混合動(dòng)力汽車(chē)的主動(dòng)減振控制方法分析

吳圣 曹林

弗迪科技有限公司 廣東省深圳市 518118

大量的理論研究和實(shí)驗(yàn)表明，發(fā)動(dòng)機(jī)的振動(dòng)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(dòng)機(jī)振動(dòng)主要由發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸內(nèi)的燃燒與活塞的往復(fù)運(yùn)動(dòng)所致，該振動(dòng)可經(jīng)發(fā)動(dòng)機(jī)懸置系統(tǒng)傳遞至車(chē)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(dòng)機(jī)傳遞到車(chē)架上的振動(dòng)能有效地解決這一問(wèn)題，主動(dòng)懸置系統(tǒng)可利用帶有電磁作動(dòng)器的液壓懸置，動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)懸置的動(dòng)剛度和阻尼，理論上可以將系統(tǒng)的振動(dòng)降為“0”。

1 主動(dòng)懸置隔振原理

主動(dòng)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(dòng)器及其電子控制單元，電磁作動(dòng)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(dòng)器是利用永磁鐵或電磁鐵來(lái)產(chǎn)生穩(wěn)定的磁場(chǎng)，當(dāng)磁場(chǎng)中線圈有電流通過(guò)時(shí)產(chǎn)生了和電流成正比的安培力，從而驅(qū)動(dòng)作動(dòng)器動(dòng)作，電磁作動(dòng)器是主動(dòng)懸置的核心部件，是電控單元對(duì)懸置采取主動(dòng)控制的重要環(huán)節(jié)。

圖2 主動(dòng)懸置系統(tǒng)控制電路板

2 主動(dòng)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(dòng)懸置的動(dòng)剛度和阻尼是可控的，可根據(jù)實(shí)際激勵(lì)來(lái)輸出所需要的剛度和阻尼，理論上可以將系統(tǒng)的振動(dòng)降為“0”。其基本原理為：通過(guò)傳感器采集到發(fā)動(dòng)機(jī)和路面激勵(lì)信號(hào)反饋給控制電路，使作動(dòng)器產(chǎn)生一個(gè)與之頻率和幅值均一樣、相位反向的信號(hào)從而達(dá)到抵消激勵(lì)信號(hào)的目的，控制原理示意圖如圖3所示。

圖3 控制原理示意圖

電控單元通過(guò)車(chē)速與發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸傳感器信號(hào)判斷出目標(biāo)工況，并從發(fā)動(dòng)機(jī)電子控制單元獲取與振動(dòng)相關(guān)的數(shù)據(jù)，分析出發(fā)動(dòng)機(jī)的振動(dòng)狀態(tài)，計(jì)算電磁作動(dòng)器的工作電流，并根據(jù)動(dòng)力電池充電功率、發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火線圈信號(hào)、縱向加速度值對(duì)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(dòng)懸置削弱甚至消除發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)傳遞與噪音。

混合動(dòng)力汽車(chē)的主動(dòng)減振控制方法可按以下6個(gè)步驟進(jìn)行。

S101：當(dāng)混合動(dòng)力汽車(chē)的發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)，獲取車(chē)速和曲軸傳感器信號(hào)，并以此判斷車(chē)輛是否處于怠速充電工況，車(chē)速信號(hào)用于怠速工況的判斷，曲軸傳感器信號(hào)判斷發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速是否處于充電工況對(duì)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(chē)輛處于怠速充電工況下時(shí)，則根據(jù)曲軸傳感器信號(hào)計(jì)算發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速和振動(dòng)周期。發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速等于每分鐘曲軸轉(zhuǎn)動(dòng)的圈數(shù)，發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)周期可根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的汽缸數(shù)和發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速計(jì)算獲得。以四缸發(fā)動(dòng)機(jī)為例，發(fā)動(dòng)機(jī)的每個(gè)工作循環(huán)中曲軸轉(zhuǎn)動(dòng)兩圈，并且每個(gè)工作循環(huán)中，四個(gè)汽缸按照1342的順序點(diǎn)火燃燒各一次，即發(fā)動(dòng)機(jī)每轉(zhuǎn)會(huì)點(diǎn)火燃燒兩次，也就是發(fā)動(dòng)機(jī)每轉(zhuǎn)振動(dòng)兩次，如果發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速為6000r/min，那么它的振動(dòng)周期為1/200s。在計(jì)算出發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速和振動(dòng)周期后，可利用采樣法獲得此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)的振幅和頻率，通過(guò)采樣法或查表法等計(jì)算獲得所需的目標(biāo)電流值A(chǔ)；當(dāng)S1判斷車(chē)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(dòng)力汽車(chē)處于怠速充電工況時(shí)，需與整車(chē)控制器或者電池管理系統(tǒng)通信以獲取動(dòng)力電池的充電功率。此通信周期遠(yuǎn)大于發(fā)動(dòng)機(jī)的振動(dòng)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(gè)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(gè)目標(biāo)電流值A(chǔ)，并在通信結(jié)束后，直接利用該目標(biāo)電流值A(chǔ)，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(huì)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的振動(dòng)產(chǎn)生影響，所以還需根據(jù)動(dòng)力電池的充電功率對(duì)目標(biāo)電流值A(chǔ)進(jìn)行調(diào)整，以獲得第一修正電流值A(chǔ)’，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(dòng)機(jī)的點(diǎn)火線圈信號(hào)，并根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的點(diǎn)火線圈信號(hào)判斷發(fā)動(dòng)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(dòng)機(jī)的點(diǎn)火線圈信號(hào)輸出帶有工作時(shí)刻的驅(qū)動(dòng)信號(hào)至電磁作動(dòng)器進(jìn)行工作電路的驅(qū)動(dòng)。點(diǎn)火線圈信號(hào)反映了發(fā)動(dòng)機(jī)汽缸內(nèi)的燃燒時(shí)刻，發(fā)動(dòng)機(jī)的振動(dòng)主要產(chǎn)生于點(diǎn)火時(shí)刻汽缸內(nèi)的氣體燃燒推動(dòng)活塞，所以采用點(diǎn)火線圈信號(hào)來(lái)控制第一修正電流值 A’的輸出時(shí)刻，抑制振動(dòng)更為準(zhǔn)確和有效。可先根據(jù)第一修正電流值A(chǔ)’和發(fā)動(dòng)機(jī)的振動(dòng)周期，采用脈沖寬度調(diào)制控制的方式獲取相對(duì)應(yīng)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，然后根據(jù)點(diǎn)火線圈信號(hào)生成驅(qū)動(dòng)用脈沖控制信號(hào)，通過(guò)該脈沖控制信號(hào)決定第一修正電流值A(chǔ)’輸入到作動(dòng)器的時(shí)間。

S106：驅(qū)動(dòng)電路根據(jù)驅(qū)動(dòng)信號(hào)向作動(dòng)器輸出帶有作用時(shí)間的工作電流，作動(dòng)器根據(jù)帶有作用時(shí)間的工作電流進(jìn)行工作以對(duì)混合動(dòng)力汽車(chē)進(jìn)行主動(dòng)減振控制。當(dāng)?shù)谝恍拚娏髦礎(chǔ)’輸入至作動(dòng)器時(shí)，作動(dòng)器根據(jù)工作電流對(duì)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(dòng)，從而改變主動(dòng)懸置的阻尼和動(dòng)剛度，實(shí)現(xiàn)汽車(chē)在怠速充電工況下的減振降噪功能，提高用戶的乘車(chē)舒適度。

在實(shí)際應(yīng)用中，還可以通過(guò)監(jiān)測(cè)作動(dòng)器工作溫度來(lái)適當(dāng)調(diào)整目標(biāo)電流值，對(duì)每個(gè)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(duì)作動(dòng)器的影響。由于驅(qū)動(dòng)電路中線圈的電阻會(huì)隨著溫度的升高而增大，所以可以利用驅(qū)動(dòng)電路的輸出電流來(lái)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(dòng)器的工作溫度，最后根據(jù)工作溫度推算出作動(dòng)器的工作狀態(tài)，并根據(jù)工作狀態(tài)對(duì)第一修正電流值A(chǔ)進(jìn)行調(diào)整，以及根據(jù)調(diào)整后的電流值對(duì)主動(dòng)懸置的動(dòng)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(guò)對(duì)作動(dòng)器工作溫度的監(jiān)測(cè)，對(duì)每個(gè)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(duì)作動(dòng)器的影響，達(dá)到對(duì)減振效果進(jìn)行主動(dòng)調(diào)整的目的，使其具有更好的減振效果。

在對(duì)主動(dòng)懸置動(dòng)剛度調(diào)整后，如果不對(duì)減振效果進(jìn)行監(jiān)控，則無(wú)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(cè)，并根據(jù)當(dāng)前的減振效果對(duì)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(huì)更加合理，減振效果會(huì)更好。

圖4是某車(chē)型四缸發(fā)動(dòng)機(jī)的點(diǎn)火線圈信號(hào)與目標(biāo)電流值的關(guān)系圖。其中，q1為1號(hào)汽缸的點(diǎn)火線圈信號(hào)，q2為3號(hào)汽缸的點(diǎn)火線圈信號(hào)，q3為4號(hào)汽缸的點(diǎn)火線圈信號(hào)，q4為2號(hào)汽缸的點(diǎn)火線圈信號(hào)，F(xiàn)為產(chǎn)生目標(biāo)電流值所需的PWM信號(hào)，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(hào)時(shí)間長(zhǎng)度，c、c1分別為修前后一個(gè)信號(hào)周期的時(shí)間長(zhǎng)度，其中占空比即為b/c、b1/c1。

圖4 點(diǎn)火線圈信號(hào)與目標(biāo)電流值的關(guān)系圖

以曲軸傳感器、點(diǎn)火線圈信號(hào)、車(chē)速傳感器等汽車(chē)已經(jīng)存在的信號(hào)作為減振控制的輸入信號(hào)，信號(hào)采集更加便捷有效。并且運(yùn)用點(diǎn)火線圈信號(hào)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(dòng)電路的工作電流作為輸入信號(hào)，對(duì)目標(biāo)電流值進(jìn)行主動(dòng)調(diào)整，并將加速度傳感器的信號(hào)作為反饋信號(hào)，對(duì)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(dòng)和降低噪聲的效果，提高用戶的舒適度而且整個(gè)控制充分利用了與整車(chē)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(tái)架試驗(yàn)方法與數(shù)據(jù)

此試驗(yàn)臺(tái)架是模擬某車(chē)型發(fā)動(dòng)機(jī)重量、安裝位置和質(zhì)心位置，將其邊界環(huán)境加以簡(jiǎn)化而設(shè)計(jì)，用于模擬發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行的各工況激勵(lì)下懸置的隔振情況。臺(tái)架運(yùn)行時(shí)能產(chǎn)生0-100Hz的激振力，可模擬四缸發(fā)動(dòng)機(jī)3000轉(zhuǎn)以下各種工況的激勵(lì)，可做懸置耐久疲勞試驗(yàn)和電路板耐久試驗(yàn)，還可以對(duì)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(tái)架的原理和結(jié)構(gòu)圖如圖5、6所示。

圖5 試驗(yàn)臺(tái)架原理框圖

圖6 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和臺(tái)架結(jié)構(gòu)圖

位移傳感器置于主動(dòng)懸置的被動(dòng)端，由臺(tái)架數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集和處理被動(dòng)端位移量，圖7、8分別是臺(tái)架試驗(yàn)主動(dòng)懸置介入和關(guān)閉后的振動(dòng)位移幅值對(duì)比。從圖中可以看出，主動(dòng)懸置作動(dòng)后位移幅值減小了約50%，當(dāng)主動(dòng)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(dòng)懸置的主動(dòng)端及被動(dòng)端，如圖9、10所示。

圖9 BBM數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

圖11、12分別是試驗(yàn)臺(tái)架無(wú)作動(dòng)和有作動(dòng)兩種情況下，主動(dòng)懸置部作動(dòng)前后主、被動(dòng)端振動(dòng)加速度值對(duì)比。從圖中可以看出，振動(dòng)加速度衰減率為80%，重要的是被動(dòng)端的振動(dòng)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。

圖8 主動(dòng)懸置關(guān)閉后被動(dòng)端振動(dòng)位移圖

圖10 振動(dòng)數(shù)據(jù)處理

圖11 試驗(yàn)臺(tái)架無(wú)作動(dòng)時(shí)主被動(dòng)端振動(dòng)數(shù)據(jù)

圖12 試驗(yàn)臺(tái)架作動(dòng)時(shí)主被動(dòng)端振動(dòng)數(shù)據(jù)

4 結(jié)語(yǔ)

應(yīng)用以上的主動(dòng)減振控制方法，并通過(guò)搭建試驗(yàn)臺(tái)架對(duì)發(fā)動(dòng)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(dòng)懸置系統(tǒng)削弱50%以上的發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)傳遞，阻止不平衡力和噪聲向車(chē)內(nèi)傳遞，可以在主動(dòng)懸置相關(guān)的控制系統(tǒng)當(dāng)中推廣使用?；旌蟿?dòng)力汽車(chē)在市場(chǎng)上還占有著相當(dāng)大的比例，解決好混合動(dòng)力汽車(chē)在怠速充電工況下的主動(dòng)減振問(wèn)題，能夠有效提升車(chē)輛的舒適性，對(duì)車(chē)廠和消費(fèi)者而言都有著重要意義。