電動汽車懸架系統(tǒng)主動控制策略分析

黃立君 高志剛

(1.江西科技學(xué)院智能工程學(xué)院，江西南昌 330098；2.華教教育科技(江西)有限公司，江西贛州 341001)

0 前言

近年來，隨著社會發(fā)展與科技進(jìn)步，我國汽車領(lǐng)域出現(xiàn)了諸多變化，雖然這種變化促進(jìn)了汽車領(lǐng)域的發(fā)展，但隨之也引發(fā)了諸多新問題。目前，汽車的懸架系統(tǒng)已無法滿足用戶的不同需求。尤其是電動汽車，對于懸架系統(tǒng)的要求更加嚴(yán)格。為了從根本上解決這一問題，技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)在設(shè)計(jì)懸架系統(tǒng)時(shí)，積極研究懸架系統(tǒng)的主要控制策略，為電動汽車的穩(wěn)定行駛提供保障[1]。

1 電動汽車懸架系統(tǒng)的綜合概述

1.1 電動汽車懸架系統(tǒng)的概念

電動汽車懸架系統(tǒng)一般包括內(nèi)部彈性元件、減振器和懸架力傳遞裝置等3個(gè)部件。這3個(gè)部件是用來緩沖、阻尼和感應(yīng)力垂直傳遞控制，為電動汽車行駛提供安全保障。該系統(tǒng)屬于新型的微機(jī)控制系統(tǒng)，其匯集了機(jī)械和電子等多種技術(shù)，是相對復(fù)雜和高科技的設(shè)備。某公司研發(fā)的電動汽車懸架系統(tǒng)均為微電腦控制，主要用于控制包括前輪踏板制動壓力、油門踏板運(yùn)動速度、垂直方向和振幅頻率、方向盤角度、轉(zhuǎn)向速度等數(shù)據(jù)。該系統(tǒng)通過微電腦不斷接受電動汽車行駛過程中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，并將行駛數(shù)據(jù)與標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，以選擇合適的懸掛系統(tǒng)狀態(tài)。同時(shí)，通過電動汽車懸架系統(tǒng)還能針對汽車車輪在行駛過程中由緩沖器形成的實(shí)際變化進(jìn)行平衡，確保電動汽車的車輪部位能夠根據(jù)駕駛?cè)藛T的操作進(jìn)行調(diào)整[1]。

1.2 電動汽車懸架系統(tǒng)的功能

當(dāng)電動汽車在不同高速路面上行駛時(shí)，其車輪的轉(zhuǎn)向受到隨機(jī)動力激勵，高速懸架驅(qū)動裝置直接實(shí)現(xiàn)了負(fù)載車體和電動車輪之間的橫向彈性力和支承，有效地抑制并降低了負(fù)載車體與電動汽車車輪的重力動載和轉(zhuǎn)向振動,從而保證了電動汽車在高速行駛過程中轉(zhuǎn)向的平順性和操縱的穩(wěn)定性,同時(shí)達(dá)到了提高汽車行駛平均轉(zhuǎn)向速度的主要目的。在確定車身結(jié)構(gòu)類型時(shí)，電動汽車在整個(gè)高速行駛過程中，螺旋彈簧運(yùn)動剛度和液壓減振器固定阻尼力等系數(shù)，不能被直接控制或人工改變。高速懸架彈簧具有固定剛度和固定阻尼力系數(shù)的功能，也可被稱為“高速被動懸架”。這種被動懸架直接產(chǎn)生的彈性和阻尼力是由自然條件決定的，如道路和車輛速度。高速被動懸架由于材料加工方便、制造成本低，仍被認(rèn)為是電動汽車的領(lǐng)先技術(shù)裝備和產(chǎn)品[2]。

1.3 電動汽車懸架系統(tǒng)的分類

電動汽車懸架系統(tǒng)主要可以分為以下2種類型。

(1)獨(dú)立懸架。獨(dú)立懸架可以分為2個(gè)部分，每個(gè)車輪的獨(dú)立螺旋彈簧直接安裝在車輛的底盤位置。當(dāng)一側(cè)的車輪發(fā)生振動時(shí)，另一側(cè)的車輪基本不會受到振動影響，這樣減少了汽車的橫向振動，車輛的舒適性會有很大程度上的提升。特別是在高速道路行駛時(shí)，這種懸掛系統(tǒng)可以提高電動汽車的速度和穩(wěn)定性。但是，獨(dú)立懸架車架構(gòu)造比較復(fù)雜，其承載力較小，導(dǎo)致電動汽車的車輪驅(qū)動控制系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)變得更加復(fù)雜。目前，大多數(shù)電動汽車的前后車輪懸架都已經(jīng)采用了獨(dú)立的整體懸架系統(tǒng)形式，并已成為發(fā)展趨勢[3]。

(2)非獨(dú)立懸架。將非獨(dú)立懸架安裝在獨(dú)立懸架軸的左側(cè)，當(dāng)車輪側(cè)發(fā)生跳動時(shí),可能會影響到另一側(cè)的車輪，導(dǎo)致車輛整體發(fā)生振動或水平傾斜。雖然采用非獨(dú)立懸架控制系統(tǒng)的電動汽車的平順性和舒適性普遍較差，但由于該懸架系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，承載力大，多被應(yīng)用于輕型載重汽車、普通長途客車和其他一些特種用途車輛上[4]。

2 電動汽車懸架系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀

隨著電動汽車的快速發(fā)展，其噪聲-振動-平順性(NVH)性能已成為社會大眾的關(guān)注焦點(diǎn)。懸架系統(tǒng)作為提高NVH性能的關(guān)鍵部件，已成為電動汽車發(fā)展的研究重點(diǎn)。目前，配備新型集中式雙發(fā)電機(jī)齒輪傳動系統(tǒng)的電動汽車一般采用成本較低的被動懸架橋式控制系統(tǒng)。電動汽車懸架系統(tǒng)可分為基本獨(dú)立被動懸架和非基本被動懸架，其性能與傳統(tǒng)汽車懸架沒有區(qū)別。當(dāng)電動汽車選擇內(nèi)輪轂電機(jī)時(shí)，其設(shè)計(jì)不同于傳統(tǒng)汽車懸架，主要采用獨(dú)立懸架。這是因?yàn)楝F(xiàn)有懸架結(jié)構(gòu)是被動懸架系統(tǒng)，其性能不足以提高輪轂電動汽車的平順性和操縱穩(wěn)定性。鑒于可控懸架的動態(tài)自適應(yīng)調(diào)節(jié)性能，電動汽車需要采用與其相適應(yīng)的主動懸架系統(tǒng)或半主動懸架系統(tǒng)?；陔妱悠嚲哂屑珊椭悄芸刂葡到y(tǒng)的特點(diǎn)，主動懸架系統(tǒng)更符合未來智能電動汽車的發(fā)展理念。目前，研究人員對內(nèi)輪轂電機(jī)驅(qū)動電動汽車橫向運(yùn)動控制方面的研究較多[5]。

3 電動汽車懸架系統(tǒng)的主要控制策略

3.1 智能模糊控制策略

智能模糊控制策略是指在主動懸架系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中應(yīng)用模糊控制和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模糊控制。智能模糊控制策略可以有效幫助車輛在特定使用環(huán)境下解決各種車輛控制問題。采用定性描述的控制方法可以設(shè)計(jì)多類型目標(biāo)懸架，并可以進(jìn)行自動識別控制和功能處理。同時(shí)，模糊控制方法還具有深度學(xué)習(xí)控制的功能，如該控制方法可以自動仿真調(diào)整并控制輸入和輸出變量的動態(tài)組合，定義從屬控制函數(shù)的參數(shù)和模糊控制規(guī)則參數(shù)的個(gè)數(shù)。計(jì)算機(jī)自動仿真結(jié)果表明，該控制方法比其他常規(guī)控制方法更為有效。模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制是由大量數(shù)據(jù)處理單元組合而成的高度獨(dú)立的并行非線性動態(tài)系統(tǒng)，其技術(shù)特點(diǎn)主要是基于數(shù)據(jù)融合、學(xué)習(xí)適應(yīng)性和高度并行的分步式數(shù)據(jù)處理。因此，車輛主動懸架的實(shí)時(shí)振動優(yōu)化控制具有廣泛的應(yīng)用前景。該控制方法已成功應(yīng)用于車輛主動懸架系統(tǒng)動態(tài)控制補(bǔ)償模糊控制器的系統(tǒng)設(shè)計(jì)。研究結(jié)果表明，該控制器的控制性能優(yōu)于傳統(tǒng)的低延遲排隊(duì)(LLQ)振動控制器模糊控制方法。一些研究人員將模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊控制和實(shí)時(shí)車輛振動優(yōu)化控制算法相結(jié)合，驗(yàn)證了非線性處理系統(tǒng)和模糊參數(shù)的時(shí)變性[6]。

3.2 仿真控制策略

電動汽車懸架系統(tǒng)控制策略仿真在MATLAB軟件環(huán)境下完成，并通過添加小型車輛仿真測試平臺，如ADAMS平臺或DADS平臺，對控制系統(tǒng)進(jìn)行仿真。車輛仿真測試平臺完全集成了所有的控制傳感器處理和控制濾波，但仿真控制處理系統(tǒng)必須建立在與車輛仿真平臺相同的控制處理基礎(chǔ)上。隨著試驗(yàn)時(shí)間的推移，這種方法可以極大提高仿真試驗(yàn)的精度，擴(kuò)展不同規(guī)格的有用產(chǎn)品設(shè)計(jì)和制造過程的仿真試驗(yàn)結(jié)果。該仿真方法還可以跟蹤車輛功率與驅(qū)動能量之間的流動，根據(jù)認(rèn)知之間的關(guān)系，充分平衡產(chǎn)品設(shè)計(jì)和使用過程中各部件的性能特性和實(shí)際功耗。電動汽車懸架系統(tǒng)控制目標(biāo)的早期成功實(shí)施將直接影響到整車的功耗。主動空氣懸架控制系統(tǒng)多采用被動懸架減振器。在最近的高機(jī)動性多用途輪式車輛(HMMWV)主動空氣懸架系統(tǒng)設(shè)計(jì)概念中，主動空氣懸架系統(tǒng)已經(jīng)通過了耐久性測試的驗(yàn)證[7]。

3.3 反饋控制策略

自動反饋控制系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)各個(gè)執(zhí)行處理機(jī)構(gòu)之間的實(shí)時(shí)連續(xù)自動調(diào)節(jié),對整個(gè)控制懸架系統(tǒng)的運(yùn)行穩(wěn)定性、精確性和實(shí)時(shí)反應(yīng)速度等要求相對較高，需要實(shí)時(shí)測量的控制信息和處理計(jì)算數(shù)據(jù)量較大。線性最優(yōu)控制系統(tǒng)是基于理想控制模型設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)，如果通過懸架設(shè)置的噪聲特性是相對線性的，路面不平度特征符合正態(tài)噪聲分布，在調(diào)整最優(yōu)白噪聲粗糙度的關(guān)鍵條件下，功率型譜可以很容易地實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的動態(tài)穩(wěn)定性。研究人員可以通過隨機(jī)加權(quán)后的二次控制性能系統(tǒng)的狀態(tài)變量，保證響應(yīng)和反饋控制方法的輸入控制性能指標(biāo)。隨機(jī)最優(yōu)噪聲預(yù)測反饋控制方法是利用系統(tǒng)噪聲，通過汽車內(nèi)置前輪或傳感器模塊來預(yù)測路面噪聲干擾信號的輸入變量，然后將測量后的狀態(tài)變量反饋到車輛前后輪驅(qū)動控制器，以實(shí)現(xiàn)最優(yōu)控制。該技術(shù)方法特別適用于大型軌道交通車輛的主動懸架系統(tǒng)。

3.4 自適應(yīng)控制策略

自適應(yīng)控制策略通常應(yīng)用于車輛在正常駕駛控制過程中發(fā)生電路干擾，或具有統(tǒng)計(jì)變量特性干擾時(shí)的場景，即輸入信號會對當(dāng)前車輛行駛狀態(tài)產(chǎn)生干擾。自適應(yīng)控制系統(tǒng)根據(jù)系統(tǒng)電路中電流輸入的相關(guān)控制信息，從預(yù)計(jì)算和預(yù)存儲的控制參數(shù)中隨機(jī)選擇最合適的參考控制參數(shù)?？刂圃O(shè)計(jì)的關(guān)鍵參數(shù)應(yīng)能準(zhǔn)確、可靠地反映電流輸入信號的變化。主動自適應(yīng)控制方法可以充分考慮系統(tǒng)所有控制參數(shù)對車輛懸架系統(tǒng)時(shí)間變異性的影響；具有系統(tǒng)參數(shù)自動識別控制功能，能自動適應(yīng)車輛懸架運(yùn)動中負(fù)載運(yùn)動特性的變化和控制部件的變化；自動準(zhǔn)確調(diào)整懸架參數(shù)，保持最佳的系統(tǒng)性能指標(biāo)。目前，應(yīng)用于主動懸架自適應(yīng)控制系統(tǒng)的方法可分為模型帶開環(huán)增益矢量調(diào)度自動化控制、模型參考自適應(yīng)校正主動控制和校準(zhǔn)參考自適應(yīng)控制。 模型帶開環(huán)增益矢量調(diào)度自動化控制系統(tǒng)屬于主動自適應(yīng)控制模型，通過自動監(jiān)測車輛運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)自動改變輔助控制器系統(tǒng)參數(shù)；模型參考自適應(yīng)校正主動控制系統(tǒng)用于主動控制，通過自動跟蹤預(yù)先設(shè)計(jì)的系統(tǒng)定義參考模型，參考前饋和輔助開環(huán)參數(shù)對控制系統(tǒng)的主動自適應(yīng)控制規(guī)則，利用非線性和時(shí)變參數(shù)對主動懸架控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)最優(yōu)控制；校準(zhǔn)參考自適應(yīng)控制系統(tǒng)是將被控對象系統(tǒng)的參數(shù)通過自動在線精確估計(jì)與輔助控制器系統(tǒng)相位隨機(jī)組合，形成自動精確標(biāo)定參數(shù)的控制系統(tǒng)。對整個(gè)微機(jī)自動控制系統(tǒng)進(jìn)行自動離散實(shí)時(shí)監(jiān)測，是目前實(shí)際應(yīng)用最廣泛的主動自適應(yīng)控制系統(tǒng)。目前，自適應(yīng)控制系統(tǒng)在大眾汽車新底盤上已得到了廣泛的應(yīng)用[8]。

4 結(jié)語

隨著汽車行業(yè)的持續(xù)發(fā)展，被動懸架系統(tǒng)的性能表現(xiàn)會嚴(yán)重限制車輛性能的提高。因此，現(xiàn)代車輛懸架不僅要保證其基本性能，更要注重提高汽車的安全性和舒適性。隨著高性能電子技術(shù)和傳感器技術(shù)的迅速發(fā)展，電子設(shè)備的性能和可靠性得到了進(jìn)一步提升。通過應(yīng)用電子控制系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)電動汽車對懸架系統(tǒng)的有效控制，滿足用戶對車輛駕駛平順性的更高要求，并可有效提高車輛的操控穩(wěn)定性。