机械设计与制造 222 Machinery Design&Manufacture 第4期 2016年4月 电磁主动悬架阻尼系数优化设计 杜燕 ,秦洪懋 ,胡满江z 312088;2.清华大学机械工程学院,北京100089) (1.浙江农业商贸职业学院汽车技术系,浙江绍兴摘要:为提高电磁主动悬架可靠性,将液压阻尼器与线性电机并联。首先建立了电磁主动悬架动力学模型;随后设计了 双环控制系统,外环为LQG控制下的车辆动力学控制,内环为电流跟踪控制,并采用粒子群算法确定了不同控制目标下 的加权系数;然后分别以乘坐舒适性和行驶安全性为控制目标,研究了不同控制目标下阻尼系数对动力学性能和能耗特 性的影响毅律,结果表明:时城内,阻尼系数对LQG控制下的电磁主动悬架动力学性能无影响,但其能量消耗随着阻尼 系数的增大先减小后增大,为此分别确定了c.=lO00Ns/m作为乘坐舒适性为控制目标下的阻尼值,c,=2000Ns/m作为行驶 安全为控制目标下的阻尼值。频域内,无论是以乘坐舒适性为控制目标,还是以行驶安全为控制目标,阻尼系数都会使得 乘坐舒适性有所恶化,而行驶安全性得到改善。 关键词:电磁主动悬架;阻尼系数;动力学性能;能耗特性;仿真分析 中图分类号:TH16;U463.33文献标识码:A 文章编号:1001—3997(2017)04—0222—04 Optimization Design of Damping Value of Electromagnetic Active Suspension DU Yan ,QIN Hong-mao ,HU Man-jiang (1.Department of Automotive Engineering,Zhejiang Agricultural Business College,Zhejiang Shaoxing 312088,China; 2.School of Mechanical Engineering,Tsinghua University,Beijing 100089,China) Abstract:In order to improve the reliability ofelectromagnetic active suspension,the hydraulic damper is parallel with the linear motor.Atirfst,the electromagnetic active suspension dynamics model is established.Then the dual loop control s ̄tem is designed.The outer loopfor the vehicle dynamics control is under the LQG control,the inner loop is under the current trckiang control,and Particle Swarm Algorithm is used to determine the weightingfactor when diferent control objects are considered.According to te hrie comfordt and driving safety a8 the control trget,tahe paper studies the inluencef ofdamping coeftcient under diferent control targets on the terms ofdynamic pefroze and power consumption charactersitics.The results show that:in the time domain,the damping coeficifent have no inlufence on the dynamic pefformance while the electromagnetci active suspension is in LQG control,but its energy consumption with damping increases irfst and then decreases and then increases.As a result,we identiifes the c,=1000Ns/m when the rdei comfort is the control trget,and ac = 2000Ns/m when driving safety is the control target.In the frequency domain,no matter how to change the damping value whether with the rie dcomfort sa the gDnf,or with the driving safety as the gD ,ride comfort is worsen,and driving safety is improved. Key Words:Electromagnetic Active Suspension;Damping Value;Dynamic Performance;Simulation AnMys ̄ 1引言 相比传统被动悬架和半主动悬架,主动悬架的控制作用不 于线性电机结构简单、便于安装,引起了国内外学者的广泛关注M。 但需要指出的是,大量的外部能量消耗依然是其应用推广的 生因素 ,如何降低其能耗成为电磁主动悬架的研究热点。同 再仅仅依赖于车身、车轮的相对位移和相对速度,可有效解决车 决定I考虑到电磁主动悬架的可靠性问题,往往将液压阻尼器与线 辆行驶过程中乘坐舒适性和行驶安全性(轮胎接地性)的矛盾问 时,使得在电机发生故障的情况下,悬架系统仍能正常 题”。当前,随着以蓄电池为动力源的新能源汽车的快速发展,采 性电机并联,用电机结构的电磁主动悬架具有了广阔的应用平台 ,其中,由 工作。但如何确定液压阻尼器的阻尼系数是电磁主动悬架设计过 来稿日期:2016—10~05 基金项目:国家自然科学基金(51505247);江苏省道路载运工具新技术应用重点实验室开放基金项目(BM20082061501); 2016年绍兴市高等教育教学改革课题 作者简介:杜燕,(1978一),女,浙江人,硕士研究生,讲师,主要研究方向:汽车故障诊断 第4期 杜燕等:电磁主动悬架阻尼系数优化设计 程中的另一个关键问题。鉴于上述问题,以电磁主动悬架为研究 对象,以确定减振器阻尼系数为研究目标,探讨阻尼系数对电磁 主动悬架动力学性能及其能耗特性的影响规律。 2动力学模型 图1(a)为并联阻尼器的电磁主动悬架四分之一模型,为充 分研究阻尼系数对电磁主动悬架动力学性能及其能耗特性的影 海 图2控制系统 Fig.2 Control System 设计了LQG控制器,根据车辆状态变量(可由传感器测得) 响规律,以未并联阻尼器的电磁主动悬架为比较对象,如图I(b) 获得理想控制力,从而得到理想控制电流;内环为电流跟踪控制, 所示。图1(a)电磁主动悬架模型的动力学方程为: Im| =一 z u 一 _。 + {Im 三. ( 一 )+c ( _ ) (1) 一 ,)一 式中: = 。, (2) J}—线性电机推力系数;,_—供电电流。 (a) (b) 图I四分之一模型i Fig.1 1/4 Model 采用滤波自噪声作为路面输/ : 0)=-2 ̄foz,( )+2百 、/ ・w(t) (3) 系统参数,如表1所示。 表1仿真参数 Tab.1 Simulation Parameters 令zI=五, = , = ,z,--L, = , [zl z3 ]为系 统状态变量,Y=[ZI z2一Z4 z,-z ̄] 为系统输出变量,u=Ez ] 为系统控制变量,则系统状态方程可表示为: { z+BU+FW (4) lY=CZ+DU 式中:A、B、F、c、 一系统状态矩阵,可由式1得到。 3控制器设计 由式2可知,线性电机提供的作动力与供电电流成正比,因 此,电磁主动悬架控制的本质是电流跟踪控制。为此,设计了双环 控制系统。外环为车辆动力学控制,如图2所示。 以此控制电机输出的作动力能够跟随理想控制力,使车辆保持良 好的动力学性能。 ,T 2 其中,j, ̄J=1i m __1 J。[g ( 一 ) 2( 一 ) +q, ]dt (5) 为LQG控制器的性能指标。通过对加权系数ql,q2、qs赋值 来实现车辆不同性能的提高。 由于车辆在不同行驶工况下对悬架系统的动力学性能要求 不同,如在良好的路面,主要以乘坐舒适性为主,而在崎岖的路 面,则主要以行驶安全陛(轮胎接地性)为主。为此,以粒子群算法 为优化手段,进行不同性能要求(主要指乘坐舒适性和行驶安全 性)下加权系数的寻优。粒子的位置和速度更新公式可表示为 : :删 。r (p 一:)+z r2(p 一:) { ()6 l k+l k k+l I =; + 优化过程中,当以乘坐舒适性为控制目标时,以车身加速度 作为目标函数;当以行驶安全性为控制目标时,以轮胎动载荷作 为目标函数,并分别建立相应的约束条件,参数寻优的数学模型 可分别表示为: min(a) s.t・ ; (7) s-t. <};务<} min(Fd) s.t. = ≤10% (8) s.t・≯ } 式中: q 一电磁主动悬架和被动悬架车身加速度的均方根值; 一电磁主动悬架轮胎动载荷和悬架动挠度的均方根 值; 、 动悬架轮车轮G为装配主动悬架车辆的静载 质量; —静挠度。 载荷和悬架动挠度的均方根值。参数寻优的基本原则为:当 以乘坐舒适性为控制目标时,电磁主动悬架轮胎动载荷和悬架动 挠度的均方根值分别不超过静载荷和静挠度的1/3,同时,尽可能 降低车身加速度均方根值,并使得主动悬架的车轮动载荷和悬架 动挠度相比被动悬架分别提高1O%;当以行驶安全『生为控制目标 时,电磁主动悬架动挠度的均方根值分别不超过静挠度的1,3,同 时,尽可能降低轮胎动载荷均方根值,并使得主动悬架车身加速 度均方根值的增幅相对于被动悬架不超过10%。 设定种群规模为10,迭代次数为k=2000,粒子群搜索空间 No.4 224 机械设计与制造 Apr.2017 维度设为3,分别表示ql,q:和q,,惯性权重为0.9,学习因子均为 电机耗散的功率最少;当以行驶安全性为控制目标时,如图4(b) 2。寻优结果,如表2所示。 表2不同控制目标下的加权系数 Tab.2 Weighting Factors When Diferent Contro 所示。随着阻尼系数的增加,线性电机耗散的功率同样逐渐减少, 当阻尼系数c,=2000Ns/m时,线性电机耗散的功率最少。两者存 在差异的主要原因是因为:乘坐舒适性需要软阻尼,而行驶安全 性需要硬阻尼,故以行驶安全l生为控制目标时的阻尼值大于以乘 Objects are Considered 坐舒适性为控制目标时的阻尼值。 根据上述分析可知,相同加权系数下,阻尼系数在时域内对 电磁主动悬架的动力学性能无影响,而其能耗特性随着阻尼系数 的增加先减小后增大。为此,从减少电磁主动悬架能量消耗的角 度出发,确定c,=1000Ns/m作为乘坐舒适性为控制目标下的阻尼 值,c,=2000Ns/m作为行驶安全.陛为控制目标下的阻尼值。 确定加权系数后,分别研究A级路面和C级路面下阻尼系数 对乘坐舒适I生和行驶安全性的影响,以及在两种工况下阻尼系数对 线性电机能耗的影响。其中, 级路面下以乘坐舒适眭为控制目标, c级路面下以行驶安全性为控制目标。 级路面和C级路面的路面 不平度系数G。(‰)分别为16xl0 ̄/m 和256xl(y6/m 。 垂 羹 4仿真分析 。・ (a)乘坐舒适性为控制目标 籍 。 景 … O 1 2 3 4 5 时间,s (a)车身加速度 1Ooo 阻尼 ̄l/Nm*s 500 苣控 (b)行驶安全性为控制目标 图4阻尼系数对线性电机耗散功率的影响 Fig.4 The Effect of Damping Value on Energy Consumption 饕 。 一确定不同性能要求下的阻尼系数后,分别研究阻尼系数在 频域内对电磁主动悬架动力学性能的影响。以乘坐舒适性为控制 目标时,如图5所示。相比于未并联阻尼器的电磁主动悬架,并联 阻尼器的电磁主动悬架车身加速度增益在全频域内有所增加,但 5oo 0 l 2 4 5 时间/s 增加幅度较小,而轮胎动载荷增益在低频和高频共振区有所降 低;以行驶安全性为控制目标时,如图5所示。阻尼器的加入使得 轮胎动载荷增益在全频域内降低,而车身加速度增益在全频域内 (b)轮胎动载荷 图3动力学性能 Fig.3 Dyna ̄c Performance 如图3所示,为A级路面下电磁主动悬架的时域仿真结 增加,且增加幅度较大。果。从图中可以看出,在相同加权系数下,阻尼系数对时域内的动 力学性能无影响,即无论电磁主动悬架是否并联阻尼器,其车身 加速度和轮胎动载荷在时域内是不变的,该仿真结果与文献_11] 得出的结论一致。 该结果同时说明,采用粒子群算法对加权系数进行寻优时, 阻尼系数对寻优结果无影响,即表2中确定的加权系数是有效 亦 出 磐 的。但阻尼系数对时域内线性电机的能耗是有影响的。当以乘坐 舒适性为控制目标时,如图4(a)所示。随着阻尼系数的增加,线 性电机耗散的功率逐渐减少,当阻尼系数c,=1000Ns/m时,线性 频率/H (a)车身加速度增益 No.4 Apr.2017 机械设计与制造 225 频率,H (b)轮胎动载荷增益 图5阻尼系数在频域内对动力学性能的影响:乘坐舒适性为控制目标 Fig.5 The Effect of Damping Value on Dynamic Performance in Frequency Domain when Ride Comfort is Concerned (a)车身加速度增益 频 ̄g/nz (b)轮胎动载荷增益 图6阻尼系数在频域内对动力学性能的影响:行驶安全性为控制目标 Fig.6 The Effect of Damping Value on Dynamic Performance in Frequency Domain When Driving Safety is Concemed 上述仿真结果一方面与加权系数的选择有关,不同的加权 系数会产生不同的控制效果,特别是在频域范围内;但另一方面 也说明,阻尼系数对电磁主动悬架的动力学性能及其能耗特性是 有影响的,在时域范围内,适当的阻尼系数可有效降低电磁主动 悬架不同性能要求下的能量消耗,而不影响其动力学性能。 5结论 以电磁主动悬架为研究对象,为提高其可靠性,将液压阻尼 器与线性电机并联,探讨了阻尼系数对其动力学性能和能耗特性 的影响规律,主要结论如下: (1)时域内,阻尼系数对LQG控制下的电磁主动悬架动力学 性能无影响,但其能量消耗随着阻尼系数的增大先减小后增大;(2) 不同性能要求下,阻尼系数对电磁主动悬架的能量消耗影响不同, 分别确定了c,=1000Ns/m作为乘坐舒适性为控制目标下的阻尼值, c,=2000Ns/rn作为行驶安全为控制目标下的阻尼值。(3)频域内,无 论是以乘坐舒适性为控制目标,还是以行驶安全为控制目标,阻尼 系数都会使得乘坐舒适性有所恶化,而行驶安全性得到改善。 参考文献 [1]秦也辰,管继富,顾亮.主动悬架系统建模及力跟踪控制[J].北京理工 大学学报,2014,34(7):666-669. 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