一种馈能式混合电磁主动悬架复合控制器的构造方法
阅读说明：本技术 一种馈能式混合电磁主动悬架复合控制器的构造方法 (Construction method of energy feedback type hybrid electromagnetic active suspension composite controller ) 是由 孙晓东 蔡峰 汪少华 陈龙 田翔 于 2020-12-28 设计创作，主要内容包括：本发明公开汽车底盘控制领域一种馈能式混合电磁主动悬架复合控制器的构造方法,由交流直线电机、速度测量模块、电流测量模块、阻尼力动态分配模块以及悬架系统作为整体构成混合电磁主动悬架系统,由电流解耦控制模块、磁场定向控制模块、电压坐标变换模块、PWM变换模块、逆变器模块以及电流坐标变换模块依次串联作为一个整体构成复合逆变器模块,由离散终端滑模控制器、参数抗扰动控制器、自调整控制器以及动态反馈补偿模块构成速度控制器,由速度给定模块、速度控制器、复合逆变器模块、混合电磁主动悬架系统依次串联构成复合控制器,能对误差进行更加快速准确的跟踪,对参数进行改进与调整,有效改善悬架系统和电机的瞬态响应特性。(The invention discloses a construction method of an energy feedback type hybrid electromagnetic active suspension composite controller in the field of automobile chassis control, which is characterized in that an alternating current linear motor, a speed measuring module, a current measuring module, a damping force dynamic distribution module and a suspension system are taken as a whole to form the hybrid electromagnetic active suspension system, a current decoupling control module, a magnetic field orientation control module, a voltage coordinate transformation module, a PWM (pulse width modulation) transformation module, an inverter module and a current coordinate transformation module are sequentially connected in series to form a composite inverter module, a discrete terminal sliding mode controller, a parameter anti-interference controller, a self-adjusting controller and a dynamic feedback compensation module are taken as a whole to form a speed controller, a speed setting module, a speed controller, a composite inverter module and a hybrid electromagnetic active suspension system are sequentially connected in series to form the composite controller, and errors can be tracked more quickly and accurately, parameters are improved and adjusted, and transient response characteristics of a suspension system and a motor are effectively improved.)
技术领域
本发明属于汽车底盘控制领域，是汽车悬架的控制系统，尤其适用于馈能式主动电磁悬架的复合控制。
背景技术
悬架系统是汽车组成的重要部分，具有减少路面激励引起的振动、承载车身、传递扭矩等功能。传统的半主动悬架系统主要由阻尼减振器作为悬架执行器，当汽车行驶在不同的路况时，需要调节减振器的阻尼系数才能实现输出最优阻尼力，在完成悬架系统的设计后该执行器得到的振动特性不会发生变化，从而限制了汽车悬架性能的提升。而主动悬架可根据汽车的运动状态、路面状况以及载荷等参数的变化，对悬架的刚度和阻尼进行动态地自适应调节，使悬架系统始终处于最佳减振状态。随着控制器以及电动汽车技术的不断发展，将直线电机代替了阻尼减震器，通过控制电流的大小实现输出最优阻尼力，此悬架系统属于主动悬架系统，通过主动控制可以明显改善汽车行驶的平顺性和稳定性，同时可以直接移植到电动汽车上，为推动电动汽车技术的发展提供基础。
馈能型悬架系统可以将汽车行驶时由于路面不平度引起悬架的振动能量加以回收、储存和利用，以减少减振器损耗，实现节能的目的，为发展和提高汽车能源的有效利用提供了新的发展方式。目前馈能型悬架系统能量回收方法主要有压电式、电磁式、液压式和复合式等多种方式。其中电磁式馈能悬架由于具有结构简单、振动响应快、回收能量效率高等优点被广泛采用。电磁半主动悬架不需要外部电源提供能量，根据电磁感应定律可提供电磁阻尼力起到减振作用，但是受限于电机内部参数不能过大，所以输出的作动力只能在一定范围内；电磁式主动悬架提供的可控力范围广，对悬架控制效果优越，但外部控制电路相对复杂，而且需要外部电源对系统供电，能量消耗过大。因此，在对电磁式主动悬架的常规控制方法中，对于电磁悬架不同状态的混合控制是很重要的。在中国专利申请号为201910025327.7、名称为“汽车主动悬架电磁作动器抗饱和复合控制器及构造方法”的文献中，仅对电磁悬架在突变负载的状况下进行优化控制，并未涉及到电磁悬架多状态的混合控制，控制效果仍然不精确。
发明内容
本发明的目的是针对目前电磁式馈能悬架多状态下控制不精确的缺陷，提出一种使电磁式馈能悬架在多状态下达到精准混合控制的复合控制器的构造方法，同时提出一种阻尼力分配策略，在主动悬架系统进行模式切换时优先和充分使用电磁力，在提高车辆稳定性、平顺性和馈能性的同时，提高对回收能量利用的效率。
本发明采用的技术方案是包括以下步骤：
步骤A：由交流直线电机、速度测量模块、电流测量模块、阻尼力动态分配模块以及悬架系统作为整体构成混合电磁主动悬架系统，混合电磁主动悬架系统以三相电流ia,ib,ic为输入，以运行速度v和悬架垂向位移x为输出；速度测量模块获取交流直线电机的运行速度v，电流测量模块获取到交流直线电机的dq轴电流id，iq，阻尼力动态分配模块以三相电流ia,ib,ic、运行速度v以及dq轴电流id，iq为输入，输出驱动力∑F驱动悬架系统，驱动悬架系统输出悬架垂向位移x；
步骤B：由电流解耦控制模块、磁场定向控制模块、电压坐标变换模块、PWM变换模块、逆变器模块以及电流坐标变换模块依次串联作为一个整体构成复合逆变器模块，复合逆变器模块以q轴电流iq作为输入，以三相电流ia,ib,ic为输出；
步骤C：由离散终端滑模控制器、参数抗扰动控制器、自调整控制器以及动态反馈补偿模块构成速度控制器，速度控制器以参考速度v*、悬架垂直位移x以及运行速度v作为输入，经过离散终端滑模控制器、参数抗扰动控制器、自调整控制器以及动态反馈补偿模块运算后输出q轴电流iq；
步骤D：由速度给定模块、速度控制器、复合逆变器模块、混合电磁主动悬架系统依次串联构成馈能式混合电磁主动悬架复合控制器。
本发明的有益效果是：
1、所构造的速度控制器能够有效改善悬架系统以及电机的瞬态响应特性，基于离散滑模函数而构建的离散终端滑模控制器对误差能够进行更加快速准确的跟踪，从而提高了整个控制器的响应速度；所构造的参数抗扰动控制器通过参数预测、修正以及整定模块对控制器参数进行了深入的改进与调整，从而使整个速度控制器的抗干扰性能得到进一步提升，保证了整个悬架系统和直线电机的控制进度与运行稳定性。
2、为了适应不同路况和车速，本发明提出的悬架阻尼力动态分配策略，根据此策略，悬架工作模式可以通过改变直线电机的推力而切换，从而实现回收能量利用率达到最优的同时，提高悬架系统的响应速率。
3、所构造的复合控制器所需控制变量和输入变量均为可测、易测变量，且该复合控制器的控制算法只需通过模块化软件编程实现，并不需要增加额外的仪器设备，在没有增加控制成本的前提下，有效提高了复合控制器的控制品质，有利于工程实现。
附图说明
图1是混合电磁主动悬架系统2的构成框图；
图2是的复合逆变器模块1的构成框图；
图3是速度控制器9的构成框图；
图4是馈能式混合电磁主动悬架复合控制器的的构成框图；
图中：1.复合逆变器模块；2.混合电磁主动悬架系统；3.阻尼力动态分配模块；4.速度给定模块；5.离散终端滑模控制器；6.参数抗扰动控制器；7.自调整控制器；8.动态反馈补偿模块；9.速度控制器；11.电流解耦控制模块；12.磁场定向控制模块；13.电压坐标变换模块；14.PWM变换模块；15.逆变器模块；16.电流坐标变换模块；22.悬架系统；31.电磁力计算模块；32.馈能力计算模块；33.悬架给定参考阻尼模块；34.动力分配模块；35.路面激励模块；61.参数整定模块；62.参数预测模块；63.参数修正模块。
具体实施方式
如图1所示，将交流直线电机21、速度测量模块23、电流测量模块24、阻尼力动态分配模块3以及悬架系统22作为整体构成混合电磁主动悬架系统2，混合电磁主动悬架系统2以三相电流ia,ib,ic作为输入，以交流直线电机21的运行速度v和悬架系统22输出的悬架垂向位移x为输出。
其中，速度测量模块23通过传感器直接获取到交流直线电机21的运行速度v，电流测量模块24直接获取到交流直线电机21的dq轴电流id、iq。阻尼力动态分配模块3由电磁力计算模块31、馈能力计算模块32、悬架给定参考阻尼模块33、动力分配模块34以及路面激励模块35组成。电流测量模块24的输出端连接电磁力计算模块31的输入端，以电磁力计算模块31以电流id、iq为输入，输出为电磁推力F1，其表达式为：
式中：ψd、ψq为电机d、q轴磁链，τ为电机的极距。
将三相电流ia,ib,ic、运行速度v以及dq轴电流id、iq这些信号作为阻尼力动态分配模块3的输入信号，经过动态计算调整后，输出驱动力∑F来驱动悬架系统22运动，从而使悬架系统22输出悬悬架垂向位移x。
速度测量模块23的输出端连接馈能力计算模块32的输入端，馈能力计算模块32以运行速度v和三相电流ia,ib,ic作为输入，输出为馈能阻尼力F2，其表达式为：
式中：k为馈能阻尼系数，一般取值为5～10。
悬架给定参考阻尼模块33给定参考阻尼力F*，其输出为参考阻尼力F*，表达式为：
式中：ms为簧上质量，mt为非簧载质量，ks为弹簧刚度，kt为轮胎刚度，xs、xt分别为车身、车轮相对于各自平衡位置的垂直位移坐标；为路面输入，是q(t)的一阶导数，选用滤波白噪声作为路面输入模型，其中n0为参考空间频率，Gq为路面不平度系数，ω(t)为高斯白噪声，可生成随机路面。
电磁力计算模块31、馈能力计算模块32和悬架给定参考阻尼模块33的输出端连接动力分配模块34的输入端。动力分配模块34的三个输入分别为参考阻尼力F*、电磁推力F1以及馈能阻尼力F2，该模块依据不同的悬架模式来调整悬架阻尼力的分配，按以下分配策略输出驱动力Fout：
将参考阻尼力F*与电磁推力F1作比较，当参考阻尼力F*小于或等于电磁推力F1时，此时可认定悬架处于舒适模式，车速与路况情况较为舒缓，则动力分配模块34输出的驱动力Fout将全部由交流直线电机21输出的电磁推力F1输出，即Fout＝F1。当参考阻尼力F*大于电磁推力F1时，此时可认定悬架处于运动模式，车速与路况情况较为剧烈，则动力分配模块34输的出驱动力Fout将为电磁推力F1与馈能阻尼力F2之和，即Fout＝F1+F2，以此来满足悬架所需的阻尼力。
路面激励模块35输出的是路面扰动力Fd，将动力分配模块34输出的驱动力Fout与路面激励模块35输出的路面扰动力Fd求和，得到求和后驱动力∑F＝Fout+Fd，并以此求和后驱动力∑F作为悬架系统22的输入，悬架系统22的输出为悬架垂向位移信号x。
如图2所示，构造复合逆变器模块1。由电流解耦控制模块11、磁场定向控制模块12、电压坐标变换模块13、PWM变换模块14、逆变器模块15以及电流坐标变换模块16依次串联中作为一个整体构成复合逆变器模块1。复合逆变器模块1以q轴电流iq作为输入，以三相电流ia,ib,ic为输出。电流解耦控制模块11的两个输入分别为电流iq，id(其值设定为0)，这两个输入iq，id分别与电流坐标变换模块16输出的两个电流作比较，得到电流解耦控制模块11的输出为dq坐标系下的电流ids和iqs，所述电流解耦控制模块11的表达式为：
式中k0、k1分别为d、q轴调节系数，其值分别为0.5、5。
电流ids，iqs将作为磁场定向控制模块12的两个输入，其输出为dq坐标系下的电压Vd，Vq，该电压值Vd，Vq经过电压坐标变换模块13变换之后得到自然坐标系下三相电压Va，Vb，Vc，该三相电压Va，Vb，Vc作为PWM变换模块14的输入，PWM变换模块14的输出为逆变器的三相占空比Ta，Tb，Tc，该三相占空比Ta，Tb，Tc作为逆变器模块15的输入，逆变器模块15输出驱动电机所需要的三相电流ia,ib,ic。电流坐标变换模块16将逆变器模块15输出的三相电流ia,ib,ic变换为dq坐标系下的电流输入到电流解耦控制模块11中。将逆变器模块15串接在图1中的混合电磁主动悬架系统2的前端，逆变器模块15输出的三相电流ia,ib,ic作为混合电磁主动悬架系统2的输入，输入到图1中的交流直线电机21中。
如图3所示，由离散终端滑模控制器5、参数抗扰动控制器6、自调整控制器7以及动态反馈补偿模块8构造速度控制器9。速度控制器9以速度给定模块4输出的参考速度v*、悬架垂直位移x以及运行速度v作为输入，经过内部离散终端滑模控制器5、参数抗扰动控制器6、自调整控制器7以及动态反馈补偿模块8的运算后，输出q轴电流iq。其中，将悬架垂向位移x经微分后得到的悬架垂向速度v′，将电机的运行速度v和悬架垂向速度v′分别与速度给定模块4输出的参考速度v*作差后再相加得到滑模速度e，滑模速度e的表达式为：
e＝(v-v*)+(v'-v*) (1-5)
将滑模速度e作为离散终端滑模控制器5的输入，其输出为滑模函数S，表达式为：
式中：KP、Ki以及Kd分别为比例、积分和微分系数，其值是：KP＝30，Ki＝10，Kd＝3；分别为关于变量t的u、ε阶分数导数，且u＝ε＝1.5；fal(e,α,δ)为非线性函数，其中α是非线性调节系数，δ是误差限定系数，α＝0.36，δ＝0.28。
离散终端滑模控制器5的输出端分别连接参数抗扰动控制器6和自调整控制器7的输入端，参数抗扰动控制器6和自调整控制器7的输入均是滑模函数S，参数抗扰动控制器6的输出端也连接自调整控制器7的输入端。参数抗扰动控制器6由参数整定模块61、参数预测模块62和参数修正模块63组成。
利用公式(1-6)构建参数预测模块62，参数预测模块62以滑模函数S为输入，输出为参数σ和参数ξ，表达式为：
式中：γ、κ、υ、θ为正相关系数，分别是0.31、0.24、0.52、0.44。
参数预测模块62的输出端分别连接参数整定模块61和参数修正模块63，参数σ输入到参数整定模块61中，参数ξ输入到参数修正模块63中。
参数整定模块61以滑模函数S和参数σ为输入，其输出为整定参数ζ，表达式为：
参数修正模块63以滑模函数S和参数ξ为输入，其输出为修正参数ζ，表达式为：
动态反馈补偿模块8以电流iq和电机的运行速度v为输入，以反馈参数Z11为输出，其表达式为：
式中：是电机运行速度的估计值，b0为补偿因子，β0为增益参数，其值为b0＝2.5，β0＝5。
自调整控制器7以滑模函数S、整定参数修正参数ζ以及反馈参数Z11为输入，输出为电流iq，其表达式为：
式中：a0、δ0为控制器的正相关系数，其值设置为α0＝15，δ0＝0.3。
如图4所示，由速度给定模块4、速度控制器9、复合逆变器模块1、混合电磁主动悬架系统2依次串联构成馈能式混合电磁主动悬架复合控制器，混合电磁主动悬架系统2输出的运行速度v和悬架垂向位移x再反馈给速度控制器9。所构造的复合控制器工作时，速度控制器9根据运行速度v、悬架垂向位移x与给定速度v*求取滑模速度e，并将此滑模速度e输入至离散终端滑模控制器5中，使得误差得到更加精确的跟踪，提高了控制精度；以滑模函数S作为参数抗扰动控制器6的输入，使得参数得到更加精确的预测和修正，提高了自调整控制器7和动态反馈补偿模块8的控制准确度。此外，动力分配模块34根据动态分配策略作阻尼力分配，在工作时能够依据车速与路况的情况改变悬架的工作模式，从而输出相对应的阻尼力来推动悬架系统稳定工作，实现对主动悬架系统的高性能控制。
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