摘? 要：針對混合動力汽車的主動懸置系統(tǒng)，分析了其主要功能和隔振原理，以及如何利用傳感器信號來設(shè)計(jì)特定的算法，控制驅(qū)動電路輸出動態(tài)電流信號，使電磁作動器產(chǎn)生高頻機(jī)械振動，以此來疊消由發(fā)動機(jī)和路面產(chǎn)生的激勵信號，阻止力傳遞至車架甚至駕駛室，同時(shí)降低噪聲干擾，提高乘坐舒適性。

關(guān)鍵詞：混合動力汽車　主動懸置　傳感器　減振

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(shí)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)。

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。

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(shí)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(shí)，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(shí)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(shí)，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(shí)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；當(dāng) S1 判斷車輛處于非怠速充電工況下時(shí)，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(shí)，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(shí)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(shí)間，預(yù)先計(jì)算出一個目標(biāo)電流值 A，并在通信結(jié)束后，直接利用該目標(biāo)電流值 A，從而有效減少通信結(jié)束后的計(jì)算時(shí)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 進(jìn)行調(diào)整，以獲得第一修正電流值 A’，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(shí)，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(shí)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(shí)刻，發(fā)動機(jī)的振動主要產(chǎn)生于點(diǎn)火時(shí)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(shí)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’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’輸入到作動器的時(shí)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(shí)間的工作電流，作動器根據(jù)帶有作用時(shí)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?A’輸入至作動器時(shí)，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(shí)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(shí)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 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(shí)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(shí)間長度，c、c1 分別為修前后一個信號周期的時(shí)間長度，其中占空比即為 b/c、b1/c1。

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(shí)刻，使得減振控制的作用時(shí)間更加準(zhǔn)確，減振效果更有效。同時(shí)，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(shí)間，有效減少了通信后的計(jì)算時(shí)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(shí)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。

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(shí)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 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。

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?；旌蟿恿ζ囋谑袌錾线€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。

作者：吳圣　曹林

作者單位：弗迪科技有限公司　廣東省深圳市　518118

來源：新能源汽車