汽車電磁閥式半主動(dòng)懸架控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

夏 光， 唐希雯， 王洪成， 孫保群

（1.合肥工業(yè)大學(xué) 機(jī)械與汽車工程學(xué)院，安徽 合肥 230009；2.合肥工業(yè)大學(xué) 汽車工程技術(shù)研究院，安徽 合肥 230009；3.電子工程學(xué)院 信息系，安徽 合肥 230037）

0 引 言

電磁閥式減振器是一種通過先導(dǎo)式比例電磁閥改變節(jié)流孔開度來實(shí)現(xiàn)連續(xù)阻尼調(diào)節(jié)的新型可變阻尼減振器，具有結(jié)構(gòu)簡單、響應(yīng)迅速、性能可靠和易于工程實(shí)現(xiàn)的特點(diǎn)，且能取得與主動(dòng)懸架相近的控制效果，從而成為目前實(shí)用化可變阻尼減振器的的發(fā)展方向［1－3］。

關(guān)于連續(xù)阻尼可調(diào)半主動(dòng)懸架的控制方法很多，控制算法也越來越復(fù)雜［4－7］，但是這些控制算法的實(shí)際可操作性越來越差，同時(shí)也帶來了復(fù)雜算法的響應(yīng)時(shí)滯。

1 電磁閥式減振器結(jié)構(gòu)與工作原理

本文針對(duì)電磁閥式阻尼連續(xù)可調(diào)半主動(dòng)懸架進(jìn)行了控制系統(tǒng)的硬件電路和軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)，采用工程易于實(shí)現(xiàn)且魯棒性較強(qiáng)的skyhook控制策略，并將自主開發(fā)的控制系統(tǒng)裝車進(jìn)行了實(shí)車道路試驗(yàn)。

電磁閥式減振器可在普通雙筒式減振器基礎(chǔ)上改進(jìn)而來，相比于普通雙筒式減振器，其結(jié)構(gòu)上增加了一個(gè)中間缸和一個(gè)電磁閥。中間缸和工作缸上腔相通，電磁閥連接中間缸和儲(chǔ)油缸，電磁閥控制中間缸與儲(chǔ)油缸之間的節(jié)流通道，從而實(shí)現(xiàn)阻尼的連續(xù)可調(diào)［8］。

電磁閥式減振器的工作原理如圖1所示，相比于普通雙筒式減振器，其增加了一個(gè)電磁閥控制的節(jié)流通道，包含和上腔相通的中間缸和電磁閥，通過電磁閥對(duì)節(jié)流通道的開度調(diào)節(jié)來實(shí)現(xiàn)減振器阻尼連續(xù)可調(diào)。

圖1 電磁閥式減振器工作原理圖

電磁閥式減振器工作過程可分為復(fù)原行程和壓縮行程。

1.1 復(fù)原行程

活塞桿相對(duì)工作缸向上運(yùn)動(dòng)，上腔體積變小，上腔和中間缸油液壓力增大。

（1）上腔油液通過活塞總成上的閥系流到下腔。

（2）補(bǔ)償腔油液通過底閥總成上的閥系流到下腔。

（3）中間缸的油液通過電磁閥控制的節(jié)流通道流到補(bǔ)償腔。

1.2 壓縮行程

活塞桿相對(duì)工作缸向下運(yùn)動(dòng)，下腔體積變小，下腔油液壓力增大。由于流通閥開啟壓力小，僅相當(dāng)于單向閥的作用，故下腔與上腔壓力相差不大。油液流動(dòng)路徑為：

（1）下腔油液通過活塞總成上的閥系流到上腔。

（2）下腔油液通過底閥總成上的閥系流到補(bǔ)償腔。

（3）中間缸的油液通過電磁閥控制的節(jié)流通道流到補(bǔ)償腔。

2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

硬件設(shè)計(jì)主要是電子控制單元的硬件電路設(shè)計(jì)，其結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示，它表明了電磁閥式半主動(dòng)懸架控制系統(tǒng)的基本電路結(jié)構(gòu)及工作過程。

圖2 控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖

系統(tǒng)采用ARM7系列支持實(shí)時(shí)仿真和跟蹤的16／32 位 ARM7TDMI－S CPU 的 微 控 制 器LPC2292作為控制器的核心單元，可提高運(yùn)算速度，特別適用于汽車、工業(yè)控制應(yīng)用［9］。

硬件電路主要包括單片機(jī)和最小系統(tǒng)電路、點(diǎn)火系統(tǒng)供電電路、車身和車輪垂直加速度信號(hào)調(diào)理電路、車速信號(hào)調(diào)理電路、電磁閥驅(qū)動(dòng)電路、CAN通信電路和故障診斷通信電路。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)控制策略

skyhook阻尼控制策略基本思想可表述為：當(dāng)簧載質(zhì)量的絕對(duì)速度和簧載質(zhì)量與非簧載質(zhì)量的相對(duì)速度一致時(shí)，減振器抑制簧載質(zhì)量的運(yùn)動(dòng)，并產(chǎn)生與簧載質(zhì)量匹配的阻尼力。考慮到可變阻尼減振器的阻尼調(diào)節(jié)范圍，當(dāng)其不能滿足等于理想阻尼力時(shí)，產(chǎn)生最大阻尼力；當(dāng)簧載質(zhì)量的絕對(duì)速度和簧載質(zhì)量與非簧載質(zhì)量的相對(duì)速度反向時(shí)，減振器不抑制簧載質(zhì)量的運(yùn)動(dòng)，減振器產(chǎn)生的阻尼力盡可能的小。

理想skyhook阻尼控制模型代表一種懸架阻尼控制思想，在實(shí)際中并不能完全實(shí)現(xiàn)［10］，可以通過可變阻尼減振器在一定范圍內(nèi)等效實(shí)現(xiàn)skyhook阻尼控制，等效模型如圖3所示。

圖3 等效skyhook阻尼控制模型

圖3中各位移、速度向上為正?；奢d質(zhì)量與非簧載質(zhì)量相對(duì)速度記為vbw，定義兩者相互分開方向?yàn)檎?，相互接近方向?yàn)樨?fù)。

等效的skyhook阻尼控制模型為：

其中，F(xiàn)d為可變阻尼減振器產(chǎn)生的阻尼力，F(xiàn)d＝40 000N／m；kt＝350 000N／m；Cs＝1 360N·s／m；Csky＝4 000N·s／m；Cdmax為減振器最大阻尼系數(shù)，Cdmax＝5 440N·s／m；Cdmin為減振器最小阻尼系數(shù)，Cdmin＝1 360N·s／m。

可變阻尼減振器阻尼系數(shù)Cd可按（3）式計(jì)算：

3.2 仿真分析

假定汽車在B級(jí)路面上以60km／h的車速行駛，路面輸入模型為：

其中，x0（t）為路面不平度位移；f0為下截止頻率，一般取0.062 8；Gq（n0）為路面不平度系數(shù)；u為車速；ω（t）為均值為零的高斯白噪聲［11］。在此路面輸入下，等效skyhook阻尼控制模型與被動(dòng)懸架模型的車身垂向加速度對(duì)比如圖4所示。

圖4 時(shí)域仿真結(jié)果對(duì)比

圖4中，實(shí)線為被動(dòng)懸架模型的車身垂向加速度時(shí)域曲線，虛線為等效skyhook阻尼控制模型的車身垂向加速度時(shí)域曲線。

以車身垂向加速度均方根值為評(píng)價(jià)指標(biāo)，對(duì)比分析B級(jí)路面輸入與E級(jí)路面輸入下skyhook阻尼控制策略的有效性，見表1所列。仿真結(jié)果表明，在B級(jí)路面輸入下，skyhook阻尼控制模型相比于被動(dòng)懸架模型車身垂向加速度均方根值減小了32.3%；在E級(jí)路面輸入下，skyhook阻尼控制模型相比于被動(dòng)懸架模型車身垂向加速度均方根值減小了32.4%。

表1 仿真結(jié)果均方根值對(duì)比

3.3 系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)

（1）首先采集車速信號(hào)，對(duì)車速信號(hào)進(jìn)行判斷。如果車速大于100km／h，為保證車輛高速行駛穩(wěn)定性，則系統(tǒng)設(shè)置為運(yùn)動(dòng)模式，減振器設(shè)置為大阻尼狀態(tài)，即輸出給減振器電磁閥小電流（0.25A）；如果車速小于100km／h，進(jìn)入下一步。

（2）根據(jù)車速信號(hào)計(jì)算汽車當(dāng)前加速度值，通過加速度判斷駕駛員當(dāng)前駕駛偏好。如果加速度絕對(duì)值大于5m／s2，表明駕駛員駕駛偏向于運(yùn)動(dòng)性，則系統(tǒng)設(shè)置為運(yùn)動(dòng)模式，減振器設(shè)置為大阻尼狀態(tài)，即輸出給減振器電磁閥小電流（0.25A）；如果加速度絕對(duì)值小于5m／s2，即當(dāng)前駕駛員偏向于其他模式，進(jìn)入下一步。

（3）對(duì)駕駛員選擇的駕駛模式進(jìn)行檢測。如果選擇的是舒適模式，則減振器設(shè)置為阻尼狀態(tài)，輸出給減振器電磁閥大電流（2A）；如果選擇的是運(yùn)動(dòng)模式，則減振器設(shè)置為大阻尼狀態(tài)，即輸出給減振器電磁閥小電流（0.25A）。如果選擇的是正常模式，則采集并處理各傳感器信號(hào)，然后根據(jù)控制策略計(jì)算出目標(biāo)阻尼力，并根據(jù)目標(biāo)阻尼力計(jì)算應(yīng)當(dāng)輸出的最佳電流。

控制系統(tǒng)主程序流程如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)主程序流程圖

4 實(shí)車試驗(yàn)

進(jìn)行試驗(yàn)的目的是為了驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)對(duì)汽車行駛平順性的有效性。試驗(yàn)方法主要是實(shí)車道路試驗(yàn)，試驗(yàn)車輛為安裝有電磁閥式減振器及控制系統(tǒng)的奇瑞G6轎車，如圖6所示。

圖6 試驗(yàn)車輛

根據(jù)文獻(xiàn)［12－13］進(jìn)行實(shí)車道路試驗(yàn)，試驗(yàn)方法如下：

（1）分別在空載和滿載的條件下，路面的激勵(lì)分別為過凸塊的脈輸入和隨機(jī)輸入激勵(lì)，測量車身各點(diǎn)三向加速度。

（2）在車輛安裝電磁閥式半主動(dòng)懸架和被動(dòng)懸架的2種條件下，車速分別為40、60、80km／h，按照方法（1）的要求進(jìn)行試驗(yàn)，并對(duì)結(jié)果進(jìn)行比較。

試驗(yàn)結(jié)果見表2和3所列，在不同條件下，采用電磁閥式半主動(dòng)懸架控制器的汽車比采用普通被動(dòng)懸架的汽車車身垂直加速度均方根值減小11%～23.5%。

表2 空載隨機(jī)路面時(shí)各點(diǎn)均方根值結(jié)果（被動(dòng)／電磁閥式半主動(dòng)懸架） m／s2

表3 滿載隨機(jī)路面時(shí)各點(diǎn)均方根值結(jié)果（被動(dòng)／電磁閥式半主動(dòng)懸架） m／s2

采用自行開發(fā)的電磁閥式半主動(dòng)懸架控制器的車輛，在不同條件下都能夠有效地降低整車的垂直加速度，明顯優(yōu)于普通被動(dòng)懸架，也證明所采用的控制策略是可行的。

5 結(jié)束語

本文采用魯棒性較強(qiáng)且工程易于實(shí)現(xiàn)的skyhook控制策略，建立等效的skyhook阻尼模型并進(jìn)行仿真分析，仿真結(jié)果表明采用skyhook控制策略的電磁閥式半主動(dòng)懸架明顯優(yōu)于傳統(tǒng)被動(dòng)懸架。

通過實(shí)車試驗(yàn)，有效驗(yàn)證了控制策略的正確性。由此說明，所設(shè)計(jì)的電磁閥式半主動(dòng)懸架控制器和采用的控制策略是正確可行的，可有效改善整車行駛平順性［14－15］。

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