车辆能量回馈式主动悬架系统研究

作者:欧阳冬;张克跃;张继业;张卫华 刊名:振动与冲击 上传者:杨明春

【摘要】提出了一类新的主动悬架系统,被称为"能量回馈式主动悬架系统"。其特点是在对车辆进行减振的同时,将车辆振动的能量吸收,转化为电能贮存起来,并可将存贮的能量用于作动器产生主动控制作用力。以四自由度半车模型为例,阐述了能量回馈式主动悬架的基本结构和原理,分析了系统能量平衡存在的条件。最后在Matlab/Simulink中对系统的运行效果进行了仿真。仿真结果表明系统在实现主动减振控制的同时还能够反馈能量。

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悬架系统是关系到车辆运行品质的关键部件,它决定乘坐的舒适性和车辆运行的稳定性。目前车辆的悬架系统主要有被动悬架,半主动悬架和主动悬架。主动悬架比半主动和被动悬架拥有更好的隔振效果[1],但传统的主动悬架需要消耗大量能源。目前一些国外学者正在研究如何吸收并利用振动中的能量,如Wendel等人研究了汽车悬架的能量再生系统,并介绍了该系统的基本结构[2],SudaY等采用skyhook控制算法,利用直流电机作动器,实现了利用振动中储存的能量进行主动减振控制的功能[3]。国内学者喻凡等对能量回馈式主动悬架系统进行了可性行分析[4]。本文在以上基础上,对“能量回馈式主动悬架系统”的控制算法和驱动蓄能电路进行了改进。采用PWM全桥四象限电路作为驱动和蓄能电路,设计了LQG控制器,并用随机振动理论分析了系统能量平衡存在的条件。最后在Matlab/Simulink中对整个系统进行了仿真,仿真结果表明系统在实现LQG主动减振控制的同时还能够向直流电源反馈能量。1能量回馈式主动悬架的基本结构11能量回馈式主动悬架系统的基本结构能量回馈式主动悬架系统主要由直流电机作动器、微机控制系统和电能存储系统构成(如图1所示)。系统中的直流电机作动器既当作阻尼器又当作作动器。当它作为阻尼器时,它成为一个直流发电机,把振动的能量转化为电能,存储在直流蓄电电池中。当它作为作动器时,它成为一个直流电动机,利用储存在直流蓄电电池中的电能进行主动减振。第一作者欧阳冬男,工程师,1976年生通讯作者张继业男,教授,博导图1能量回馈式主动悬挂系统的基本结构12直流电机作动器的能量流动在能量回馈式主动悬架系统中,利用直流电机作动器代替传统被动悬架的阻尼器。将直流电机和一个滚珠丝杠螺母联接构成直流电机作动器(如图2所示)。直流电机作动器的相对速度为v,直流电机作动器由于电磁感应而产生的直线作用力为[3]:f=-2rv(1)式中为电机常数,r为电枢电阻,设ceq=2r,定义ceq为直流电机作动器等效阻尼系数。若直流电机的转矩常数为CT(Nm/A),滚珠丝杠的导程为p,则电机常数为:=2CTp(2)为滚珠丝杠副的传动效率,一般取值为0.92。当在电机电枢两端施加电压ep时,直流电机作动器的输出作用力为:f=ep-vr(3)直流电机消耗的平均功率为:Ec=lim11ceqf2+fvdt(4)当Ec>0时,直流电机消耗电源的能量,当Ec<0时,直流电机向电源反馈能量。图2直流电机作动器1.3直流电机作动器的驱动及储能电路采用双极性PWM全桥四象限电路作为直流电机作动器的驱动及储能电路(如图3所示)。由式(3)可知要控制作动器的作用力f,可通过控制直流电机电枢两端的电压ep来实现。图3中直流蓄电池E的电压为Ud,(VT1,VT3)和(VT2,VT4)为两对开关管,L,r分别为直流电机电枢的电感和电阻,ei=v为电机的感应电动势。(VT1,VT3)开关管的占空比是D1,(VT2,VT4)开关管的占空比是D2=1-D1,则电机电枢两端的平均电压ep为[5]:ep=(2D1-1)Ud(5)图3直流电机作动器驱动及蓄能电路为了让电机产生足够大的控制力,达到满意的主动控制效果,蓄电电源的电压Ud应满足:Udmaxfr+v(6)若直流电源电压Ud不能满足式(6),可采用升压式(boost)变换器对电源升压[5]。当开关从T1切换至T2时,电机电枢与PWM全桥控制电路断开,而与电阻R串联。此时直流电机变成了一个电磁阻尼器,其等效阻尼系数为:ceq=2R+r(8)此时直流电机作动器的实际运行效果与液压阻尼器相同,悬架系统变

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