷

言值,令这些语言变量的词集均为:N(负),Z(零),P(正),则可以形成9个控制规则,如表1所示。

主动悬架模糊推理系统的输出曲面如图7所示。

表1󰀁模糊控制规则库

󰀁󰀁av󰀁󰀁PZN

PNNZ

ZNZP

NZPP

从表3可见,采用模糊控制主动悬架能较好地控制汽车动态性能:簧载质量加速度下降42.67%,悬架动挠度下降30.53%,轮胎动载荷下降31.%。

图8󰀁簧载质量加速度响应

图7󰀁模糊推理系统的输出曲面

上述控制策略确定后,针对DSPIC30F6010使用C

语言进行软件开发,它不仅可以提高开发速度,而且可以增强程序的可读性和可移植性。该控制系统软件部分主要由主函数和死循环组成。

4󰀁汽车主动悬架性能试验

4.1󰀁仿真计算及分析

简化的悬架系统模型参数如表2所示。

表2󰀁汽车悬架系统模型参数msmuksktcs

250kg40kg14000N/m100000N/m1000Ns/m

图9󰀁悬架动挠度响应

在汽车主动悬架性能的考核中,为了提高汽车的平顺性和操纵稳定性,除将簧载质量(车身)的加速度作为重要评价指标外,还应考虑悬架动挠度及车轮动载荷。因此,在仿真过程中,选以上三项性能指标为评价指标。

一般悬架系统的固有频率在1Hz󰀂15Hz之间,在悬架系统平顺性评价指标中已经突出了这一点,因此重点研究在这一频带内激励的响应是进行深入研究的基础。基于本文所述悬架系统模型,选择激励信号为1.5Hz的正弦信号输入,对被动悬架和模糊主动悬架进行了仿真计算,仿真结果如图8、图9、图10所示。图10󰀁轮胎动载荷响应

表3󰀁悬架系统性能指标均方根值比较悬架性能指标簧载质量加速度(m/s2)

悬架动挠度(m)轮胎动载荷(N)

被动悬架2.28720.0357567.2387

主动悬架1.31120.0248388.3041

第3期󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁寇发荣等:一种新型汽车主动悬架的研制

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4.2󰀁主动悬架样机台架试验

目前,对主动悬架的试验研究开展的还很少,本文在上述理论分析与动力学仿真的基础上,建立了EHA主动悬架物理样机模型及试验系统。图11给出了该悬架样机模型试验系统原理图。

到模糊控制悬架系统的试验结果。在1.5Hz正弦激励输入下汽车悬架的响应结果如图13、图14所示。

图13󰀁簧载质量加速度响应

图11󰀁EHA主动悬架样机模型试验系统原理图

在模型试验系统中,用设计的螺旋弹簧代替汽车

的减振弹簧,用刚度较大的弹簧垫模拟轮胎。

主动控制系统由三部分组成:(1)拾振系统:由位移传感器、加速度传感器、电荷放大器和低通滤波器等组成;(2)控制器:DSPIC30F6010型高速信号处理器及相应电路、A/D转换器、D/A转换器、和MPLABIDE动态仿真软件系统和一台PC机组成;(3)主动执行机构:由液压缸、齿轮泵和直流电机组成的EHA作动器。

选用室内振动台架试验来模拟实际道路情形。所设计的振动台能够模拟路面的正弦曲线输入:采用偏心轮-平底直动式机械振动台,通过位移形式产生激励使台面振动。

图12为西北工业大学自主研制的EHA汽车主动悬架样机试验台及测试系统。

图14󰀁悬架动挠度响应

在2.5Hz正弦激励输入下汽车悬架的响应结果如图15、图16所示。

表4和表5分别给出了在1.5Hz和2.5Hz频率正弦激励输入下被动悬架和EHA模糊主动悬架性能指标均方根值。与被动悬架相比较,主动悬架系统簧载质量加速度均方根值分别降低了31.49%%、21.92%,主动悬架系统悬架动挠度均方根值分别降低了28.77%、43.72%。

图12󰀁研制成功的EHA汽车主动悬架样机试验系统

在主动悬架系统控制中,由所设计的振动台产生

单频正弦激励,使悬架模型系统产生垂直振动,由簧载质量加速度传感器和位移传感器测量被测控信号,作为评价指标。

选择1.5Hz和2.5Hz频率分别作为激励频率,得

图15󰀁簧载质量加速度响应

170

振动与冲击󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁2008年第27卷

󰀁󰀁2)在结构设计和选型的基础上,成功开发了EHA汽车主动悬架物理样机及试验系统;

3)针对汽车系统的簧载质量加速度、车轮动载荷和悬架动挠度等指标,经过仿真得出模糊控制方法对悬架系统的振动控制具有较好的效果;

4)以单频正弦信号作为振源进行了主动悬架样机试验研究,试验结果与仿真结果基本吻合,进一步证明该算法和所建样机的有效性。

参考文献

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图16󰀁悬架动挠度响应

表4󰀁1.5Hz频率下悬架系统性能指标均方根值悬架性能指标簧载质量加速度(m/s2)

悬架动挠度(m)

被动悬架1.95690.0146

主动悬架1.34070.0114

表5󰀁2.5Hz频率下悬架系统性能指标均方根值悬架性能指标簧载质量加速度(m/s2)

悬架动挠度(m)

被动悬架3.0.0112

主动悬架2.42990.0199

5󰀁结󰀁论

󰀁󰀁作动器是汽车主动悬架研究的关键。将功率电传技术EHA引入汽车可控悬架结构中,提出了基于EHA的汽车主动悬架控制结构,研制主动悬架物理样机,并进行了台架试验。

1)所建主动悬架数学模型和模糊控制算法正确;

书󰀁󰀁讯

由中国标准出版社和全国机械振动与冲击标准化技术委员会(代号SAC/TC53)共同编录的!中国机械工业国家标准汇编机械振动与冲击卷(第二版)∀(上、下册)已经出版。

该#国家标准汇编∃共收录了该领域现行的国家标准79个。上册收录的47个标准,分为:基础标准,平衡与平衡机,机器、船舶、车辆和固定结构的振动测量与评价,状态监测与诊断四个部分。下册收录的32个标准,分为:传感器的使用与校准、人体暴露于机械振动与冲击、振动与冲击发生器三个部分。

由全国机械振动、冲击与状态监测标准化技术委员会编译的!机器与结构物的振动测量与评定状态监测与诊断国际标准译文集∀共收录了ISO/TC108(机械振动、冲击与状态监测)的国际标准译文30个。其中,机器振动测量与评价的14个;机器状态监测与诊断的10个;结构物的振动测量、评价与状态监测的6个。需要这些标准的单位或个人可与\"全国振标委\"秘书处联系。

联系方式:450052󰀁郑州市嵩山南路81号

郑州机械研究所全国振标委秘书处

电󰀁󰀁话:(0371)67710819;󰀁󰀁传󰀁󰀁真:(0371)67710552󰀁󰀁E-mai:lsac_tc53@sina.com󰀁󰀁󰀁󰀁sac_tc53@163.com

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󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁JOURNALOFVIBRATIONANDSHOCK󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁Vo.l27No.32008

DEVELOPMENTOFANOVELACTIVESUSPENSIONFORVEHICLE

KOUFa󰀁rong,󰀁FANGZong󰀁de

(SchoolofMachineryandElectronicsEngineering,NorthwesternPolytechnicalUniversity,Xi%an710072,China)

󰀁󰀁Abstract:󰀁AnewkindofvehicleactivesuspensionwaspresentedbasedonElectro󰀁HydrostaticActuator(EHA).

AccordingtotheanalysisofEHAprincipleandvehiclestructure,EHAsystemmodelandquarter󰀁carmodelwererespec󰀁tivelyestablished.FuzzycontroladgorithmforactivesuspensionwasdesignedandEHAactivesuspensionwassimulatedundersinusoidalinputs.Inaddition,DSPcontrollerforactivesuspensionwasmadeandphysicalprototypeandtestbedofactivesuspensionweredeveloped.Finally,benchtestsofactivesuspensionprototypewerecompleted.TheexperimentalresultsindicatethatEHAbasedactivesuspensionimprovesridecomfortness,handlingandstabilityofvehicle,andprovethefeasibilityandavailabilityofcontrolalgorithmandactivesuspensionprototype.

Keywords:activesuspension;DSPcontro;lEHA;fuzzycontro;lexperimentalinvestigation(pp:165-170)

STUDYONCAPACITYOFREDUCINGVIBRATIONANDNOISEOFFe󰀁16Cr󰀁2.5MoALLOYHUANGYun,󰀁LINing,󰀁WENYu󰀁hua,󰀁HUANGShu󰀁ke,󰀁XUYong󰀁gang,󰀁HUANGYong

(1.SchoolofManufacturingScienceandEngineering,SichuanUniversity,Chengdu610065,China;

2.StateKeyLaboratoryofMechanicalSystemandVibration,ShanghaiJiaoTongUniversity,Shanghai200240,China)

1

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󰀁󰀁Abstract:󰀁Basedonthebackgroundofsomeengineeringapplications,thedampingeffectsofthecylindricalcompo󰀁

nentsmadeinFe󰀁16Cr󰀁2.5Moalloyand0Cr18Ni9Tistainlesssteelwerestudiedbyusingtransferfunctionmethodin20󰀁400Hzfrequencyrangeundertheidenticalexperimentconditions.Theresultsindicatetha,tFe󰀁16Cr󰀁2.5Modampingal󰀁loycancontrolthevibrationeffectively,andnoisecanbereducedevidently.

Keywords:dampingalloy;Fe󰀁Cr󰀁Mo;reducingvibrationandnoise;ferromagneticalloy(pp:171-174)