CN106926660B - 一种基于轮边驱动电动车的电磁悬架***及其控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种基于轮边驱动电动车的电磁悬架***及其控制方法，所述***包括簧载质量、弹性元件、减振器、直线电机、轮毂电机、簧下质量、加速度信号传感器、位移传感器A、位移传感器B和ECU；所述方法包括舒适性模式、安全性模式和综合性模式三种工作模式；本发明采用内外环协调控制，内环控制使用PI控制算法，外环控制采用LQG控制算法，相比之前大多数研究者采用的单环控制，基于LQG与PI控制的力跟踪控制方式能够利用反馈机制更好地跟踪悬架实时运动状态，并更有效地输出目标跟踪力改善车身振动。同时本发明建立的是基于轮边驱动电动车的三自由度电磁悬架模型，模型结构更复杂，考虑因素更多，并且能够应用于现代电动汽车上，符合节能减排目标。

Description

一种基于轮边驱动电动车的电磁悬架***及其控制方法
技术领域
本发明专利属于汽车安全领域，具体涉及一种基于轮边驱动电动车的电磁悬架***及其控制方法。
背景技术
随着汽车技术的不断发展，消费者对汽车安全性和舒适性的要求也越来越高。汽车在使用过程中，载荷、车速、路况等行驶状态会有较大变化，不同的工况对平顺性和操纵稳定性要求的侧重点不同，悬架特性也要相应变化。例如，平顺性一般要求悬架较软，而在急转弯、紧急制动和加速、高速驾驶操纵时，行驶安全性又要求悬架较硬，以保持车身姿态和轮胎的接地性。被动悬架则难以满足各种行驶状态下对悬架性能的较高要求。在这样的要求下，许多汽车节能技术应运而生，例如液压互联技术、半主动控制技术、制动能量回收技术等，这些技术在一定程度上提高了汽车的安全性和舒适性。
直线电机是旋转电机在结构方面的一种变形，其结构简单、效率高、电枢与定子无径向力等优点已在各种领域广泛应用发展，特别是车辆悬架方面。直线电机式电磁悬架可以通过控制直线电机来实现车辆主动减振，大大增加了悬架的可控性。
中国专利201510645787.1公开了一种汽车主动悬架LQG控制器最优控制力的设计方法，但只是单一地采用了LQG算法，在跟踪力输出的精确性和有效性方面还值得考量；而且采用的是较简单二自由度悬架***。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提出了一种基于轮边驱动电动车的电磁悬架***及其控制方法，采用LQG外环控制与PI内环控制协调作用，以保障更精确的对悬架进行作动力控制，达到更好的车辆行驶平顺性与安全性。
本发明的技术方案是：一种基于轮边驱动电动车的电磁悬架***，包括簧载质量、弹性元件、减振器、直线电机、轮毂电机、簧下质量、加速度信号传感器、位移传感器A、位移传感器B和ECU；
所述弹性元件两端分别固连在簧载质量与轮毂电机上，减振器的两端分别固连在簧载质量与轮毂电机之间，轮毂电机的另一端通过轴承与簧下质量连接；所述直线电机套于弹性元件内部，加速度信号传感器安装在簧载质量上，位移传感器A安装在簧载质量上，位移传感器B安装在簧下质量上；
所述ECU分别与加速度信号传感器、位移传感器A和位移传感器B电连接，所述ECU通过加速度信号传感器采集簧载质量的加速度信号，通过位移传感器A采集簧载质量的位移信号，通过位移传感器B采集簧下质量的位移信号，并进行分析处理，得到车辆实时的悬架动态参数，以悬架动态参数为依据采用LQG算法控制直线电机输出作动力。
上述方案中，所述方法包括舒适性模式、安全性模式和综合性模式三种工作模式；所述舒适性模式以乘坐舒适性为控制目标，所述安全性模式以轮胎接地性为控制目标，所述综合性模式兼顾乘坐舒适性和轮胎接地性，对以上三种模式采用LQG算法控制直线电机输出作动力；
车辆的ECU通过加速度信号传感器采集簧载质量的加速度信号，通过位移传感器A采集簧载质量的位移信号，通过位移传感器B采集簧下质量的位移信号，并进行分析处理，得到车辆实时的悬架动态参数，ECU根据悬架动态参数的结果选择进入的工作模式。
上述方案中，当车身加速度超过2m/s2时，使直线电机工作在舒适性模式；
当轮胎动载荷超过2KN时，使直线电机工作在安全性模式；
当不满足上述条件时，使直线电机工作在综合性模式。
上述方案中，包括***外环控制和***内环控制，所述***内环控制使用PI控制算法，所述***外环控制采用LQG控制算法；
***通过LQG控制产生目标控制力输入控制内环，控制内环进行PI控制并输入悬架模型，悬架模型把实时悬架动态参数作为控制内环输出，同时反馈给控制外环LQG控制，实时控制直线电机输出作动力，抑制悬架振动。
上述方案中，所述LQG控制算法具体为：
1)建立带轮毂电机的电磁悬架模型振动微分方程：
其中，Zs为簧载质量垂向位移，Zv为轮毂电机垂向位移，Zt为簧下质量垂向位移，q为路面垂向位移，Ks为弹性元件刚度，Kv为轮毂电机等效刚度，kt为轮胎等效刚度，C为减振器阻尼系数，Fa为直线电机作动力，Fv为电机垂向力，ms为，mv为，mt为；ms为簧载质量，mv为轮毂电机质量，mt为簧下质量；
并以矩阵形式表达，如下式：
其中，
其中，W为高斯白噪声输入矩阵，U为控制输入矩阵，即W＝[w]，U＝[Fa]，Y＝[FV]；G0为路面不平度系数，U0为车辆前进速度，f0为下截至频率,w为均值为零的高斯白噪声；
2)确定LQG控制指标车身垂向加速度、悬架动行程、车轮动位移并确定目标函数如下：
其中，q1为轮胎动位移的加权系数，q2为悬架动行程的加权系数，q3为车身加速度的加权系数，T为一个时间周期；
3)将目标函数改写成标准二次型形式：
其中：
4)根据黎卡提方程
AK+KAT+Q-KBR-1BTK+FWFT＝0
求出增益矩阵K＝(k1 k2 k3 k4 k5)；
5)根据增益矩阵K和状态变量X，可得出直线电机输出的最优控制力：
上述方案中，根据不同模式选取合适的加权系数；
当处于舒适性模式时，则q1＝5.62，q2＝3283，q3＝21638；
当处于安全性模式时，则q1＝1.03，q2＝50200，q3＝845000；
当处于综合性模式时，则q1＝0.88，q2＝3000，q3＝38000。
上述方案中，所述PI算法中根据对内环特性的分析，选定PI控制器参数为：比例参数P＝1.55，积分参数I＝0.7。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1.本发明悬架采用带有轮毂电机质量系的三自由度悬架模型，此模型结构首次提出，结构新颖，适用于轮边驱动的电动车上，满足可持续发展的要求，具有很大的环保意义。
2.根据车辆行驶的不同工况采用不同工作模式，其中舒适性模式以乘坐舒适性为控制目标，安全性模式以轮胎接地性为控制目标，综合性模式兼顾两者性能，针对以上三种模式并在LQG控制中采用不同的加权系数，以期达到快速准确的对悬架进行主动控制，以保证乘员的乘车感受与乘车安全。
3.本发明采用内环PI控制与外环LQG控制进行协调控制，通过反馈机制实时控制直线电机输出作动力，抑制悬架振动。
4.针对于新型电磁悬架模型提出了与其相匹配的改进的LQG控制算法，得到直线电机输出最优控制力，进一步改善了车辆行驶的平顺性与安全性。
附图说明
图1为本发明中基于轮边驱动的电磁悬架的结构图；
图2为本发明中双环力跟踪***示意图。
1-簧载质量；2-弹性元件；3-减振器；4-直线电机；5-轮毂电机；6-簧下质量；7-加速度信号传感器；8-位移传感器A；9-位移传感器B。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明，但本发明的保护范围并不限于此。
图1是本发明中基于轮边驱动电动车的电磁悬架的结构图，基于轮边驱动电动车的电磁悬架***包括簧载质量(1)、弹性元件(2)、减振器(3)、直线电机(4)、轮毂电机(5)、簧下质量(6)、加速度信号传感器(7)、位移传感器A(8)、位移传感器B(9)和ECU。所述弹性元件(2)两端分别固连在簧载质量(1)与轮毂电机(5)上，减振器(3)的两端分别固连在簧载质量(1)与轮毂电机(5)之间，轮毂电机(5)的另一端通过轴承与簧下质量(6)连接；所述直线电机(4)套于弹性元件(2)内部，加速度信号传感器(7)安装在簧载质量(1)上，位移传感器A(8)安装在簧载质量(1)上，位移传感器B(9)安装在簧下质量(6)上；各传感器通过can总线传递信号。
所述ECU分别与加速度信号传感器(7)、位移传感器A(8)和位移传感器B(9)电连接，所述ECU通过加速度信号传感器(7)采集簧载质量(1)的加速度信号，通过位移传感器A(8)采集簧载质量(1)的位移信号，通过位移传感器B(9)采集簧下质量(6)的位移信号和轮胎动载荷信号并进行分析处理，得到车辆实时的悬架动态参数，以悬架动态参数为依据采用LQG算法控制直线电机(4)输出作动力。
所述轮胎动载荷的公式：Fd＝(Zt-q)*kt
本发明还提供一种根据所述基于轮边驱动电动车的电磁悬架***的控制方法，包括舒适性模式、安全性模式和综合性模式三种工作模式。
由于汽车乘坐舒适性和轮胎接地性之间存在矛盾，在提高平顺性的同时会牺牲操稳性，反之亦然，所以发明分别设定三种工作模式，其中，舒适性模式以乘坐舒适性为控制目标，安全性模式以轮胎接地性为控制目标，综合性模式兼顾两者，对以上三种模式采用LQG控制策略并根据不同模式制定相应的加权系数，来实现不同模式下车辆动力学性能的提高。
车辆的ECU通过加速度信号传感器7采集簧载质量1的加速度信号，通过位移传感器A8采集簧载质量1的位移信号，通过位移传感器B9采集簧下质量6的位移信号，并进行分析处理，得到车辆实时的悬架动态参数，ECU根据悬架动态参数(轮胎动位移、悬架动行程、车身加速度)的结果选择进入的工作模式。
a.当车身加速度超过2m/s2，此时根据人体感官程度，乘坐者会感受到较大的振动，此时使直线电机工作在舒适性模式。
b.当轮胎动载荷超过2KN时，此时车辆轮胎径向跳动较大，会对车辆稳定行驶造成影响，此时使直线电机工作在安全性模式。
c.当不满足上述两者条件时，使直线电机工作在综合性模式，兼顾两者性能，保障汽车稳定行驶。
图2为本发明的双环力跟踪***示意图，控制***内环控制使用PI控制算法，外环控制采用LQG控制算法，LQG控制产生目标控制力输入控制内环，控制内环进行PI控制并输入悬架模型，悬架模型把实时悬架动态参数作为控制内环输出，同时反馈给控制外环LQG控制。
内环控制采用的PI算法具体如下：
根据对内环特性的分析，选定PI控制器参数为：比例参数P＝1.55,积分参数I＝0.7，经过***仿真，此参数能够使模型***作动力较好地跟踪目标控制力，减小***误差，保证输出作动力的精确性。
外环控制所采用的LQG算法具体如下：
带有轮毂电机的电磁悬架***动力学微分方程如下：
其中，Zs为簧载质量垂向位移，Zv为轮毂电机垂向位移，Zt为簧下质量(即轮胎)垂向位移，Ks为弹性元件刚度，Kv为轮毂电机等效刚度，kt为轮胎等效刚度，C为减振器阻尼系数，Fa为直线电机作动力，Fv为电机垂向力，ms为，mv为，mt为；ms为簧载质量，mv为轮毂电机质量，mt为簧下质量；
路面输入模型采用一个符合高斯(正态)分布的滤波白噪声，即：
其中G0为路面不平度系数，U0为车辆行驶速度，w为高斯白噪声，f0为截止频率。
为了便于采用LQG算法，将上述微分方程写成矩阵形式，即下式：
其中，
其中，W为高斯白噪声输入矩阵，U为控制输入矩阵，即W＝[w]，U＝[Fa]，Y=[FV]；G0为路面不平度系数，U0为车辆前进速度，f0为下截至频率,w为均值为零的高斯白噪声；
电磁悬架***中，LQG控制器目标函数J为轮胎动位移、悬架动行程和车身加速度的加权平方和的积分值，即：
其中，q1为轮胎动位移的加权系数，q2为悬架动行程的加权系数，q3为车身加速度的加权系数，T为一个时间周期。对不同目标采用不同的权值将根据车辆不同行驶状态有针对性的改善车辆某一方面的性能。
不同模式选取的加权系数优选如下表：
将上式目标函数改写为标准二次型形式：
其中：
利用黎卡提方程求出增益矩阵K,黎卡提方程形式如下：
AK+KAT+Q-KBR-1BTK+FWFT＝0
根据增益矩阵K和状态变量X，可得出直线电机输出的最优控制力：
本发明采用内外环协调控制，内环控制使用PI控制算法，外环控制采用LQG控制算法，相比之前大多数研究者采用的单环控制，基于LQG与PI控制的力跟踪控制方式能够利用反馈机制更好地跟踪悬架实时运动状态，并更有效地输出目标跟踪力改善车身振动。同时本发明建立的是基于轮边驱动电动车的三自由度电磁悬架模型，模型结构更复杂，考虑因素更多，并且能够应用于现代电动汽车上，符合节能减排的目标。
应当理解，虽然本说明书是按照各个实施例描述的，但并非每个实施例仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本发明的可行性实施例的具体说明，它们并非用以限制本发明的保护范围，凡未脱离本发明技艺精神所作的等效实施例或变更均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种基于轮边驱动电动车的电磁悬架***的控制方法，其特征在于，所述基于轮边驱动电动车的电磁悬架***，包括簧载质量(1)、弹性元件(2)、减振器(3)、直线电机(4)、轮毂电机(5)、簧下质量(6)、加速度信号传感器(7)、位移传感器A(8)、位移传感器B(9)和ECU；
所述弹性元件(2)两端分别固连在簧载质量(1)与轮毂电机(5)上，减振器(3)的两端分别固连在簧载质量(1)与轮毂电机(5)之间，轮毂电机(5)的另一端通过轴承与簧下质量(6)连接；所述直线电机(4)套于弹性元件(2)内部，加速度信号传感器(7)安装在簧载质量(1)上，位移传感器A(8)安装在簧载质量(1)上，位移传感器B(9)安装在簧下质量(6)上；
所述ECU分别与加速度信号传感器(7)、位移传感器A(8)和位移传感器B(9)电连接，所述ECU通过加速度信号传感器(7)采集簧载质量(1)的加速度信号，通过位移传感器A(8)采集簧载质量(1)的位移信号，通过位移传感器B(9)采集簧下质量(6)的位移信号，并进行分析处理，得到车辆实时的悬架动态参数，以悬架动态参数为依据采用LQG算法控制直线电机(4)输出作动力；
所述方法包括舒适性模式、安全性模式和综合性模式三种工作模式；所述舒适性模式以乘坐舒适性为控制目标，所述安全性模式以轮胎接地性为控制目标，所述综合性模式兼顾乘坐舒适性和轮胎接地性，对以上三种模式采用LQG算法控制直线电机(4)输出作动力；
所述LQG控制算法具体为：
1)建立带轮毂电机的电磁悬架模型振动微分方程：
其中，Zs为簧载质量垂向位移，Zv为轮毂电机垂向位移，Zt为簧下质量垂向位移，q为路面垂向位移，Ks为弹性元件刚度，Kv为轮毂电机等效刚度，kt为轮胎等效刚度，C为减振器阻尼系数，Fa为直线电机作动力，Fv为电机垂向力，ms为簧载质量，mv为轮毂电机质量，mt为簧下质量；
并以矩阵形式表达，如下式：
其中，
其中，W为高斯白噪声输入矩阵，U为控制输入矩阵，即W＝[w]，U＝[Fa]，Y＝[FV]；G0为路面不平度系数，U0为车辆前进速度，f0为下截至频率,w为均值为零的高斯白噪声；
2)确定LQG控制指标车身垂向加速度、悬架动行程、车轮动位移并确定目标函数如下：
其中，q1为轮胎动位移的加权系数，q2为悬架动行程的加权系数，q3为车身加速度的加权系数，T为一个时间周期；
3)将目标函数改写成标准二次型形式：
其中：
4)根据黎卡提方程
AK+KAT+Q-KBR-1BTK+FWFT＝0
求出增益矩阵K＝(k1k2k3k4k5)；
5)根据增益矩阵K和状态变量X，可得出直线电机输出的最优控制力：
车辆的ECU通过加速度信号传感器(7)采集簧载质量(1)的加速度信号，通过位移传感器A(8)采集簧载质量(1)的位移信号，通过位移传感器B(9)采集簧下质量(6)的位移信号，并进行分析处理，得到车辆实时的悬架动态参数，ECU根据悬架动态参数的结果选择进入的工作模式。
2.根据权利要求1所述的基于轮边驱动电动车的电磁悬架***的控制方法，其特征在于，
当车身加速度超过2m/s2时，使直线电机(4)工作在舒适性模式；
当轮胎动载荷超过2KN时使，直线电机(4)工作在安全性模式；
当不满足上述条件时，使直线电机(4)工作在综合性模式。
3.根据权利要求1或2所述的基于轮边驱动电动车的电磁悬架***的控制方法，其特征在于，包括***外环控制和***内环控制，所述***内环控制使用PI控制算法，所述***外环控制采用LQG控制算法；
***通过LQG控制算法产生目标控制力输入控制内环，控制内环进行PI控制并输入悬架模型，悬架模型把实时悬架动态参数作为控制内环输出，同时反馈给控制外环LQG控制，实时控制直线电机(4)输出作动力，抑制悬架振动。
4.根据权利要求1所述的基于轮边驱动电动车的电磁悬架***的控制方法，其特征在于，
根据不同模式选取合适的加权系数；
当处于舒适性模式时，则q1＝5.62，q2＝3283，q3＝21638；
当处于安全性模式时，则q1＝1.03，q2＝50200，q3＝845000；
当处于综合性模式时，则q1＝0.88，q2＝3000，q3＝38000。
5.根据权利要求3所述的基于轮边驱动电动车的电磁悬架***的控制方法，其特征在于，所述PI算法中根据对内环特性的分析，选定PI控制器参数为：比例参数P＝1.55，积分参数I＝0.7。
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