汽車電磁閥式半主動懸架控制系統設計

夏 光， 唐希雯， 王洪成， 孫保群

（1.合肥工業大學 機械與汽車工程學院，安徽 合肥 230009；2.合肥工業大學 汽車工程技術研究院，安徽 合肥 230009；3.電子工程學院 信息系，安徽 合肥 230037）

0 引 言

電磁閥式減振器是一種通過先導式比例電磁閥改變節流孔開度來實現連續阻尼調節的新型可變阻尼減振器，具有結構簡單、響應迅速、性能可靠和易于工程實現的特點，且能取得與主動懸架相近的控制效果，從而成為目前實用化可變阻尼減振器的的發展方向［1－3］。

關于連續阻尼可調半主動懸架的控制方法很多，控制算法也越來越復雜［4－7］，但是這些控制算法的實際可操作性越來越差，同時也帶來了復雜算法的響應時滯。

1 電磁閥式減振器結構與工作原理

本文針對電磁閥式阻尼連續可調半主動懸架進行了控制系統的硬件電路和軟件系統設計，采用工程易于實現且魯棒性較強的skyhook控制策略，并將自主開發的控制系統裝車進行了實車道路試驗。

電磁閥式減振器可在普通雙筒式減振器基礎上改進而來，相比于普通雙筒式減振器，其結構上增加了一個中間缸和一個電磁閥。中間缸和工作缸上腔相通，電磁閥連接中間缸和儲油缸，電磁閥控制中間缸與儲油缸之間的節流通道，從而實現阻尼的連續可調［8］。

電磁閥式減振器的工作原理如圖1所示，相比于普通雙筒式減振器，其增加了一個電磁閥控制的節流通道，包含和上腔相通的中間缸和電磁閥，通過電磁閥對節流通道的開度調節來實現減振器阻尼連續可調。

圖1 電磁閥式減振器工作原理圖

電磁閥式減振器工作過程可分為復原行程和壓縮行程。

1.1 復原行程

活塞桿相對工作缸向上運動，上腔體積變小，上腔和中間缸油液壓力增大。

（1）上腔油液通過活塞總成上的閥系流到下腔。

（2）補償腔油液通過底閥總成上的閥系流到下腔。

（3）中間缸的油液通過電磁閥控制的節流通道流到補償腔。

1.2 壓縮行程

活塞桿相對工作缸向下運動，下腔體積變小，下腔油液壓力增大。由于流通閥開啟壓力小，僅相當于單向閥的作用，故下腔與上腔壓力相差不大。油液流動路徑為：

（1）下腔油液通過活塞總成上的閥系流到上腔。

（2）下腔油液通過底閥總成上的閥系流到補償腔。

（3）中間缸的油液通過電磁閥控制的節流通道流到補償腔。

2 系統硬件電路設計與實現

硬件設計主要是電子控制單元的硬件電路設計，其結構框圖如圖2所示，它表明了電磁閥式半主動懸架控制系統的基本電路結構及工作過程。

圖2 控制系統的結構示意圖

系統采用ARM7系列支持實時仿真和跟蹤的16／32 位 ARM7TDMI－S CPU 的 微 控 制 器LPC2292作為控制器的核心單元，可提高運算速度，特別適用于汽車、工業控制應用［9］。

硬件電路主要包括單片機和最小系統電路、點火系統供電電路、車身和車輪垂直加速度信號調理電路、車速信號調理電路、電磁閥驅動電路、CAN通信電路和故障診斷通信電路。

3 系統軟件設計

3.1 系統控制策略

skyhook阻尼控制策略基本思想可表述為：當簧載質量的絕對速度和簧載質量與非簧載質量的相對速度一致時，減振器抑制簧載質量的運動，并產生與簧載質量匹配的阻尼力?？紤]到可變阻尼減振器的阻尼調節范圍，當其不能滿足等于理想阻尼力時，產生最大阻尼力；當簧載質量的絕對速度和簧載質量與非簧載質量的相對速度反向時，減振器不抑制簧載質量的運動，減振器產生的阻尼力盡可能的小。

理想skyhook阻尼控制模型代表一種懸架阻尼控制思想，在實際中并不能完全實現［10］，可以通過可變阻尼減振器在一定范圍內等效實現skyhook阻尼控制，等效模型如圖3所示。

圖3 等效skyhook阻尼控制模型

圖3中各位移、速度向上為正?；奢d質量與非簧載質量相對速度記為vbw，定義兩者相互分開方向為正，相互接近方向為負。

等效的skyhook阻尼控制模型為：

其中，Fd為可變阻尼減振器產生的阻尼力，Fd＝40 000N／m；kt＝350 000N／m；Cs＝1 360N·s／m；Csky＝4 000N·s／m；Cdmax為減振器最大阻尼系數，Cdmax＝5 440N·s／m；Cdmin為減振器最小阻尼系數，Cdmin＝1 360N·s／m。

可變阻尼減振器阻尼系數Cd可按（3）式計算：

3.2 仿真分析

假定汽車在B級路面上以60km／h的車速行駛，路面輸入模型為：

其中，x0（t）為路面不平度位移；f0為下截止頻率，一般取0.062 8；Gq（n0）為路面不平度系數；u為車速；ω（t）為均值為零的高斯白噪聲［11］。在此路面輸入下，等效skyhook阻尼控制模型與被動懸架模型的車身垂向加速度對比如圖4所示。

圖4 時域仿真結果對比

圖4中，實線為被動懸架模型的車身垂向加速度時域曲線，虛線為等效skyhook阻尼控制模型的車身垂向加速度時域曲線。

以車身垂向加速度均方根值為評價指標，對比分析B級路面輸入與E級路面輸入下skyhook阻尼控制策略的有效性，見表1所列。仿真結果表明，在B級路面輸入下，skyhook阻尼控制模型相比于被動懸架模型車身垂向加速度均方根值減小了32.3%；在E級路面輸入下，skyhook阻尼控制模型相比于被動懸架模型車身垂向加速度均方根值減小了32.4%。

表1 仿真結果均方根值對比

3.3 系統軟件實現

（1）首先采集車速信號，對車速信號進行判斷。如果車速大于100km／h，為保證車輛高速行駛穩定性，則系統設置為運動模式，減振器設置為大阻尼狀態，即輸出給減振器電磁閥小電流（0.25A）；如果車速小于100km／h，進入下一步。

（2）根據車速信號計算汽車當前加速度值，通過加速度判斷駕駛員當前駕駛偏好。如果加速度絕對值大于5m／s2，表明駕駛員駕駛偏向于運動性，則系統設置為運動模式，減振器設置為大阻尼狀態，即輸出給減振器電磁閥小電流（0.25A）；如果加速度絕對值小于5m／s2，即當前駕駛員偏向于其他模式，進入下一步。

（3）對駕駛員選擇的駕駛模式進行檢測。如果選擇的是舒適模式，則減振器設置為阻尼狀態，輸出給減振器電磁閥大電流（2A）；如果選擇的是運動模式，則減振器設置為大阻尼狀態，即輸出給減振器電磁閥小電流（0.25A）。如果選擇的是正常模式，則采集并處理各傳感器信號，然后根據控制策略計算出目標阻尼力，并根據目標阻尼力計算應當輸出的最佳電流。

控制系統主程序流程如圖5所示。

圖5 系統主程序流程圖

4 實車試驗

進行試驗的目的是為了驗證所設計的控制系統對汽車行駛平順性的有效性。試驗方法主要是實車道路試驗，試驗車輛為安裝有電磁閥式減振器及控制系統的奇瑞G6轎車，如圖6所示。

圖6 試驗車輛

根據文獻［12－13］進行實車道路試驗，試驗方法如下：

（1）分別在空載和滿載的條件下，路面的激勵分別為過凸塊的脈輸入和隨機輸入激勵，測量車身各點三向加速度。

（2）在車輛安裝電磁閥式半主動懸架和被動懸架的2種條件下，車速分別為40、60、80km／h，按照方法（1）的要求進行試驗，并對結果進行比較。

試驗結果見表2和3所列，在不同條件下，采用電磁閥式半主動懸架控制器的汽車比采用普通被動懸架的汽車車身垂直加速度均方根值減小11%～23.5%。

表2 空載隨機路面時各點均方根值結果（被動／電磁閥式半主動懸架） m／s2

表3 滿載隨機路面時各點均方根值結果（被動／電磁閥式半主動懸架） m／s2

采用自行開發的電磁閥式半主動懸架控制器的車輛，在不同條件下都能夠有效地降低整車的垂直加速度，明顯優于普通被動懸架，也證明所采用的控制策略是可行的。

5 結束語

本文采用魯棒性較強且工程易于實現的skyhook控制策略，建立等效的skyhook阻尼模型并進行仿真分析，仿真結果表明采用skyhook控制策略的電磁閥式半主動懸架明顯優于傳統被動懸架。

通過實車試驗，有效驗證了控制策略的正確性。由此說明，所設計的電磁閥式半主動懸架控制器和采用的控制策略是正確可行的，可有效改善整車行駛平順性［14－15］。

［1］ 林 榆 馨.電 子 控 制 懸 架 的 應 用 ［J］.上 海 汽 車，1996（4）：136－157.

［2］ 郭洪文.NJ2045越野車可調減振器的研制和半主動懸架設計［D］.長春：吉林大學，2004.

［3］ 李仕生.汽車可變阻尼減振器研究［D］.重慶：重慶大學，2006.

［4］ 夏 光，唐希雯，汪韶杰，等.汽車磁流變半主動懸架控制系統設計［J］.合肥工業大學學報：自然科學版，2010，33（12）：1765－1769.

［5］ Soliman A M A.Improvement of vehicle ride performance using a switchable damper suspension system［C］.／／SAE World Congress ＆ Exhibition，Detroit，MI，USA，2007：580－588.

［6］ 董小閔，余 淼，廖昌榮，等.汽車磁流變半主動懸架自適應 模 糊 控 制 研 究 ［J］.中 國 公 路 學 報，2006，19（2）：111－115.

［7］ 陳無畏，王志君，范迪彬.汽車半主動懸架的神經網絡自適應控制［J］.汽車工程，1998，20（1）：31－36.

［8］ Park K，Kim J，Kim D.A study on the dynamic characteristics of the continuously variable shock absorber for semiactive damping control system［C］／／SAE 2005World Congress ＆ Exhibition，Detroit，MI，USA，2005：1711－1719.

［9］ 周立功.ARM嵌入式系統基礎教程［M］.北京：北京航空航天大學出版社，2005：201－267.

［10］ Karnopp D，Crosby M J，Harwood R A.Vibration control using semi－active force generator［J］.ASME Journal of Engineering of Industry，1974：619－626.

［11］ 陳杰平.基于 MATLAB／SIMULINK的隨機路面建模與不平度仿真［J］.農業機械學報，2010，40（3）：11－15.

［12］ GB／T 4970－1996，汽車平順性隨機輸入行駛試驗方法［S］.

［13］ GB／T 5902－86，汽車平順性脈輸入行駛試驗方法［S］.

［14］ Crolla D，喻 凡.車輛動力學及其控制［M］.北京：人民交通出版社，2004：57－98.

［15］ 余 志 生.汽 車 理 論 ［M］.北 京：機 械 工 業 出 版 社，2000：80－96.