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新型電控空氣懸架系統(tǒng)集成控制策略研究
2021-11-08 21:43:21· 來(lái)源：ATC汽車底盤
傳統(tǒng)被動(dòng)懸架系統(tǒng)剛度、阻尼等主要參數(shù)不可 實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)，導(dǎo)致車輛平順性與操縱穩(wěn)定性較差，同時(shí)在高速轉(zhuǎn)彎或緊急避讓等工況下易導(dǎo)致車輛側(cè)翻等危險(xiǎn)事故。具有電機(jī)
傳統(tǒng)被動(dòng)懸架系統(tǒng)剛度、阻尼等主要參數(shù)不可 實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)，導(dǎo)致車輛平順性與操縱穩(wěn)定性較差，同時(shí)在高速轉(zhuǎn)彎或緊急避讓等工況下易導(dǎo)致車輛側(cè)翻等危險(xiǎn)事故。具有電機(jī)式主動(dòng)橫向穩(wěn)定器的新型電控空氣懸架系統(tǒng)可有效協(xié)調(diào)平順性與操縱穩(wěn)定性之間的固有矛盾，有效提升整車綜合性能。
國(guó)內(nèi)外學(xué)者已提出多種控制算法以提高空氣懸架性能，如：Moheyeldein等通過(guò)搭建具有附加氣室的 2 自由度空氣懸架仿真模型，參數(shù)化仿真分析了附加氣室體積及其內(nèi)部壓力等主要參數(shù)對(duì)懸架性能的影響規(guī)律。分別提出電控空氣懸架系統(tǒng)閉環(huán)容錯(cuò)控制算法和滑?？刂扑惴?，并通過(guò)仿真和實(shí)車試驗(yàn)，驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)控制算法的有效性。嚴(yán)天一等利用基于模型設(shè)計(jì)的方法，搭建電控空氣懸架系統(tǒng)控制策略，并設(shè)計(jì)其電子控制單元。
故本文中綜合考慮車輛平順性與抗側(cè)傾穩(wěn)定性，提出對(duì)電控空氣懸架和電機(jī)式主動(dòng)橫向穩(wěn)定器實(shí)施集成式域控制，通過(guò)搭建電控空氣懸架系統(tǒng)整車動(dòng)力學(xué)模型與電機(jī)式主動(dòng)橫向穩(wěn)定器模型，提出新型電控空氣懸架系統(tǒng)集成控制策略，開發(fā)其并行多核電子控制單元，開展相應(yīng)的典型工況離線仿真與硬件在環(huán)試驗(yàn)以有效評(píng)估新型控制策略主要性能。
系統(tǒng)模型構(gòu)建
1.1 電控空氣懸架系統(tǒng)整車動(dòng)力學(xué)模型
9自由度電控空氣懸架系統(tǒng)整車動(dòng)力學(xué)模型由車身的垂向運(yùn)動(dòng)、側(cè)向運(yùn)動(dòng)、俯仰運(yùn)動(dòng)、側(cè)傾運(yùn)動(dòng)、橫擺運(yùn)動(dòng)及車輪垂向運(yùn)動(dòng)等子模型組成（圖 1~圖3）。
1. 3 輪胎模型
為合理表征輪胎在轉(zhuǎn)向工況下的力學(xué)特性，采用“魔術(shù)公式”輪胎側(cè)向力學(xué)模型計(jì)算輪胎側(cè)偏力。在不考慮車輪外傾角條件下，即外傾角γt=0，水平方向偏移Sh=0，垂直方向偏移Sv=0，則該輪胎模型如式（12）所示，其擬合系數(shù)值見表1。
式中：Fyi為車輪側(cè)向力；μ為路面附著系數(shù)；αi為輪胎側(cè)偏角；B、C、D、E分別為車輪側(cè)向力一側(cè)偏角曲線峰值因子、形狀因子、剛度因子和曲率因子；Foi為車輪動(dòng)載。
1.4路面模型
本文采用非平穩(wěn)時(shí)域路面模型：
式中：xoi為輪胎（i i=fl、fr、rl、rr）處路面不平度；x1、x2為系統(tǒng)狀態(tài)變量；f0為下截止頻率，取0.01Hz；v為車速；n0為標(biāo)準(zhǔn)空間頻率，取0.1 m-1；G0為路面不平度系數(shù)；ω（t）為高斯白噪聲，均值為0；d為輪距；l為軸距。
1.5 電機(jī)式主動(dòng)橫向穩(wěn)定器模型
本文中所述電機(jī)式主動(dòng)橫向穩(wěn)定器采用三相無(wú)刷直流電機(jī)作為作動(dòng)器，其內(nèi)嵌電機(jī)通電以后產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩經(jīng)諧波齒輪減速器減速增扭作用后，傳遞到左、右橫向穩(wěn)定桿臂，產(chǎn)生作用于車身的垂向力，并形成反側(cè)傾力矩，以抑制整車側(cè)傾運(yùn)動(dòng)（圖4和圖5）。
內(nèi)嵌電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩與反側(cè)傾力矩之間存在如下關(guān)系：
式中：Faas為主動(dòng)橫向穩(wěn)定器作用于整車底盤的垂向力；Ma為主動(dòng)橫向穩(wěn)定器輸出轉(zhuǎn)矩；Maas為主動(dòng)橫向穩(wěn)定器產(chǎn)生的反側(cè)傾力矩；b為左、右橫向穩(wěn)定桿縱臂長(zhǎng)度；c為主動(dòng)橫向穩(wěn)定器的長(zhǎng)度；θe為左、右橫向穩(wěn)定桿臂相對(duì)轉(zhuǎn)角；θe/2 為穩(wěn)定桿臂與水平方向夾角。
1.6 三相無(wú)刷直流電機(jī)模型
電機(jī)式主動(dòng)橫向穩(wěn)定器內(nèi)嵌電機(jī)的定子繞組采用星形聯(lián)接，則繞組相電流之間滿足關(guān)系式：
集成控制策略設(shè)計(jì)
將車身側(cè)傾角作為主要優(yōu)化指標(biāo)，通過(guò)電控空氣懸架系統(tǒng)降低車身質(zhì)心高度與電機(jī)式主動(dòng)橫向穩(wěn)定器輸出的反側(cè)傾力矩，以提高車輛操縱穩(wěn)定性 與抗側(cè)傾性能,新型集成控制策略具體如圖6所示?？諝鈴椈沙浞艢庀到y(tǒng)存在時(shí)滯，且轉(zhuǎn)向工況下不宜進(jìn)行懸架高度切換，因此提出的轉(zhuǎn)向意圖辨識(shí)算法進(jìn)行駕駛意圖I識(shí)別。
2. 1 空氣懸架系統(tǒng)控制策略設(shè)計(jì)
本文中利用 Matlab/Stateflow 搭建空氣懸架控制策略模型，具體控制邏輯如圖7所示：電子控制單元通過(guò)實(shí)時(shí)處理車速、路況、車身高度以及儲(chǔ)氣筒壓力等信號(hào)，控制懸架高度在高位、標(biāo)準(zhǔn)和低位等3種不同模式之間進(jìn)行適時(shí)切換。圖7中各控制邏輯值具體如表2所示。
根據(jù)轉(zhuǎn)向意圖辨識(shí)算法，若行駛意圖 I 為右轉(zhuǎn)彎 Irt或左轉(zhuǎn)彎Ilt，則判定車輛即將進(jìn)入轉(zhuǎn)向工況，且儲(chǔ)氣筒壓力 pc小于所標(biāo)定壓力閾值p0時(shí)，懸架提前切換到低位模式；若前輪轉(zhuǎn)角 δ 小于所標(biāo)定轉(zhuǎn)角閾值δ0，則判定此時(shí)車輛處于直線工況，懸架高度進(jìn)入下述3種模式之一：
（1）當(dāng)車速 v>90 km/h、pc
（2）當(dāng)車輛停止、起動(dòng)或車速60km/h≤v≤90 km/ h、pc
（3）當(dāng)車速 v<60 km/h、pc
2. 2 主動(dòng)橫向穩(wěn)定器控制策略設(shè)計(jì)
當(dāng)設(shè)置車輛目標(biāo)側(cè)傾角時(shí)，既要保證車輛具有 較小的側(cè)傾角，亦需考慮駕駛員的主觀感受，以獲得良好路感，則目標(biāo)側(cè)傾角與車身側(cè)向加速度關(guān) 系如式（24）所示。
通過(guò)三次插值擬合可得到式（25），其擬合曲線 如圖8所示。
傳統(tǒng)被動(dòng)橫向穩(wěn)定桿所提供的反側(cè)傾力矩與車身側(cè)傾角呈線性關(guān)系，主動(dòng)橫向穩(wěn)定器輸出的反側(cè)傾力矩與車身側(cè)傾角、車輛側(cè)向加速度等信息有 關(guān)，據(jù)此提出主動(dòng)橫向穩(wěn)定器控制策略（圖 9）。首先，線性控制器模擬被動(dòng)橫向穩(wěn)定桿作用，通過(guò)整車模型輸出的側(cè)傾角得出線性反側(cè)傾力矩，保證主動(dòng)橫向穩(wěn)定器具有較好的響應(yīng)速度；然后 PID 控制器通過(guò)實(shí)際側(cè)傾角與目標(biāo)側(cè)傾角值差值計(jì)算得到補(bǔ)償力矩，彌補(bǔ)主動(dòng)橫向穩(wěn)定器輸出中的非線性部分，使得車身側(cè)傾角符合目標(biāo)側(cè)傾角—側(cè)向加速度關(guān)系曲線；最后將二者相互疊加得到車輛所需的反側(cè)傾力矩。
仿真分析
為驗(yàn)證集成控制策略的有效性，并分析新型電 控空氣懸架系統(tǒng)對(duì)整車性能影響效果，選取轉(zhuǎn)向盤角階躍輸入及雙移線工況作為試驗(yàn)工況，以車身側(cè)傾角作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，利用 Matlab/Simulink和Stateflow 搭建電控空氣懸架系統(tǒng)整車動(dòng)力學(xué)模型、電機(jī)式主動(dòng)橫向穩(wěn)定器模型以及新型電控空氣懸架系統(tǒng)控制策略模型，并利用典型試驗(yàn)工況進(jìn)行離線仿真分析，相關(guān)整車主要參數(shù)見表3。
轉(zhuǎn)向盤角階躍輸入仿真條件為B級(jí)路面，試驗(yàn)車速為80 km/h，經(jīng)過(guò)0.2s使前輪轉(zhuǎn)角轉(zhuǎn)動(dòng)30°后保持穩(wěn)定，且此過(guò)程車速保持不變（圖 10）；雙移線輸入仿真條件亦為B級(jí)路面，試驗(yàn)車速同為80 km/h，設(shè)定車輛行駛路線如圖11所示。
電控空氣懸架系統(tǒng)通常具有高位、標(biāo)準(zhǔn)、低位 3 種不同工作模式，因此分別在不同工作模式下對(duì)上述2種工況進(jìn)行仿真，相關(guān)結(jié)果如圖12所示：在轉(zhuǎn)向盤角階躍工況下，標(biāo)準(zhǔn)模式車身側(cè)傾角穩(wěn)態(tài)值比高位模式降低約8.9%，低位模式車身側(cè)傾角穩(wěn)態(tài)值比標(biāo)準(zhǔn)模式降低約3.9%；在雙移線仿真工況下，標(biāo)準(zhǔn)模式車身側(cè)傾角穩(wěn)態(tài)值比于高位模式最大值降低約9.7%，低位模式車身側(cè)傾角穩(wěn)態(tài)值比于標(biāo)準(zhǔn)模式最大值降低約4.3%，發(fā)現(xiàn)通過(guò)改變車身高度可降低車身側(cè)傾角，提高抗側(cè)傾閾值，有效改善車輛操縱穩(wěn)定性和抗側(cè)傾性能。
采用集成控制策略的新型電控空氣懸架系統(tǒng)車身側(cè)傾角變化過(guò)程更加平緩。在轉(zhuǎn)向角階躍工況下，車身側(cè)傾角比無(wú)主動(dòng)橫向穩(wěn)定器控制的車身側(cè)傾角降低約50.7%，在雙移線工況下，車身側(cè)傾角降低約69.4%（圖 13），并且與線性控制或 PID 控制單獨(dú)作用于主動(dòng)橫向穩(wěn)定器相比，集成控制的車身實(shí)際側(cè)傾角可快速趨近于目標(biāo)側(cè)傾角，對(duì)其具有更好的跟隨性，控制效果更好。
硬件在環(huán)試驗(yàn)
為進(jìn)一步驗(yàn)證新型電控空氣懸架系統(tǒng)集成控制策略，并測(cè)試新型電控空氣懸架系統(tǒng)并行多核電子控制單主要技術(shù)性能,Simulink/Desktop Real? time 實(shí)時(shí)仿真環(huán)境，利用并行多核電子控制單元與 Kvaser Leaf Light V2 CAN總線分析儀等搭建硬件在環(huán)試驗(yàn)平臺(tái)，并通過(guò) Embedded Coder 代碼自動(dòng)生成工具將電控空氣懸架系統(tǒng)與主動(dòng)橫向穩(wěn)定器系統(tǒng)控制策略模型轉(zhuǎn)化為可執(zhí)行的C代碼，分別布置于微控制器內(nèi)核0與內(nèi)核1內(nèi)，實(shí)現(xiàn)并行多核運(yùn)行模式，以提高程序執(zhí)行效率。硬件在環(huán)試驗(yàn)框架如圖14所示。
利用與離線仿真相同工況，開展新型控制策略硬件在環(huán)試驗(yàn)，并將其試驗(yàn)結(jié)果與離線仿真結(jié)果進(jìn)行比較分析（圖15），可知在轉(zhuǎn)向盤角階躍工況下，硬件在環(huán)仿真試驗(yàn)數(shù)據(jù)的車身側(cè)傾角穩(wěn)態(tài)值與離線仿真數(shù)據(jù)接近，約為0.94°；在雙移線工況下，硬件在環(huán)仿真試驗(yàn)與仿真數(shù)據(jù)變化過(guò)程趨于一致，但中后期有小幅波動(dòng)。上述硬件在環(huán)試驗(yàn)結(jié)果表明，新型電控空氣懸架系統(tǒng)集成控制策略可有效地控制車身側(cè)傾角，改善車輛抗側(cè)傾性能。
結(jié)論
（1）在轉(zhuǎn)向盤角階躍工況與雙移線工況下，利用 Matlab/Simulink 搭建整車動(dòng)力學(xué)集成仿真模型，對(duì)空氣懸架不同工作模式以及新型電控空氣懸架系統(tǒng)不同控制策略進(jìn)行仿真。相關(guān)結(jié)果表明，所提出的新型電控空氣懸架系統(tǒng)集成控制策略可有效減小車身側(cè)傾角，并對(duì)目標(biāo)側(cè)傾角具有較好的跟隨性。
（2）通過(guò)搭建的硬件在環(huán)試驗(yàn)平臺(tái)，對(duì)比分析硬件在環(huán)試驗(yàn)結(jié)果與離線仿真結(jié)果，進(jìn)一步驗(yàn)證了新型電控空氣懸架系統(tǒng)集成控制策略及其并行多核電子控制單元，并確認(rèn)其可提高整車抗側(cè)傾性能。
來(lái)源：馬英照，嚴(yán)天一，趙燕樂(lè)青島大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院
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