电机驱动汽车悬架的主动控制与能耗性分析

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作者：

闫帅

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摘要：

汽车悬架系统是影响汽车性能的重要组成部分之一,传统的被动悬架已不能满足人们对乘坐舒适性的需要,主动悬架系统由于采用了执行器和控制算法,能在很大程度上改善乘坐舒适性,但同时也存在着功耗大、结构复杂、可靠性低的问题,极大地限制了主动悬架在实际生产中的应用。本文对电机驱动的汽车悬架系统主动控制进行研究,并从节能角度出发对主动悬架能否实现自供能进行分析,设计在提供较好乘坐舒适性的同时尽可能地减少能量消耗的主动悬架系统。论文的主要内容概括如下:本文首先从节能的角度出发,提出了电机驱动主动悬架系统的自供能准则和能量回收实施方案。以直线直流电机作为主动悬架的执行器,分析电机工作电路中的能量流动,基于电机和电源不同的能量转换组合情况,将电机的工作区域分为3部分,当电机处于其中的一个工作区域时,可以实现对路面振动能量的回收。在电机工作回路能量转换分析的基础上,提出了判别主动悬架能否实现自供能的准则,并给出了电机参数条件,该条件能够在自供能主动悬架选择电机时提供参考。为了使满足自供能准则的主动悬架在实际系统物理条件下实现节能的目标,提出了详细的能量回收实施方案。在能量回收实施方案中,针对不同电机与电源的工作状态分别设计了对应的工作电路,通过在不同的工作电路之间进行切换,可以实现电机对路面振动能量的回收,并将储存的能量供给电机使用。汽车悬架系统的主动控制是多目标控制问题,把乘坐舒适性视为优化目标,其他性能指标视为时域约束,控制在一定的要求范围内。为了处理优化目标与时域约束之间的冲突,采用带有约束的H∞控制方法,通过求解线性矩阵不等式得到状态反馈控制器增益。在给定了悬架系统与执行电机具体参数后,利用自供能条件判断出设计的主动悬架系统可以实现自供能,并验证其同时满足电机参数条件。将能量回收实施方案应用到此主动悬架系统中,得到自供能主动悬架,在改善乘坐舒适性并满足时域约束的同时,实现了节能的目标。考虑实际悬架系统中存在参数不确定性,提出了带有约束的自适应反步控制器。控制的首要目标为提高乘坐舒适性,即有效地镇定车身竖直方向上的运动,同时要保证悬架机械结构限制约束得到满足。在处理悬架的机械结构约束时,通过设计一个特殊的非线性滤波器,将主要控制目标与时域约束整合为一个新的被控制量。应用障碍李雅普诺夫函数进行稳定性分析,使定义的被控制量收敛到0,同时保持在允许的范围内,即代表车身竖直方向上运动被镇定,同时悬架动行程限制不被违反。将设计的控制算法应用到主动悬架测试台中验证控制器效果,并对应用该控制器的主动悬架测试台进行能量消耗计算,分析该主动悬架的能量回收潜力。自供能准则与能量回收实施方案从设计馈能工作电路的角度出发设计自供能悬架,本文在最后以改进控制算法的思想设计了能量最优自供能悬架实现方案。将执行电机与能够进行能量收集与供给的储能装置连接,设计控制器时,采用最优控制中的线性二次型状态反馈控制器,性能指标综合了悬架性能与控制力大小,并考虑执行电机输出力与储能装置能量值的约束。当储能装置中存储的能量值达到饱和或能量值下降到最小值无法正常为电机供电时,能量最优控制算法将更新能量管理项这一权值,从而改变控制力的大小,使储能值处于给定的范围内。若能量管理项也超出其取值范围,则断开电机与储能装置的连接,以被动悬架的形式工作。为简化控制算法,给出了控制器的次优解与自供能实现方案的次优形式,并针对次优方案进行悬架性能仿真。仿真结果说明设计的自供能悬架明显提高了乘坐舒适性,各类约束得到满足,储能装置的能量值在允许的范围内变化,实现了节能。

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关键词：

主动悬架系统；时域约束；自供能悬架；H_∞控制；自适应控制；反步控制

学位级别：

硕士

DOI：

CNKI:CDMD:2.1017.863918