阅读说明：本技术 一种集成式自供能主动悬架作动器控制系统及其控制方法 (Integrated self-powered active suspension actuator control system and control method thereof ) 是由 梁津 李旭林 王印 马相飞 任全 孟令建 赵鹏飞 王俊娇 王星斌 曹洲 于 2019-10-14 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种集成式自供能主动悬架作动器控制系统,包括主动控制系统和能量回收系统,主动控制系统包括作动器、车速传感器、路面不平度传感器、非簧载质量位移传感器、簧载质量位移传感器、作动器速度传感器、路面不平度探测器,能量回收系统包括驱动模块、整流滤波模块、升压模块、第一MOS开关模块、第二MOS开关模块、能量存储模块、OCV检测模块、控制模块和控制电路供电模块。本发明应用于重型商用车,集成了空气弹簧、螺旋弹簧与直线电机,可有效减小悬架系统刚度,减小悬架系统偏频,并可以进行主动控制,根据行使工况调整悬架系统阻尼,提高平顺性与操纵稳定性。另外,可进行振动能量回收,实现系统自供能,不需要消耗外部能量。(The invention discloses an integrated self-powered active suspension actuator control system which comprises an active control system and an energy recovery system, wherein the active control system comprises an actuator, a vehicle speed sensor, a road surface irregularity sensor, an unsprung mass displacement sensor, a sprung mass displacement sensor, an actuator speed sensor and a road surface irregularity detector, and the energy recovery system comprises a driving module, a rectifying and filtering module, a boosting module, a first MOS (metal oxide semiconductor) switch module, a second MOS switch module, an energy storage module, an OCV (open circuit voltage) detection module, a control module and a control circuit power supply module. The invention is applied to heavy commercial vehicles, integrates the air spring, the spiral spring and the linear motor, can effectively reduce the rigidity of a suspension system, reduce the offset frequency of the suspension system, can carry out active control, adjusts the damping of the suspension system according to the driving working condition, and improves the smoothness and the operation stability. In addition, vibration energy recovery can be carried out, self-energy supply of the system is realized, and external energy does not need to be consumed.)

一种集成式自供能主动悬架作动器控制系统及其控制方法

技术领域

本发明属于重型商用汽车悬架系统技术领域，具体涉及一种集成式自供能主动悬架作动器控制系统及其控制方法。

背景技术

车辆在行驶中，受路面不平度影响的影响，车辆簧载质量与非簧载质量会产生相对位移，引起车辆振动。而悬架系统是汽车底盘中起减振作用的重要部件，其位置在车架与车桥之间，其作用是缓冲与衰减由路面不平度引起的冲击和振动，并传递作用在车轮和车桥之间的各种力和力矩，影响车辆平顺性与操纵稳定性。目前重型商用车的动力性能等越来越好，而市场对重型商用车的运输时效性也提出了更高的要求，因此当满载质量很大的重型商用车在较高车速下受到路面不平度激励时，车辆将受到强烈的冲击，并产生剧烈振动，这种情况是非常不利于货物完好性、车辆平顺性和操纵稳定性的。而目前重型商用车普遍采用传统的被动悬架，在设计时确定其刚度和阻尼等参数后，车辆行驶在不同路面条件下这些参数都是固定不变的，因此传统的被动悬架减振效果受到了很大的限制。而主动悬架可以产生可控的主动力，使得车辆行驶在不同路面条件下，都可以获得不同的最优主动力，提升平顺性与操纵稳定性。但是主动悬架的能耗问题一直是制约其市场推广的主要因素之一，而本发明所提出的一种集成式自供能主动悬架作动器具有自供能功能，不需要消耗外界能源。例如申请号为201410650452.4的中国公开专利“机械可变惯容系数的滚珠丝杠式惯容器”中所涉及的一种滚珠丝杠式减振器，其主要是通过机械结构来减缓路面的瞬时冲击，但是一经加工制造，其各种参数就已经确定，无法根据不同路况和不同车型调节参数，存在一定局限性。公开号为CN 102261417B的中国发明专利“容积连续变化的恒定内压空气弹簧附加气室及工作方法”，公开了一种容积连续变化的恒定内压空气弹簧附加气室及工作方法，将空气弹簧用隔板分为3个气室，并采用一个直线电机来控制隔板移动，使得空气弹簧的气室缸体三个腔室的体积发生变化，从而控制悬架系统的刚度，但是该方法只能控制悬架系统刚度，且并未解决能耗问题。

因此，现如今，还未出现一种针对满载质量较大的重型商用车的空气弹簧、螺旋弹簧与直线电机集成式的主动悬架作动器，可以根据重型商用车的不同行驶条件，处于主动控制模式进行振动控制或能量回收模式进行振动能量回收，并且不需要消耗外界能量，具有自供能功能。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提出了一种集成式自供能主动悬架作动器控制系统及其控制方法。应用于重型商用车，集成了空气弹簧、螺旋弹簧与直线电机，可有效减小悬架系统刚度，减小悬架系统偏频，并可以进行主动控制，根据行使工况调整悬架系统阻尼，提高平顺性与操纵稳定性。另外，可进行振动能量回收，实现系统自供能，不需要消耗外部能量。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

一种集成式自供能主动悬架作动器控制系统，包括作动器，所述作动器包括作动器安装支架，所述作动器安装支架上设有第一作动器安装孔，所述作动器安装支架固定在作动器外壳体的顶端，所述作动器外壳体内的顶部固定连接限位块固定座，所述限位块固定座上安装有用于限制作动器最大压缩量的橡胶限位块，所述橡胶限位块的***设有安装在作动器外壳体上的空气弹簧囊皮，所述空气弹簧囊皮下端与空气弹簧活塞过盈配合连接，所述空气弹簧活塞内部安装限位缓冲座支架，所述限位缓冲座支架的底部与空气弹簧活塞的底部固定连接，所述限位缓冲座支架的顶部固定连接限位缓冲座，所述限位缓冲座位于空气弹簧活塞的外部、空气弹簧囊皮的内部，所述限位缓冲座支架的顶部设有限位缓冲座支架内腔通气孔，所述空气弹簧活塞底部与螺旋弹簧连接，所述螺旋弹簧下部与作动器外壳体相连，所述空气弹簧活塞下部安装有第一永磁体固定座，所述空气弹簧活塞的底部设有空气弹簧附加腔通气孔，所述第一永磁体固定座底部与次级铁芯连接，所述次级铁芯外侧安装有S极永磁体阵列与N极永磁体阵列，所述作动器外壳体与S极永磁体阵列、N极永磁体阵列之间安装有初级铁芯，所述初级铁芯内部缠绕有绕组线圈，所述次级铁芯下部安装有第二永磁体固定座，所述第一永磁体固定座与第二永磁体固定座均与S极永磁体阵列、N极永磁体阵列相连，所述次级铁芯下部设有第二作动器安装孔，所述作动器外壳体顶部设有气体压力传感器与通气口。

优选的，所述作动器控制系统还包括主动控制系统和能量回收系统，主动控制系统包括车速传感器、路面不平度探测器、非簧载质量位移传感器、簧载质量位移传感器、作动器速度传感器、路面不平度位移传感器、车载计算机、控制模块；能量回收系统包括驱动模块、第一MOS开关模块、整流滤波模块、升压模块、第二MOS开关模块、OCV检测模块、控制电路供电模块、能量存储模块。

优选的，所述作动器安装支架通过第一作动器安装孔，采用螺栓连接的方式与整车车架相连；所述作动器外壳体的上平面与整车车架下平面贴合；所述次级铁芯通过第二作动器安装孔，采用螺栓连接的方式与整车车桥相连。

优选的，所述空气弹簧活塞、作动器外壳体、第一永磁体固定座、次级铁芯、第二永磁体固定座均为隔磁材料，初级铁芯为导磁材料。

优选的，所述空气弹簧囊皮内部为主气室，通过限位缓冲座支架内腔通气孔与限位缓冲座支架形成的中间气室相通，所述限位缓冲座支架形成的中间气室通过空气弹簧附加腔通气孔与次级铁芯形成的附加气室相通；所述空气弹簧活塞顶部与限位缓冲座存在间隙，空气弹簧囊皮内部的主气室与空气弹簧活塞内部的内气室相通。

优选的，所述绕组线圈为双层绕组，即在每个齿槽中有两束线圈,每相电压相应差120°，各相电压分布顺序为：C-、A+；A-、B+；B-、C+；C-、A+……其中A、B、C代表三相，+、-代表电流方向。

进一步的，所述控制模块负责接收传感器信号并进行电路控制；

所述车载计算机负责运算控制算法；

所述车速传感器负责周期性采集车速数据；

所述路面不平度探测器安装在车辆前部，负责探测前方一定距离道路的路面不平度；

所述非簧载质量位移传感器负责周期性采集非簧载质量位移量；

所述簧载质量位移传感器负责周期性采集簧载质量位移量；

所述作动器速度传感器负责周期性采集作动器运动速度；

所述路面不平度位移传感器负责周期性采集前轴所处地面的路面不平度信息；

所述气体压力传感器负责周期性采集作动器内部气体压力；

所述驱动模块负责根据控制信号控制并驱动电机；

所述第一MOS开关模块与第二MOS开关模块负责硬件电路中能量回收模式与主动控制模式的切换，当第一MOS开关模块接合而与第二MOS开关模块断开时，作动器处于主动控制模式；当第一MOS开关模块断开而第二MOS开关模块接合时，作动器处于能量回收模式；

所述整流滤波模块负责将能量存储模块储存的直流电压转换为电机需要的交流电压，或将电机产生的交流电压转换为能量存储模块可以存储的直流电压；

所述升压模块负责将作动器在能量回收模式中产生的电能进行升压，以便能量存储模块进行存储；

所述OCV检测模块负责检测能量存储模块的开路电压并将开路电压信号传输至控制模块；

所述控制电路供电模块负责为控制模块供应所需要的电能；

所述能量存储模块负责存储电能。

一种集成式自供能主动悬架作动器控制系统的控制方法，包括如下步骤：

步骤Ⅰ、检测数据采集，具体过程为：当车轮受到路面不平度激励，产生垂向作用力时，所述次级铁芯下端通过第二作动器安装孔与车桥相连，作用力将会传递至作动器上，此时固定在次级铁芯上的S极永磁体阵列、N极永磁体阵列以及与次级铁芯固定连接的空气弹簧活塞，都将进行垂直振动；所述作动器安装支架与作动器外壳体固定连接，所述作动器安装支架通过第一作动器安装孔与车架固定连接，所述初级铁芯与作动器外壳体固定连接，且在初级铁芯中缠绕有绕组线圈，S极永磁体阵列、N极永磁体阵列将会与绕组线圈产生相对位移，导体切割磁感线产生电能，此时为能量回收状态；所述绕组线圈通电后，将产生行波磁场，并沿作动器轴向运动，所述次级铁芯与初级铁芯的运行速度不一样时产生滑移率，从而产生直线方向的电磁力，这个电磁力就是作动器的主动控制力，根据车辆行驶工况的不同，实时调节主动控制力，就可以保持作动器时刻处于最佳阻尼力状态；滑移率的表达式为

当滑移率处于0～1之间时，表示作动器处于正常工作状态；滑移率大于1时，表示次级铁芯的运动方向与行波磁场方向相反，此时作动器处于制动状态；滑移率小于0时，表示次级铁芯的运动速度大于行波磁场的速度，此时作动器处于能量回收状态；

所述车速传感器对车速进行实时检测，安装在车辆前部的路面不平度探测器探测前方一定距离道路的路面不平度，得到一定延时后的车辆前轮处路面输入位移x_0f；路面不平度位移传感器对车辆前轮所路面不平度进行实时检测，得到一定延时后的车辆后轮处路面输入位移x_0r；非簧载质量位移传感器对非簧载质量位移进行实时检测，簧载质量位移传感器对簧载质量位移进行实时检测，作动器速度传感器对悬架作动器的运动速度进行实时检测，所述控制模块分别获得周期性采样得到的车速V、车辆前轮非簧载质量位移z_wf、车辆后轮非簧载质量位移z_wr、车辆前轮簧载质量位移z_bf、车辆后轮簧载质量位移z_br、安装在车辆前轮的作动器的运动速度u_af和安装在车辆后轮的作动器的运动速度u_ar,并传输给车载计算机；

步骤Ⅱ、建立系统状态方程，具体过程为：

步骤201、所述车载计算机建立二分之一车辆模型运动方程：

其中，为车辆前轮簧载质量垂向加速度、

为车辆后轮簧载质量垂向加速度、z为簧载质量位移、m_b为簧载质量、I_b为车身转动惯量、θ_b为俯仰角、a为车辆前轴到质心的距离、b为车辆后轴到质心的距离、k_sf为前主动悬架作动器的刚度、k_sr为后主动悬架作动器的刚度、m_wf为车辆前轮非簧载质量、m_wr为车辆后轮的非簧载质量、

为车辆前轮非簧载质量垂向加速度、

为车辆后轮非簧载质量垂向加速度、k_tf为车辆前轮的刚度、k_tr为车辆后轮的刚度、x_0f为前轮路面输入位移、x_0r为后轮路面输入位移；

当俯仰角θ_b较小时，有

4自由度半车模型的运动方程表示为矩阵形式：

式中，质量矩阵[M]为：

[M]＝diag(m_b，I_b，m_wf，m_wr)

阻尼矩阵[C]为：

刚度矩阵[K]为：

轮胎刚度矩阵[K_t]为：

路面输入向量x₀为：

x₀＝[x_0f，x_0r]^T

系统输入向量x为：

x＝[z θ_b z_wf z_wr]^T

步骤202、当悬挂质量分配系数ε的数值接近于1时，可将前后轴分别建立2自由度模型，此时取状态变量:

其中，z_w为车辆非簧载质量位移，且z_w的取值为z_wf或z_wr，z_b为车辆簧载质量位移，且z_b的取值为z_bf或z_br；若路面速度输入为白噪声，则此时系统状态方程为：

其中，u为作动器主动力，且u的取值为前轮作动器主动力u_f或后轮作动器主动力u_r；A为与车辆模型的状态变量有关的常数矩阵且

B为与作动器(23)的运动速度变量有关的常数矩阵且

G为与车轮处路面输入位移变量有关的常数矩阵且

c_s为车辆悬架的阻尼且c_s的取值为前轮作动器阻尼c_sf或后轮作动器阻尼c_sr、m_b为车身质量、k_s为悬架刚度且k_s的取值为前轮作动器刚度k_sf或后轮作动器刚度k_sr、k_t为轮胎刚度且k_t的取值为前轮轮胎刚度k_tf或后轮轮胎刚度k_tr、m_w为车辆的非簧载质量且m_w的取值为前轮非簧载质量m_wf或后轮非簧载质量m_wr；

步骤Ⅲ、集成式自供能主动悬架作动器控制系统工作模式切换规则，具体过程为：

步骤301、将集成式自供能主动悬架作动器控制系统能量回收模式定义为M_e,将主动控制模式定义为M_c；

步骤302、设定动挠度阈值f_dy与持续时间阈值t_y，其中动挠度阈值f_dy应小于具体车型常用较好路面条件下、常用较低车速下的悬架动挠度均方根值；当实际路面动挠度f_d＜f_dy时，表示车辆行驶在较好路面，当实际路面动挠度f_d＞f_dy时，表示车辆行驶在较差路面；持续时间阈值t_y对集成式自供能主动悬架作动器控制系统的工作模式切换频率影响很大，若时间阈值t_y过小，可能导致集成式自供能主动悬架作动器控制系统的工作模式频繁切换，若时间阈值t_y过大，可能导致集成式自供能主动悬架作动器控制系统的工作模式切换反应迟钝，时间阈值t_y的具体数值需根据实际车型以及常用的道路条件确定；

步骤303、OCV检测模块采集能量存储模块的开路电压，控制模块采用AH积分法进行SOC估算，在此设定能量存储模块的额定容量为Q_e、实时剩余容量为Q_c、初始状态容量为Q₀、η为库伦效率，则在t_s时刻的实时剩余容量为Q_c状态，采用积分运算可表示为：

在此设定能量存储模块剩余电量分为3个等级，分别是缺少电量状态SOC₁、正常电量状态SOC₂、充足电量状态SOC₃：

步骤304、集成式自供能主动悬架作动器控制系统的主要作用是保证车辆的平顺性与操纵稳定性，结合集成式自供能主动悬架作动器控制系统的自供能特性，因此当能量存储模块处于SOC₂、SOC₃状态或行驶路面条件较差、整车振动较大时，处于M_c主动控制模式；能量存储模块处于SOC₁状态或行驶路面条件较好、整车振动较小时，处于M_e能量回收模式；因此模式切换规则为：

步骤Ⅳ、进行集成式自供能主动悬架作动器控制系统前轴路面不平度预瞄最优控制，具体过程为：

步骤401、车载计算机定义在任一i时刻车速v_i下，预瞄距离L_i与车速v_i的比值为第i个预瞄点的预瞄时间t_i，用公式表示为：

其中，i的取值为1～n的自然数，n为路面不平度探测器的采样总次数；

步骤402、所述车载计算机将第i个预瞄点处的路面输入位移x_i与车辆前轮处路面输入位移x_0f的Laplace函数关系式表示为：

并将e^-ti^s的Pade近似计算表示为：

再取二阶Pade近似计算，并在预瞄时间不为0时，将公式(F14)的分子、分母同时除以得到：

其中，a_i0和a_i1均为系数且

再将公式(F12)改写为：

[x_0f(s)-z_i(s)][a_i0+a_i1s+s²]＝-2a_i1sx_i(s) (F16)

步骤403、所述车载计算机定义x_0f(s)-x_i(s)＝y_i(s)，b₁＝-2a_i1，对公式(F16)进行反拉氏变换得到：

再定义状态变量为：

η_i1＝y_i-β₀x_t＝y_t

β₀＝0

β₁＝b₁-a_i1β₀＝b₁

将第i个预瞄点的状态方程改写为：

其中，

得到n个预瞄点的状态方程为:

其中，

x_p＝[x₁ x₂ … x_n]^T,

η＝[η₁₁ η₁₂ η₂₁ η₂₂ … η_n1 η_n2]^T；

步骤404、所述车载计算机定义车轮处路面输入位移变量为：

x_0f＝D_ηη+E_ηx_p (F20)

其中，D_η和E_η均为常数矩阵且

λ_i为第i个预瞄点的加权系数且λ₁+λ₂+…+λ_n＝1，n为预瞄点的总数量；

步骤405、将公式(F20)代入公式(F8)得到系统状态方程为：

步骤406、所述车载计算机将q_1f定义为代表乘坐舒适性的前轴簧载质量位移加权系数，将q_2f定义为影响车身姿态且与结构设计和布置有关的前轴悬架动行程加权系数，将q_3f定义为代表操纵稳定性的前轴轮胎动位移加权系数，并定义在T时刻内LQR控制器设计的性能指标为：

其中，z_wf为前轴非簧载质量位移，z_bf为前轴簧载质量位移，

为前轴簧载质量垂向加速度；

步骤407、所述车载计算机将系统状态方程(F8)带入公式(F22)中得到：

其中,状态变量增益矩阵

控制变量增益矩阵

变量关联性矩阵

步骤408、所述车载计算机输出最优控制反馈增益矩阵K_f,其中

P_cf满足Raccati方程

步骤409、所述车载计算机根据公式U_f＝-K_fx_f求得前轴最优控制力U_f；

步骤410、直线电机电磁推力表达式为

F_af＝B_δfL_fI_f (F24)

其中B_δf为动圈所在处的平均气隙磁密度，L_f为直线电机动圈绕组导体的总长度，I_f为通入前轴作动器的线圈电流；

使通入前轴作动器的线圈电流I_f，使得F_af＝U_f便可使前轴作动器输出前轴最优主动控制力；

步骤Ⅴ、集成式自供能主动悬架作动器控制系统后轴轴距预瞄最优优化控制，具体过程为：

步骤501、所述路面不平度位移传感器，采集车辆前轮受到的路面不平度冲击，此时前轮处的路面不平度输入位移x_0f将在延时时间为

后等于后轮路面不平度输入位移x_0r,其中V为车辆运行速度,L为车辆轴距，以此得到路面输入x_0r，并得到后悬架系统的状态方程：

步骤502、令q_1r、q_2r、q_3r为3个加权系数，分别控制代表乘坐舒适性的车身垂向位移，影响车身姿态且与结构设计和布置有关的悬架动行程，代表操作稳定性的轮胎动位移，因此在T时刻内LQR控制器设计的性能指标为：

将系统状态方程(F25)带入式(F26)中可得

其中,状态变量增益矩阵

控制变量增益矩阵

变量关联性矩阵

步骤503、使用自适应多遗忘因子递推最小二乘法对Q_r、R_r、N_r进行优化，设定系数优化矩阵θ＝[Q_r R_r N_r]^T,设定协方差矩阵P_i＝10⁶E，其中E为三阶单位矩阵，设定数据矩阵φ：

计算T时刻设定期望最优性能指标J_y，并计算估计误差e_k：

计算可变遗忘因子的值：

其中l为步长，计算单个参数增益K_i，k：

式中i＝1，2…n，其中n为辨识参数个数，计算增益矩阵L_k:

进行参数估计：

更新协方差矩阵：

步骤504、重复步骤503，直到辨识结束，得到符合期望最优性能指标J_y的Q_r、R_r、N_r，进而得到3个加权系数q_1r、q_2r、q_3r；

步骤505、所述车载计算机输出最优控制反馈增益矩阵K_r,其中

P_cr满足Raccati方程

步骤506、所述车载计算机根据公式U_r＝-K_rx_r求得后轴最优控制力U_r；

步骤507、直线电机电磁推力表达式为

F_ar＝B_δrL_rI_r (F35)

其中B_δr为动圈所在处的平均气隙磁密度，L_r为直线电机动圈绕组导体的总长度，I_r为通入前轴作动器的线圈电流；

使通入后轴作动器的线圈电流I_r，使得F_ar＝U_r便可使后轴作动器输出后轴最优主动控制力；

步骤Ⅵ、集成式自供能主动悬架作动器控制系统能量回收，具体过程为：当集成式自供能主动悬架作动器控制系统处于M_e能量回收模式时，第一MOS开关模块断开，而第二MOS开关模块接合，此时车轮受到路面不平度激励，产生垂向作用力时，所述次级铁芯下端通过第二作动器安装孔与车桥相连，作用力将会传递至作动器上，此时固定在次级铁芯上的S极永磁体阵列、N极永磁体阵列以及与次级铁芯固定连接的空气弹簧活塞，都将进行垂直振动；所述作动器安装支架与作动器外壳体固定连接，所述作动器安装支架通过第一作动器安装孔与车架固定连接，所述初级铁芯与作动器外壳体固定连接，且在初级铁芯中缠绕有绕组线圈；S极永磁体阵列、N极永磁体阵列将会与绕组线圈产生相对位移，切割磁感线产生电能，由于路面不平度激励是变化的，作动器的运动速度也是变化的，导致绕组线圈切割磁感线的速度也是变化的，因此馈能电压也是变化的，所以需要经过整流滤波器模块处理，并经过升压模块将馈能电压升压到能量存储模块可以接收的电压范围内，完成振动能量回收。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

1、本发明的集成式自供能主动悬架作动器适用于满载质量较大的重型商用车，结构集成化程度高，承载能力强，自身刚度小，因此偏频小。

2、本发明的集成式自供能主动悬架作动器控制系统可以在能量回收模式进行振动能量回收，又可以在主动控制模式进行振动控制，可以控制悬架系统的刚度与阻尼两种重要参数，并且可以保持能量平衡，不需要消耗外界能量，实现系统自供能。

3、本发明提出一种新型的整车控制算法，对车辆前轴和后轴分别进行控制，首先针对车辆前轴进行路面不平度预瞄控制得到路面不平度

定义前轴q_1f、q_2f、q_3f三个加权系数，并定义在T时刻内LQR控制器设计的性能指标

LQR控制器求得前轴增益矩阵K_f，根据公式U_f＝-K_fx_f求得前轴最优控制力U_f，使通入前轴作动器的线圈电流I_f，使得前轴作动器主动力F_af＝U_f，使前轴作动器输出前轴最优主动控制力。通过采集前轮处的路面不平度输入位移x_0f，并延时

后，得到后轮路面不平度输入位移x_0r,并得到后悬架系统的状态方程：定义后轴q_1r、q_2r、q_3r三个加权系数，并定义在T时刻内LQR控制器设计的性能指标

使用自适应多遗忘因子递推最小二乘法对状态变量增益矩阵Q_r、R_r、N_r进行优化，设定系数优化矩阵θ＝[Q_r R_r N_r]^T,设定协方差矩阵P_i＝10⁶E，设定数据矩阵φ等，设定期望最优性能指标J_y，并计算估计误差e_k，进行参数估计：

更新协方差矩阵：

得到符合期望最优性能指标J_y的Q_r、R_r、N_r，进而得到后轴最优的3个加权系数q_1r、q_2r、q_3r，LQR控制器求得后轴增益矩阵K_r，根据公式U_r＝-K_rx_r求得后轴最优控制力U_r，使通入后轴作动器的线圈电流I_r，使得后轴作动器主动力F_ar＝U_r，使后轴作动器输出后轴最优主动控制力。

4、本发明提出作动器在满足能量平衡条件下可以实现自供能的模式切换规则，通过设定动挠度阈值f_dy与持续时间阈值t_y，并设定能量存储模块剩余电量分为缺少电量状态SOC₁、正常电量状态SOC₂、充足电量状态SOC₃三个等级，综合判断，制定了模式切换规则。

5、本发明的集成式自供能主动悬架作动器的工作稳定性和可靠性高，不易发生故障，无需经常维护维修。

6、当作动器的控制器发生故障时，系统工作在被动模式，它与传统的普通悬架实现的功能相同，其阻尼力为直线电机能量回收模式的电磁阻力，刚度为空气悬架与螺旋弹簧的复合刚度。防止系统失效造成减振系统瘫痪而恶化车辆行驶平顺性和操作稳定性。

附图说明

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步详细描述。

图1为本发明一种集成式自供能主动悬架作动器的结构剖视图。

图2为本发明一种集成式自供能主动悬架作动器的平面结构图。

图3为本发明一种集成式自供能主动悬架作动器控制系统框图。

图4为本发明一种集成式自供能主动悬架作动器绕组线圈的绕线分布图。

附图标记说明:

具体实施方式

如图1所示，一种集成式自供能主动悬架作动器控制系统，包括作动器23，所述作动器23包括作动器安装支架2，所述作动器安装支架2上设有第一作动器安装孔1，所述作动器安装支架2固定在作动器外壳体10的顶端，所述作动器外壳体10内的顶部固定连接限位块固定座4，所述限位块固定座4上安装有用于限制作动器23最大压缩量的橡胶限位块3，所述橡胶限位块3的***设有安装在作动器外壳体10上的空气弹簧囊皮5，所述空气弹簧囊皮5下端与空气弹簧活塞9过盈配合连接，所述作动器外壳体10内的顶部设有环形的卷条，所述空气弹簧囊皮5的顶端安装在卷条形成的槽内，所述空气弹簧活塞9内部安装限位缓冲座支架8，所述限位缓冲座支架8的底部与空气弹簧活塞9的底部固定连接，所述限位缓冲座支架8的顶部固定连接限位缓冲座6，所述限位缓冲座6位于空气弹簧活塞9的外部、空气弹簧囊皮5的内部，所述限位缓冲座支架8的顶部设有限位缓冲座支架内腔通气孔7，所述空气弹簧活塞9底部与螺旋弹簧11连接，所述螺旋弹簧11下部与作动器外壳体10相连，所述空气弹簧活塞9下部安装有第一永磁体固定座12，所述空气弹簧活塞9的底部设有空气弹簧附加腔通气孔13，所述作动器23的下部为驱动电机的部分，包括次级铁芯14、初级铁芯17和绕组线圈18，所述第一永磁体固定座12底部与次级铁芯14连接，所述次级铁芯14外侧安装有S极永磁体阵列15与N极永磁体阵列16，所述作动器外壳体10与S极永磁体阵列15、N极永磁体阵列16之间安装有初级铁芯17，所述初级铁芯17内部缠绕有绕组线圈18，所述次级铁芯14下部安装有第二永磁体固定座19，所述第一永磁体固定座12与第二永磁体固定座19均与S极永磁体阵列15、N极永磁体阵列16相连，所述次级铁芯14下部设有第二作动器安装孔20，所述作动器外壳体10顶部设有气体压力传感器21与通气口22。

所述作动器安装支架2通过第一作动器安装孔1，采用螺栓连接的方式与整车车架相连；所述作动器外壳体10的上平面与整车车架下平面贴合；所述次级铁芯14通过第二作动器安装孔20，采用螺栓连接的方式与整车车桥相连。

所述空气弹簧活塞9、作动器外壳体10、第一永磁体固定座12、次级铁芯14、第二永磁体固定座19均为隔磁材料，初级铁芯17为导磁材料。

所述空气弹簧囊皮5内部为主气室，通过限位缓冲座支架内腔通气孔7与限位缓冲座支架8形成的中间气室相通，所述限位缓冲座支架8形成的中间气室通过空气弹簧附加腔通气孔13与次级铁芯14形成的附加气室相通；所述空气弹簧活塞9顶部与限位缓冲座6存在间隙，空气弹簧囊皮5内部的主气室与空气弹簧活塞9内部的内气室相通。所述空气弹簧囊皮5内部的主气室、限位缓冲座支架8形成的中间气室以及次级铁芯14形成的附加气室相通，由于附加气室作用面积较主气室小，所以在某一气体压力状态下，空气弹簧在同样的作用力下，集成式自供能主动悬架作动器23将产生更大的位移。因此该结构有利于减小悬架系统刚度，降低车辆偏频，提高车辆平顺性。

所述空气弹簧活塞9底部与螺旋弹簧11连接，所述螺旋弹簧11下部与作动器外壳体10连接，因此空气弹簧活塞9与螺旋弹簧11组成串联式的复合弹簧系统，相比采用单一的空气弹簧活塞9或螺旋弹簧11，所述复合弹簧系统刚度更低，因此该结构有利于减小悬架系统刚度，降低车辆偏频，提高车辆平顺性。

如图3所示，所述绕组线圈18为双层绕组，即在每个齿槽中有两束线圈,每相电压相应差120°，各相电压分布顺序为：C-、A+；A-、B+；B-、C+；C-、A+……其中A、B、C代表三相，+、-代表电流方向。

如图2所示，所述作动器控制系统还包括主动控制系统和能量回收系统，主动控制系统包括车速传感器29、路面不平度探测器30、非簧载质量位移传感器31、簧载质量位移传感器32、作动器速度传感器33、路面不平度位移传感器34、车载计算机35、控制模块36；能量回收系统包括驱动模块24、第一MOS开关模块25、整流滤波模块26、升压模块27、第二MOS开关模块28、OCV检测模块37、控制电路供电模块38、能量存储模块39。所述车速传感器29、路面不平度探测器30、非簧载质量位移传感器31、簧载质量位移传感器32、作动器速度传感器33、路面不平度位移传感器34分别与控制模块36连接，所述控制模块36与车载计算机35连接；所述作动器23与驱动模块24、整流滤波模块26、升压模块27、第二MOS开关模块28、能量存储模块39依次连接形成回路；所述OCV检测模块37的输入端和输出端分别连接能量存储模块39的输出端和控制模块36的输入端，所述控制模块36的输出端与第一MOS开关模块连接，所述第一MOS开关模块的输出端与驱动模块24和整流滤波模块26之间的电路连接；所述控制电路供电模块38并联连接在OCV检测模块37的输入端和第一MOS开关模块25与控制模块36连接的电路中。

所述控制模块36负责接收传感器信号并进行电路控制；所述车载计算机35负责运算控制算法；所述车速传感器29负责周期性采集车速数据；所述路面不平度探测器30安装在车辆前部，负责探测前方一定距离道路的路面不平度；所述非簧载质量位移传感器31负责周期性采集非簧载质量位移量；所述簧载质量位移传感器32负责周期性采集簧载质量位移量；所述作动器速度传感器33负责周期性采集作动器23运动速度；所述路面不平度位移传感器34负责周期性采集前轴所处地面的路面不平度信息；所述气体压力传感器21负责周期性采集作动器内部气体压力；所述驱动模块24负责根据控制信号控制并驱动电机；所述第一MOS开关模块25与第二MOS开关模块28负责硬件电路中能量回收模式与主动控制模式的切换，当第一MOS开关模块25接合而与第二MOS开关模块28断开时，作动器23处于主动控制模式；当第一MOS开关模块25断开而第二MOS开关模块28接合时，作动器23处于能量回收模式；所述整流滤波模块26负责将能量存储模块39储存的直流电压转换为电机需要的交流电压，或将电机产生的交流电压转换为能量存储模块39可以存储的直流电压；所述升压模块27负责将作动器23在能量回收模式中产生的电能进行升压，以便能量存储模块39进行存储；所述OCV检测模块37负责检测能量存储模块39的开路电压并将开路电压信号传输至控制模块36；所述控制电路供电模块38负责为控制模块36供应所需要的电能；所述能量存储模块39负责存储电能。

一种集成式自供能主动悬架作动器控制系统的控制方法，包括如下步骤：

步骤Ⅰ、检测数据采集，具体过程为：当车轮受到路面不平度激励，产生垂向作用力时，次级铁芯14下端通过第二作动器安装孔20与车桥相连，作用力将会传递至作动器23上，此时固定在次级铁芯14上的S极永磁体阵列15、N极永磁体阵列16以及与次级铁芯14固定连接的空气弹簧活塞9，都将进行垂直振动；所述作动器安装支架2与作动器外壳体10固定连接，所述作动器安装支架2通过第一作动器安装孔1与车架固定连接，初级铁芯17与作动器外壳体10固定连接，且在初级铁芯17中缠绕有绕组线圈18，S极永磁体阵列15、N极永磁体阵列16将会与绕组线圈18产生相对位移，导体切割磁感线产生电能，此时为能量回收状态；所述绕组线圈18通电后，将产生行波磁场，并沿作动器23轴向运动，所述次级铁芯14与初级铁芯17的运行速度不一样时产生滑移率，从而产生直线方向的电磁力，这个电磁力就是作动器23的主动控制力，根据车辆行驶工况的不同，实时调节主动控制力，就可以保持作动器23时刻处于最佳阻尼力状态；滑移率的表达式为

当滑移率处于0～1之间时，表示作动器23处于正常工作状态；滑移率大于1时，表示次级铁芯14的运动方向与行波磁场方向相反，此时作动器23处于制动状态；滑移率小于0时，表示次级铁芯14的运动速度大于行波磁场的速度，此时作动器23处于能量回收状态；

以上两种情况下，车速传感器29对车速进行实时检测，安装在车辆前部的路面不平度探测器30探测前方一定距离道路的路面不平度，得到一定延时后的车辆前轮处路面输入位移x_0f；路面不平度位移传感器34对车辆前轮所路面不平度进行实时检测，得到一定延时后的车辆后轮处路面输入位移x_0r；非簧载质量位移传感器31对非簧载质量位移进行实时检测，簧载质量位移传感器32对簧载质量位移进行实时检测，作动器速度传感器33对悬架作动器的运动速度进行实时检测，所述控制模块36分别获得周期性采样得到的车速V、车辆前轮非簧载质量位移z_wf、车辆后轮非簧载质量位移z_wr、车辆前轮簧载质量位移z_bf、车辆后轮簧载质量位移z_br、安装在车辆前轮的作动器23的运动速度u_af和安装在车辆后轮的作动器23的运动速度u_ar,并传输给车载计算机35；

步骤Ⅱ、建立系统状态方程，具体过程为：

步骤201、所述车载计算机35建立二分之一车辆模型运动方程，以车辆左侧部分为例：

其中，

为车辆前轮簧载质量垂向加速度、

为车辆后轮簧载质量垂向加速度、z为簧载质量位移、m_b为簧载质量、I_b为车身转动惯量、θ_b为俯仰角、a为车辆前轴到质心的距离、b为车辆后轴到质心的距离、k_sf为前主动悬架作动器23的刚度、k_sr为后主动悬架作动器23的刚度、m_wf为车辆前轮非簧载质量、m_wr为车辆后轮的非簧载质量、

为车辆前轮非簧载质量垂向加速度、

为车辆后轮非簧载质量垂向加速度、k_tf为车辆前轮的刚度、k_tr为车辆后轮的刚度、x_0f为前轮路面输入位移、x_0r为后轮路面输入位移；

当俯仰角θ_b较小时，近似有

4自由度半车模型的运动方程表示为矩阵形式：

式中，质量矩阵[M]为：

[M]＝diag(m_b，I_b，m_wf，m_wr)

阻尼矩阵[C]为：

刚度矩阵[K]为：

轮胎刚度矩阵[K_t]为：

路面输入向量x₀为：

x₀＝[x_0f，x_0r]^T

系统输入向量x为：

x＝[z θ_b z_wf z_wr]^T

步骤202、当悬挂质量分配系数ε的数值接近于1时，可将前后轴分别建立2自由度模型，此时取状态变量:

其中，z_w为车辆非簧载质量位移，且z_w的取值为z_wf或z_wr，z_b为车辆簧载质量位移，且z_b的取值为z_bf或z_br；若路面速度输入为白噪声，则

此时系统状态方程为：

其中，u为作动器主动力，且u的取值为前轮作动器主动力u_f或后轮作动器主动力u_r；A为与车辆模型的状态变量有关的常数矩阵且

B为与作动器23的运动速度变量有关的常数矩阵且

G为与车轮处路面输入位移变量有关的常数矩阵且

c_s为车辆悬架的阻尼且c_s的取值为前轮作动器阻尼c_sf或后轮作动器阻尼c_sr、m_b为车身质量、k_s为悬架刚度且k_s的取值为前轮作动器刚度k_sf或后轮作动器刚度k_sr、k_t为轮胎刚度且k_t的取值为前轮轮胎刚度k_tf或后轮轮胎刚度k_tr、m_w为车辆的非簧载质量且m_w的取值为前轮非簧载质量m_wf或后轮非簧载质量m_wr；

步骤Ⅲ、集成式自供能主动悬架作动器控制系统工作模式切换规则，具体过程为：

步骤301、将集成式自供能主动悬架作动器控制系统能量回收模式定义为M_e,将主动控制模式定义为M_c；

步骤302、设定动挠度阈值f_dy与持续时间阈值t_y，其中动挠度阈值f_dy应小于具体车型常用较好路面条件下、常用较低车速下的悬架动挠度均方根值；当实际路面动挠度f_d＜f_dy时，表示车辆行驶在较好路面，当实际路面动挠度f_d＞f_dy时，表示车辆行驶在较差路面；持续时间阈值t_y对集成式自供能主动悬架作动器控制系统的工作模式切换频率影响很大，若时间阈值t_y过小，可能导致集成式自供能主动悬架作动器控制系统的工作模式频繁切换，若时间阈值t_y过大，可能导致集成式自供能主动悬架作动器控制系统的工作模式切换反应迟钝，时间阈值t_y的具体数值需根据实际车型以及常用的道路条件确定；

步骤303、OCV检测模块37采集能量存储模块39的开路电压，控制模块36采用AH积分法进行SOC估算，在此设定能量存储模块39的额定容量为Q_e、实时剩余容量为Q_c、初始状态容量为Q₀、η为库伦效率，则在t_s时刻的实时剩余容量为Q_c状态，采用积分运算可表示为：

在此设定能量存储模块39剩余电量分为3个等级，分别是缺少电量状态SOC₁、正常电量状态SOC₂、充足电量状态SOC₃：

步骤304、集成式自供能主动悬架作动器控制系统的主要作用是保证车辆的平顺性与操纵稳定性，结合集成式自供能主动悬架作动器控制系统的自供能特性，因此当能量存储模块39处于SOC₂、SOC₃状态或行驶路面条件较差、整车振动较大时，处于M_c主动控制模式；能量存储模块39处于SOC₁状态或行驶路面条件较好、整车振动较小时，处于M_e能量回收模式；因此模式切换规则为：

步骤Ⅳ、进行集成式自供能主动悬架作动器控制系统前轴路面不平度预瞄最优控制，具体过程为：

步骤401、车载计算机35定义在任一i时刻车速v_i下，预瞄距离L_i与车速v_i的比值为第i个预瞄点的预瞄时间t_i，用公式表示为：

其中，i的取值为1～n的自然数，n为路面不平度探测器30的采样总次数；

步骤402、所述车载计算机35将第i个预瞄点处的路面输入位移x_i与车辆前轮处路面输入位移x_0f的Laplace函数关系式表示为：

并将e^-ti^s的Pade近似计算表示为：

再取二阶Pade近似计算，并在预瞄时间不为0时，将公式(F14)的分子、分母同时除以

得到：

其中，a_i0和a_i1均为系数且

再将公式(F12)改写为：

[x_0f(s)-z_i(s)][a_i0+a_i1s+s²]＝-2a_i1sx_i(s) (F16)

步骤403、所述车载计算机35定义x_0f(s)-x_i(s)＝y_i(s)，b₁＝-2a_i1，对公式(F16)进行反拉氏变换得到：

再定义状态变量为：

η_i1＝y_i-β₀x_t＝y_t

β₀＝0

β₁＝b₁-a_i1β₀＝b₁

将第i个预瞄点的状态方程改写为：

其中，

得到n个预瞄点的状态方程为:

其中，

x_p＝[x₁ x₂ … x_n]^T,

η＝[η₁₁ η₁₂ η₂₁ η₂₂ … η_n1 η_n2]^T；

步骤404、所述车载计算机35定义车轮处路面输入位移变量为：

x_0f＝D_ηη+E_ηx_p (F20)

其中，D_η和E_η均为常数矩阵且

λ_i为第i个预瞄点的加权系数且λ₁+λ₂+…+λ_n＝1，n为预瞄点的总数量；

步骤405、将公式(F20)代入公式(F8)得到系统状态方程为：

步骤406、所述车载计算机35将q_1f定义为代表乘坐舒适性的前轴簧载质量位移加权系数，将q_2f定义为影响车身姿态且与结构设计和布置有关的前轴悬架动行程加权系数，将q_3f定义为代表操纵稳定性的前轴轮胎动位移加权系数，并定义在T时刻内LQR控制器设计的性能指标为：

其中，z_wf为前轴非簧载质量位移，z_bf为前轴簧载质量位移，

为前轴簧载质量垂向加速度；

步骤407、所述车载计算机35将系统状态方程(F8)带入公式(F22)中得到：

其中,状态变量增益矩阵

控制变量增益矩阵变量关联性矩阵

步骤408、所述车载计算机35输出最优控制反馈增益矩阵K_f,其中

P_cf满足Raccati方程

步骤409、所述车载计算机35根据公式U_f＝-K_fx_f求得前轴最优控制力U_f；

步骤410、直线电机电磁推力表达式为

F_af＝B_δfL_fI_f F24

其中B_δf为动圈所在处的平均气隙磁密度，L_f为直线电机动圈绕组导体的总长度，I_f为通入前轴作动器的线圈电流；

使通入前轴作动器的线圈电流I_f，使得F_af＝U_f便可使前轴作动器输出前轴最优主动控制力；

步骤Ⅴ、集成式自供能主动悬架作动器控制系统后轴轴距预瞄最优优化控制，具体过程为：

步骤501、所述路面不平度位移传感器34，采集车辆前轮受到的路面不平度冲击，此时前轮处的路面不平度输入位移x_0f将在延时时间为后等于后轮路面不平度输入位移x_0r,其中V为车辆运行速度,L为车辆轴距，以此得到路面输入x_0r，并得到后悬架系统的状态方程：

步骤502、令q_1r、q_2r、q_3r为3个加权系数，分别控制代表乘坐舒适性的车身垂向位移，影响车身姿态且与结构设计和布置有关的悬架动行程，代表操作稳定性的轮胎动位移，因此在T时刻内LQR控制器设计的性能指标为：

将系统状态方程F25带入式F26中可得

其中,状态变量增益矩阵

控制变量增益矩阵

变量关联性矩阵

步骤503、使用自适应多遗忘因子递推最小二乘法对Q_r、R_r、N_r进行优化，设定系数优化矩阵θ＝[Q_r R_r N_r]^T,设定协方差矩阵P_i＝10⁶E，其中E为三阶单位矩阵，设定数据矩阵φ：

计算T时刻

设定期望最优性能指标J_y，并计算估计误差e_k：

计算可变遗忘因子的值：

其中l为步长，计算单个参数增益K_i，k：

式中i＝1，2…n，其中n为辨识参数个数，计算增益矩阵L_k:

进行参数估计：

更新协方差矩阵：

步骤504、重复步骤503，直到辨识结束，得到符合期望最优性能指标J_y的Q_r、R_r、N_r，进而得到3个加权系数q_1r、q_2r、q_3r；

步骤505、所述车载计算机35输出最优控制反馈增益矩阵K_r,其中

P_cr满足Raccati方程

步骤506、所述车载计算机35根据公式U_r＝-K_rx_r求得后轴最优控制力U_r；

步骤507、直线电机电磁推力表达式为

F_ar＝B_δrL_rI_r F35

其中B_δr为动圈所在处的平均气隙磁密度，L_r为直线电机动圈绕组导体的总长度，I_r为通入前轴作动器的线圈电流；

使通入后轴作动器的线圈电流I_r，使得F_ar＝U_r便可使后轴作动器输出后轴最优主动控制力；

步骤Ⅵ、集成式自供能主动悬架作动器控制系统能量回收，具体过程为：当集成式自供能主动悬架作动器控制系统处于M_e能量回收模式时，第一MOS开关模块25断开，而第二MOS开关模块28接合，此时车轮受到路面不平度激励，产生垂向作用力时，所述次级铁芯14下端通过第二作动器安装孔20与车桥相连，作用力将会传递至作动器23上，此时固定在次级铁芯14上的S极永磁体阵列15、N极永磁体阵列16以及与次级铁芯14固定连接的空气弹簧活塞9，都将进行垂直振动；所述作动器安装支架2与作动器外壳体10固定连接，所述作动器安装支架2通过第一作动器安装孔1与车架固定连接，所述初级铁芯17与作动器外壳体10固定连接，且在初级铁芯17中缠绕有绕组线圈18；S极永磁体阵列15、N极永磁体阵列16将会与绕组线圈18产生相对位移，切割磁感线产生电能，由于路面不平度激励是变化的，作动器23的运动速度也是变化的，导致绕组线圈18切割磁感线的速度也是变化的，因此馈能电压也是变化的，所以需要经过整流滤波器模块26处理，并经过升压模块27将馈能电压升压到能量存储模块39可以接收的电压范围内，完成振动能量回收。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。