CN110744982B - 一种双直线电机馈能式主动悬架作动器及其控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种双直线电机馈能式主动悬架作动器及其控制方法，所述作动器本体包括作动器外壳体、基座、杆件、六相磁链直线电机和三相永磁同步直线电机；所述控制***包括主动控制***和能量回收***，同时本发明还公开了一种内分泌复合PID控制方法。本发明复合了两种不同结构形式的直线电机于一体，悬架***的主动推力由六相磁链直线电机提供，三相永磁同步直线电机处于馈能状态回收振动能量，两种不同形式的直线电机在结构上的集成极大压缩了空间，同时集馈能与主动控制于一体，在回收能量的同时使车辆悬架***处于最佳的减振状态，提高了车辆的平顺性以及操纵稳定性。

Description

一种双直线电机馈能式主动悬架作动器及其控制方法
技术领域
本发明属于车辆动力学技术领域，具体涉及一种双直线电机馈能式主动悬架作动器及其控制方法。
背景技术
车辆的悬架是能够保证车辆的行驶平顺性和操纵稳定性的重要部件，能够将车架与车轴弹性的连接起来，很好的衰减不平路面传递给车身的激励。目前车辆采用的悬架大多为被动悬架，虽然能够有效的衰减振动，但其刚度与阻尼为固定值，不能够根据路况进行调节。此外，可控悬架开始应用于汽车悬架技术，目前可控悬架主要有两种：主动悬架和半主动悬架。主动悬架能够根据能够根据收集的路面信息实时调节悬架的参数，但是能耗过高。半主动悬架不仅能够根据路面信息调节悬架参数，而且可以回收悬架振动过程中产生的能量，但是减振控制效果有限。目前存在的可控悬架主要形式包括：齿轮齿条式、磁流变式、滚珠丝杠式与直线电机式。但齿轮齿条式作动器能量损耗较大，可靠性低；磁流变式存在磁流变液沉积的问题；滚珠丝杠式耗能较大；直线电机作动器因其运动方向与悬架运动方向相同无需转化机构，而被广泛研究。而馈能型悬架在减振的同时可以回收振动能量，成为许多学者热衷的研究对象。但目前的各种悬架***的电机作动器在长期负荷工作的状态仍存在容易发生故障等问题，且普通三相直线电机存在如果运行中发生缺相故障则产生的推力无法完成悬架主动力的控制的问题。
发明内容
本本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术的不足，提出一种双直线电机馈能式主动悬架作动器，将一种六相磁链直线电机与普通三相永磁同步直线电机集成，三相永磁同步直线电机用于馈能，六相磁链直线电机因其多相优势用于主动力输出避免缺相故障带来的悬架***工作失效，可以在有效保证悬架同减振效果的同时回收减振能量，同时还有效避免电机运行过程中缺相带来输出力不足导致悬架***失稳的故障。
本发明采用的技术方案是：一种双直线电机馈能式主动悬架作动器，包括作动器本体与控制***，其特征在于,所述作动器本体包括作动器外壳体、基座、杆件、六相磁链直线电机和三相永磁同步直线电机；
所述三相永磁同步直线电机包括三相永磁同步直线电机初级永磁体、三相永磁同步直线电机次级永磁体、隔磁材料、次级保护层，所述三相永磁同步直线电机初级永磁体镶嵌安装在作动器外壳体内，所述三相永磁同步直线电机初级永磁体的上下端设置有隔磁材料并且相互交错排列，三相永磁同步直线电机次级永磁体镶嵌安装在基座内，三相永磁同步直线电机次级永磁体外部安装有一层次级保护层；
所述六相磁链直线电机包括隔磁板、六相磁链直线电机次级、永磁体、电枢绕组、励磁绕组，所述隔磁板镶嵌在基座内壁，所述六相磁链直线电机次级紧靠隔磁板布置，所述永磁体间隔布置在杆件外壁上，所述电枢绕组与励磁绕组交错布置在杆件外壁上。
所述作动器外壳体上焊接有上吊耳，用于与车辆簧载质量连接，所述杆件的底部焊接下吊耳，用于与车辆非簧载质量连接，所述双直线电机馈能式主动悬架作动器的第一密封圈布置在作动器外壳体与基座之间，所述双直线电机馈能式主动悬架作动器的第二密封圈布置在基座与杆件之间。
所述三相永磁同步直线电机次级永磁体个数为10-12个，所述六相磁链直线电机的初级为6极，次级为21极。
所述作动器外壳体、基座和杆件可以两两相对运动。
所述作动器控制器采用DSP28335数字信号处理器，所述作动器控制器的输入端接有用于对簧载质量加速度进行检测的簧载质量加速度传感器，用于对超级电容电压进行检测的超级电容电压传感器，输出端接有用于对三相永磁同步直线电机输出电流进行控制的可控恒流源电路，用于控制超级电容对蓄电池进行充电的MOS开关触发驱动模块，用于对作动器主动控制的六相磁链直线电机，所述可控恒流源电路、三相永磁同步直线电机、整流电路、超级电容、MOS开关触发驱动模块、蓄电池逆变电路及六相磁链直线电机依次连接。
所述主动控制***中的作动器控制器直接控制六相磁链直线电机输出主动推力进行减振；所述能量回收***包括所述三相永磁同步直线电机产生电动势经过整流电路储存到超级电容中，超级电容电压传感器将检测到的超级电容电压信号传递给作动器控制器，当超级电容电压达到一定的限值时，作动器控制器控制MOS开关触发驱动模块打开，超级电容对蓄电池进行充电。
一种双直线电机馈能式主动悬架作动器的控制方法，该方法包括以下步骤：
一、数据采集与传输；
二、内分泌复合PID控制下的理想控制力的计算；
三、作动器实时调节。
所述内分泌复合PID控制下的理想控制力的计算步骤如下：
步骤一：簧载质量加速度传感器实时采集簧载质量加速度
Figure GDA0003699493370000041
根据PID控制策略
Figure GDA0003699493370000042
得到初步理想控制力Fi-1，其中e(t)为簧载质量加速度实测值
Figure GDA0003699493370000043
与0的差值；Kp为比例增益环节系数，Ki为积分增益环节系数，Kd为微分增益环节系数；
步骤二：根据PID控制得到的初步理想控制力进行内分泌控制环节的计算，内分泌控制分为一级控制与二级控制，一级控制为比例控制，以PID的控制输出Fi-1，Fi-1与簧载质量加速度
Figure GDA0003699493370000047
的偏差为输入，目的在于动态消除控制偏差，一级控制输出理想控制力为
Figure GDA0003699493370000044
其中K1＞0，为一级控制器的比例系数，二级控制以一级控制的输出Fi-2作为输入，同时以一级控制输出Fi-2与簧载质量加速度
Figure GDA0003699493370000045
的偏差作为输入，二级控制再次采用PID控制达到反馈调节的目的来维持控制***的稳定。二级控制的输出为：
Figure GDA0003699493370000046
最终二级控制的输出作为悬架***的最终理想控制力，经过作动器输出实际控制力u，在传统PID控制的基础上复合了内分泌控制，以簧载质量加速度信息作为反馈参与调节，进一步保证了悬架***的控制效果，Kp′、Kd′、Ki′分别是二级控制中的比例、积分、微分增益环节系数。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1.本发明双直线电机馈能式主动悬架作动器，六相磁链直线电机结构具有高推力密度与更小的推力波动，相间互感更小。
2.本发明双直线电机馈能式主动悬架作动器，具有很好的容错性，若该六相直线电机运行过程中发生某相缺失的故障，六相直线电机剩余相的工作仍会输出较大的电机推力保证悬架***的主动工作；若六相直线电机多相损坏而彻底失效，则本来馈能的三相直线电机处于主动工作来提供主动力保证悬架***的工作稳定性。
3.本发明双直线电机馈能式主动悬架，主要由六相磁链直线电机提供主动力，三相永磁同步直线电机馈能。
4.本发明对直线电机输入电流进行调节，相比其他电磁作动器，其响应速度较快。
5.本发明采用内分泌复合PID控制策略，在传统PID控制的基础上复合了内分泌控制增强了控制器的自适应性能。
附图说明
图1为本发明双直线电机馈能式主动悬架作动器的结构示意图；
图2为本发明作动器控制器及其他电路元件连接示意图；
图3为本发明双直线电机馈能式主动悬架作动器控制方法流程图；
图4为本发明内分泌复合PID控制器结构；
图中，1—上吊耳；2—作动器外壳体；3—三相永磁同步直线电机初级永磁体；4—三相永磁同步直线电机次级永磁体；5—隔磁板；6—隔磁材料；7—基座；8—第一密封圈；9—下吊耳；10—杆件；11—第二密封圈；12—六相磁链直线电机次级；13—永磁体；14—电枢绕组；15—励磁绕组；16—次级保护层；17—可控恒流源电路；18—三相永磁同步直线电机；19—整流电路；20—超级电容；21—MOS开关触发驱动模块；22—超级电容电压传感器；23—簧载质量加速度传感器；24—作动器控制器；25—蓄电池；26—六相磁链直线电机；27—逆变电路。
具体实施方式
为更进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及较佳的实施例，对依据本发明申请的具体实施方式、结构、特征及其功效，详细说明如下。
实施例一：
如图1所示，一种双直线电机馈能式主动悬架作动器，包括作动器本体与控制***，其特征在于，所述作动器本体包括作动器外壳体2、基座7、杆件10、六相磁链直线电机和三相永磁同步直线电机；
所述三相永磁同步直线电机包括三相永磁同步直线电机初级永磁体3、三相永磁同步直线电机次级永磁体4、隔磁材料6、次级保护层16，所述三相永磁同步直线电机初级永磁体3镶嵌安装在作动器外壳体2内，所述三相永磁同步直线电机初级永磁体3的上下端设置有隔磁材料6并且相互交错排列，三相永磁同步直线电机次级永磁体4镶嵌安装在基座7内，三相永磁同步直线电机次级永磁体4外部安装有一层次级保护层16；
所述六相磁链直线电机包括隔磁板5、六相磁链直线电机次级12、永磁体13、电枢绕组14、励磁绕组15，所述隔磁板5镶嵌在基座7内壁，所述六相磁链直线电机次级12紧靠隔磁板5布置，所述永磁体13间隔布置在杆件10外壁上，所述电枢绕组14与励磁绕组15交错布置在杆件10外壁上。
所述作动器外壳体2上焊接有上吊耳1，用于与车辆簧载质量连接，所述杆件10的底部焊接下吊耳9，用于与车辆非簧载质量连接，所述双直线电机馈能式主动悬架作动器的第一密封圈8布置在作动器外壳体2与基座7之间，所述双直线电机馈能式主动悬架作动器的第二密封圈11布置在基座7与杆件10之间。
所述三相永磁同步直线电机次级永磁体4个数为10-12个，所述六相磁链直线电机的初级为6极，六相磁链直线电机次级12为21极。
所述作动器外壳体2、基座7和杆件10可以两两相对运动。
所述作动器控制器24采用DSP28335数字信号处理器，所述作动器控制器24的输入端接有用于对簧载质量加速度进行检测的簧载质量加速度传感器23，用于对超级电容电压进行检测的超级电容电压传感器22，输出端接有用于对三相永磁同步直线电机输出电流进行控制的可控恒流源电路17，用于控制超级电容20对蓄电池25进行充电的MOS开关触发驱动模块21，用于对作动器主动控制的六相磁链直线电机，所述可控恒流源电路17、三相永磁同步直线电机18、整流电路19、超级电容20、MOS开关触发驱动模块21、蓄电池25逆变电路及六相磁链直线电机依次连接。
所述主动控制***中的作动器控制器24直接控制六相磁链直线电机26输出主动推力进行减振；所述能量回收***包括所述三相永磁同步直线电机18产生电动势经过整流电路19储存到超级电容20中，超级电容电压传感器22将检测到的超级电容20电压信号传递给作动器控制器24，当超级电容电压达到一定的限值时，作动器控制器24控制MOS开关触发驱动模块21打开，超级电容20对蓄电池25进行充电。
进一步地，第一密封圈8和第二密封圈11材料均为橡胶材料。
进一步地，六相磁链直线电机因本身结构设计具有多相的优势，若该六相直线电机运行过程中发生某相缺失的故障并不会导致悬架***彻底失效，因六相直线电机剩余相的工作仍会输出较大的电机推力保证悬架***的主动工作。同时若六相直线电机多相损坏而彻底失效，则本来设计处于馈能状态的三相直线电机可以工作在主动状态来提供主动力保证悬架***的工作稳定性。
进一步地，如图2所示，三相永磁同步直线电机初级永磁体和三相永磁同步直线电机次级永磁体相对运动，切割磁感线，产生感应电动势
Figure GDA0003699493370000081
其中ke为三相永磁同步直线电机反电动势系数，取值为68.4V·s·m-1，
Figure GDA0003699493370000082
为三相永磁同步直线电机初级永磁体和三相永磁同步直线电机次级永磁体的相对运动速度，三相永磁同步直线电机产生的电动势经过整流电路储存到超级电容中，超级电容电压传感器将检测到的超级电容电压信号传递给作动器控制器，当超级电容电压达到一定的限值时，作动器控制器控制MOS开关触发驱动模块打开，超级电容对蓄电池进行充电，从而实现能量回收。
实施例二
如图3所示，一种双直线电机馈能式主动悬架作动器的控制方法，该方法包括以下步骤：
一、数据采集与传输；
二、内分泌复合PID控制下的理想控制力的计算；
三、作动器实时调节。
如图4所示，所述内分泌复合PID控制下的理想控制力的计算步骤如下：
步骤一：簧载质量加速度传感器实时采集簧载质量加速度
Figure GDA0003699493370000091
根据PID控制策略
Figure GDA0003699493370000092
得到初步理想控制力Fi-1，其中e(t)为簧载质量加速度实测值
Figure GDA0003699493370000093
与0的差值；Kp为比例增益环节系数，Ki为积分增益环节系数，Kd为微分增益环节系数；
步骤二：根据PID控制得到的初步理想控制力进行内分泌控制环节的计算，内分泌控制分为一级控制与二级控制，一级控制为比例控制，以PID的控制输出Fi-1，Fi-1与簧载质量加速度
Figure GDA0003699493370000094
的偏差为输入，目的在于动态消除控制偏差，一级控制输出理想控制力为
Figure GDA0003699493370000095
其中K1＞0，为一级控制器的比例系数；二级控制以一级控制的输出Fi-2作为输入，同时以一级控制输出Fi-2与簧载质量加速度
Figure GDA0003699493370000102
的偏差作为输入，二级控制再次采用PID控制达到反馈调节的目的来维持控制***的稳定，二级控制的输出为：
Figure GDA0003699493370000101
最终二级控制的输出作为悬架***的最终理想控制力，经过作动器输出实际控制力u，在传统PID控制的基础上复合了内分泌控制，以簧载质量加速度信息作为反馈参与调节，进一步保证了悬架***的控制效果，Kp′、Kd′、Ki′分别是二级控制中的比例、积分、微分增益环节系数。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种双直线电机馈能式主动悬架作动器，包括作动器本体与控制***，其特征在于，所述作动器本体包括作动器外壳体(2)、基座(7)、杆件(10)、六相磁链直线电机和三相永磁同步直线电机，所述控制***包括主动控制***和能量回收***；
所述三相永磁同步直线电机包括三相永磁同步直线电机初级永磁体(3)、三相永磁同步直线电机次级永磁体(4)、隔磁材料(6)、次级保护层(16)，所述三相永磁同步直线电机初级永磁体(3)镶嵌安装在作动器外壳体(2)内，所述三相永磁同步直线电机初级永磁体(3)的上下端设置有隔磁材料(6)并且相互交错排列，三相永磁同步直线电机次级永磁体(4)镶嵌安装在基座(7)内，三相永磁同步直线电机次级永磁体(4)外部安装有一层次级保护层(16)；
所述六相磁链直线电机包括隔磁板(5)、六相磁链直线电机次级(12)、永磁体(13)、电枢绕组(14)、励磁绕组(15)，所述隔磁板(5)镶嵌在基座(7)内壁，所述六相磁链直线电机次级(12)紧靠隔磁板(5)布置，所述永磁体(13)间隔布置在杆件(10)外壁上，所述电枢绕组(14)与励磁绕组(15)交错布置在杆件(10)外壁上；
所述作动器外壳体(2)上焊接有上吊耳(1)，用于与车辆簧载质量连接，所述杆件(10)的底部焊接下吊耳(9)，用于与车辆非簧载质量连接，所述双直线电机馈能式主动悬架作动器的第一密封圈(8)布置在作动器外壳体(2)与基座(7)之间，所述双直线电机馈能式主动悬架作动器的第二密封圈(11)布置在基座(7)与杆件(10)之间；
所述作动器外壳体(2)、基座(7)和杆件(10)可以两两相对运动。
2.按照权利要求1所述的一种双直线电机馈能式主动悬架作动器，其特征在于：所述三相永磁同步直线电机次级永磁体(4)个数为10-12个，所述六相磁链直线电机的初级为6极，六相磁链直线电机次级(12)为21极。
3.按照权利要求1所述的一种双直线电机馈能式主动悬架作动器，其特征在于：作动器控制器(24)采用DSP28335数字信号处理器，所述作动器控制器(24)的输入端接有用于对簧载质量加速度进行检测的簧载质量加速度传感器(23)和用于对超级电容电压进行检测的超级电容电压传感器(22)，所述作动器控制器(24)输出端接有用于对三相永磁同步直线电机输出电流进行控制的可控恒流源电路(17)、用于控制超级电容(20)对蓄电池(25)进行充电的MOS开关触发驱动模块(21)及用于对作动器主动控制的六相磁链直线电机，所述可控恒流源电路(17)、三相永磁同步直线电机(18)、整流电路(19)、超级电容(20)、MOS开关触发驱动模块(21)、蓄电池(25)逆变电路及六相磁链直线电机(26)依次连接。
4.按照权利要求3所述的一种双直线电机馈能式主动悬架作动器，其特征在于：所述主动控制***中的作动器控制器(24)直接控制六相磁链直线电机(26)输出主动推力进行减振；所述能量回收***包括所述三相永磁同步直线电机(18)产生电动势经过整流电路(19)储存到超级电容(20)中，超级电容电压传感器(22)将检测到的超级电容(20)电压信号传递给作动器控制器(24)，当超级电容电压达到一定的限值时，作动器控制器(24)控制MOS开关触发驱动模块(21)打开，超级电容(20)对蓄电池(25)进行充电。
5.一种如权利要求1所述的一种双直线电机馈能式主动悬架作动器的控制方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
一、数据采集与传输；
二、内分泌复合PID控制下的理想控制力的计算；
三、作动器实时调节。
6.如权利要求5所述的一种双直线电机馈能式主动悬架作动器的控制方法，其特征在于，所述内分泌复合PID控制下的理想控制力的计算步骤如下：
步骤一：簧载质量加速度传感器实时采集簧载质量加速度
Figure FDA0003699493360000031
根据PID控制策略
Figure FDA0003699493360000032
得到初步理想控制力Fi-1，其中e(t)为簧载质量加速度实测值
Figure FDA0003699493360000033
与0的差值；Kp为比例增益环节系数，Ki为积分增益环节系数，Kd为微分增益环节系数；
步骤二：根据PID控制得到的初步理想控制力进行内分泌控制环节的计算，内分泌控制分为一级控制与二级控制，一级控制为比例控制，以PID的控制输出Fi-1，Fi-1与簧载质量加速度
Figure FDA0003699493360000034
的偏差为输入，一级控制输出理想控制力为
Figure FDA0003699493360000035
其中K1＞0，为一级控制器的比例系数；二级控制以一级控制的输出Fi-2作为输入，同时以一级控制输出Fi-2与簧载质量加速度
Figure FDA0003699493360000036
的偏差作为输入，二级控制再次采用PID控制达到反馈调节的目的来维持控制***的稳定，二级控制的输出为：
Figure FDA0003699493360000041
最终二级控制的输出作为悬架***的最终理想控制力，经过作动器输出实际控制力u，在传统PID控制的基础上复合了内分泌控制，以簧载质量加速度信息作为反馈参与调节，Kp′、Kd′、Ki′分别是二级控制中的比例、积分、微分增益环节系数。
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