车辆智能悬挂发展现状与研究思路探讨

2012-04-01汪国胜马国新王东亮龙振新

车辆与动力技术 2012年3期

关键词：半主动越野电磁

汪国胜，马国新，王东亮，龙振新

(中国北方车辆研究所，北京100072)

1 智能悬挂定义、分类与相关技术

智能悬挂是能根据路况、车速及载重情况实时自动改变车辆悬挂参数，实现主动或半主动控制使车辆平顺性、操稳性等综合性能达到最佳的车辆悬挂.

从悬挂现有发展水平来看，智能悬挂按实现方案类别可分为液压主动悬挂、油气主动悬挂、阻尼调节式半主动悬挂、电磁主动及半主动悬挂等.

智能悬挂涉及的技术有:机构方案、控制技术及算法、路面预瞄技术.如果悬挂具有能量回馈功能，其还包括能量回收技术.

2 智能悬挂特点及发展现状

2.1 液压主动悬挂

由于液压主动悬挂分为全主动悬挂与慢主动悬挂，2种悬挂均需要作动器产生作用于悬挂弹簧与簧载质量之间的作用力，来消除振动.全主动悬挂需要消耗大量的发动机输出功率，庞大的作动器、复杂的液压管路使得全主动液压主动悬挂系统的造价、可靠性和布置空间等均成为问题，另外，其响应较慢，控制精度与效果达不到理想的要求;对于有限带宽的慢主动悬挂与全主动悬挂相比，由于其能回收部分能量，其主动控制所需的外部能源功率较小，但作动器的带宽变小，这种悬挂只在8 Hz以下频带有较好的控制效果[1-2]，系统结构相对也较复杂，成本也较高，维护保养困难，但性能改善有限.总之，液压全主动悬挂难以突破的能量供应瓶颈技术和以及慢主动悬挂较差的性价比阻碍了液压主动悬挂技术的工程化实现，这也是许多国家和研究单位从事了多年液压主动悬挂研究而难以付诸工程化应用的主要原因.

2.2 油气主动悬挂

油气主动悬挂具有重量轻、体积小、储能比大与变刚性系数等优良特性，且能实现车高及姿态调节、悬挂刚性闭锁而在乘用车与工程机械等民用领域得到广泛应用，但是由于其工作介质是液压油与隋性气体，其密封性还难以满足具有高可靠性要求的军用车辆尤其是中、重型军用车辆要求，且维修保养不便[2-5].

2.3 阻尼调节式半主动悬挂

阻尼可调式半主动悬挂按实现方式主要分为3种，即传统的液压阻尼调节式半主动悬挂、电流变和磁流变的半主动悬挂.

液压阻尼调节式半主动悬挂按控制方式分为连续调节式、开关式与多级调节式[6]，其主要是通过改变阻尼孔截面积来实现阻尼力的调节的.其已在某些小吨位的民用车辆上成功应用.但应用于具有越野行驶要求的车辆时，随着耗散功率的增加，减振液粘度特性随温度升高而发生较大变化，并引起泄露，使悬挂可靠性降低.

基于电(磁)流变流体的半主动悬挂跟液压阻尼可调式半主动悬挂原理一样，都是通过改变悬挂阻尼来实现阻尼力的调节，只是其通过电场或磁场来实现调节的，其调节速度更快，更便于快速地连续阻尼调节[7-8]，所以其更适用于对平顺性要求更高的越野车辆.但电流(磁流)变液在使用及储存过程中会发生化学分解或固体颗粒沉淀现象，导致阻尼器稳定性不好，且成本偏高，限制了其在民用领域的发展.在将来一段时间内，研究性能稳定价格尚可的电(磁)流变用材料是电(磁)流变半主动悬挂研究的主要内容.

此外，上述3种半主动悬挂由于只是调节阻尼，其主动减振的能力有限，所以对高速越野车辆的平顺性改善效果有限.

2.4 电磁悬挂

随着混合动力与全电车辆的兴起，为有效地降低车辆的排放并提高燃油经济性和车辆的续驶里程，电驱动、电能量回收及其控制技术逐渐成为研究的热点，也成为改善EV与HEV能量利用效率的有效方式.电磁悬挂不仅具备快速主动控制功能，而且其在半主动或被动工况下还具有能量回收功能，且不受温度等环境因素影响、无泄漏、主动控制响应快等优点，能克服液压主动悬挂、液压阻尼可调半主动以及电(磁)流变半主动悬挂的大多数弱点，并能有望实现悬挂主动/半主动控制、车高与姿态调节功能，还能实现能量回收，特别适合于对电能量需求较高的混合动力与纯电动车辆.电磁悬挂正逐渐成为各国汽车行业研究机构的研究热点[9-17].

从上世纪90年代开始，以美国德克萨斯大学机电中心(UT-CEM)为首的研究机构在美国相关单位的支持下，对电动悬挂进行了深入的研究，取得了大量的实用性研究成果:最为典型的是由德州大学于1997年提出高效的电磁主动悬挂系统(EMASS—Electro-Magnetic Active Suspension System).他提出一种快速高效的“近似恒力 (Near Constant Force)”控制算法，并且通过模拟和单轮试验台测试，结果证明了该算法能大大缩减车辆簧上质量.试验研究还显示:ECASS系统能够显著吸收冲击和振动能量，大幅减小车辆的相对运动和振动，从而显著提高可靠性，提高乘员的工作效率，车辆的装载能力、燃油经济性等均有显著提高.安装电控主动悬挂(ECASS)系统后的轮式车辆或履带式车辆，其越野速度可提高2～3倍，车辆的稳定性、越野行驶时的操控性能显著提高;与传统被动悬挂系统相比，ECASS主动悬挂系统具有无法比拟的性能优势，这也是美国和英国的相关车辆平台也正在考虑安装 ECASS 系统的主要原因[9-10，18].

在国内车辆行业，李云超等教授对电磁主动悬挂的技术进行了研究，对其中的一些参数进行了优化及仿真[17].喻凡等作者提出了采用永磁直流无刷力矩电机并结合滚珠丝杠机构作为馈能式电动主动悬架的执行器与复合蓄能(蓄电池加超级电容)的电能量回馈方案，并进行了仿真[11].龙振新等作者等利用电磁悬挂半主动控制技术与被动控制技术，制作了线性马达电磁作动器，并进行了台架试验[12-13];提出了以行星增速器与盘式电机电磁阻尼器为组合的被动与半主动电磁悬挂概念[14]，制作了样机并进行了台架试验，结果表明，依靠增速来提高电磁悬挂的阻尼力与能量回收效率的方案是可行的[15]，并在此基础上提出了基于半主动控制的电磁悬挂方案.就国内外电磁悬挂目前的发展水平来看，电磁悬挂还面临着体积较大、重量较重、功率较小的缺点，具备主动控制功能的电磁悬挂要装车使用还需要克服智能控制等关键技术.

2.5 车辆悬挂控制技术及算法发展现状与趋势

近几十年来，国内外对车辆悬挂主动/半主动控制进行了大量的研究，提出了最优控制、自适应控制、天棚阻尼控制、预瞄控制、鲁棒控制、模糊控制、神经网络等许多具体的控制方法，发表的相关文献较多.这些方法均有各自的优缺点和适应性[1]，仅用一种控制方法难以满足车辆尤其是越野车辆的多目标控制要求，为此，众多研究人员提出了具有上述2种或多种方法的复合控制算法.对于越野车辆悬挂，只有少数单位研制了具体的控制器并进行了装车试验[6，16，19]. 车辆悬挂控制技术发展到现在，尽管相关文献发表的研究成果喜人，但其相关技术还不是十分成熟，进入装车使用阶段少之又少，其原因主要表现在以下7个主要方面:

1)系统的强非线性.现有主动/半主动悬挂系统的绝大部分控制算法均依赖精确的悬挂线性模型，而悬挂系统在特定的情况下具有较强的非线性，这一点尤其表现在越野车辆上，如一些车辆悬挂的弹簧刚度非线性(油气弹簧与扭杆弹簧)、大多数车辆悬挂的阻尼非线性;对于重型车辆，其较长的车体在大振动与冲击时也表现有明显的柔性;其次有些非线性现在也没有好的方法进行建模和处理 (如悬挂撞击限制器).针对车辆悬挂系统特有非线性现象的控制及算法，一直没能很好解决[1].而运用简化的多刚体线性模型来对越野车辆进行建模与控制，必将带来较大的误差，甚至是颠覆性的.由于基于状态反馈的闭环控制能有效解决非线性带来的控制误差，其必将成为越野车辆智能悬挂控制中重要的技术手段.

2)控制输入的不精确性.从目前发表的悬挂控制相关文献来看，大多数控制所用的模型除用线性或分段线性简化模型外，其输入多数为随机路面输入，一些研究人员在随机路面上实现最优控制.而实际上，路面输入尤其是越野路面，其不平度是非各态历经的，其平稳性较差，在这样的输入下难以实现最优控制.显然，建立在随机路面输入的控制模型与控制算法效果不十分准确.

3)多目标控制的复杂性.车辆的平顺性、操稳性控制是民用车辆悬挂设计需考虑的2个重要方面，而对于军用车辆，还需要考虑对行进间的射击稳定性影响较大的车辆俯仰因素.一些研究人员在线性简化模型与随机路面输入的基础上，运用加权方法对这种多目标控制目的进行了最优控制研究.但是对于车辆在行进间平顺性、操稳性、射击性稳定性权系数设置方面的理论研究与试验研究较少，权系数设置的合理性待进一步试验验证，这对于在实际越野路面上行驶的车辆的悬挂多目标控制尤其重要.

4)汽车主动悬挂系统是个典型的多输入多输出(MIMO)的复杂系统，尤其对于多轮输入的越野车辆悬挂，对于复杂系统的控制，其重要问题之一是解耦控制和故障时的稳定性.如果MIMO系统的一个控制通道发生故障，使原来的闭环控制系统变成新的控制系统，很可能导致整个系统性能恶化或不稳定，目前这方面的问题也未解决[1].

5)主动悬挂系统与车辆底盘其他主动系统的联合控制.车辆各系统的总体性能与车辆各部分的控制功能密切相关，而且各功能子系统之间相互影响、相互制约.例如:车辆的姿态调节系统、履带张紧系统等均和主动悬挂联系紧密.有的部件甚至是重用的，如果各系统单独控制，则各个控制系统所得到的性能改善往往不如预料的好.如对整车系统加以联合控制，则可以使各控制功能之间加以协调.同时，联合控制还精简了系统配置，可以对车辆的状态信息及硬件进行共享，提高系统可靠性和降低系统成本[1].因而主动悬挂系统与车辆其他主动系统进行联合控制研究，更是未来重要的研究方向.

6)控制系统与控制算法的快速高效性.无论哪种主动悬挂，均需要快速、高效、可靠的控制算法，只有设计快速高效的控制系统才能获得主动悬挂的优越性能.从当前悬挂控制各方面的研究来看，多限于仿真，其仿真算法如果转成代码移植到控制计算机或控制器中去，其计算速度是影响控制器的响应速度的主要因素，其重要性与执行器的响应速度同等重要.因此，结合控制策略，研究一个快速、高效的控制算法是摆在智能悬挂走向成功应用的一个必经环节.

7)另外，控制系统的体积、重量、成本也是影响其进入实用阶段的重要因素.

国内车辆悬挂控制技术较国外落后许多，相关文献表明国内主动/半主动控制器还处于研制或试验研究阶段[6，16，19-22]. 由于越野车辆行驶的路面不平度较差，所以现有的基于简化的线性模型与基于随机路面输入的各类控制方法在越野车辆上的控制效果有待试验验证.

2.6 路面不平度预瞄技术发展现状与趋势

上面提到，基于路面预瞄的控制技术是实现智能悬挂精确控制的这一前提决定了路面预瞄必然成为车辆智能悬挂控制的技术环节.由于越野车辆行驶的路面不平度与各态历经性差，所以这时如果不对前方路面进行预瞄，采用前方路面的不平度信息作为控制系统的输入或激励，即使是采用最复杂的复合控制方法也难以满足越野车辆的平顺性与其它性能的控制需要.预瞄控制由于采用前方路面信息，对车辆进行主动或半主动控制，所以称得上是真正的智能悬挂.

从1969年Bender提出了基于路面不平度预测的主动悬挂控制以来[23]，路面不平度预测技术有了较大的发展，到目前为止，提出的路面预瞄方式主要有2种:一种是最先提出的前方路面预瞄;另一种就是轴距预瞄[24].然而由于上述模型非线性误差以及受控制算法复杂性影响的控制系统响应速度所影响，应用轴距预描的控制方式效果值得怀疑;理论分析与设计实践表明，超声波传递速度较慢，且线性度不佳，基于超声波的路面预瞄技术难以满足车辆智能悬挂控制的快速高效要求.而激光传播速度快、线性度好，激光测距将是实现路面预瞄的最佳手段.目前激光、红外的测距技术以及基于惯性、激光、光纤陀螺的陀螺技术已经非常成熟并在兵器技术中得到广泛应用，国内相关的高速的数字信号处理器(DSP)及电子器件已经系列化，成本也较低，这些都为今后主动/半主动等各类智能悬挂用路面不平度测量及快速的数据处理提供了强大的技术支持，路面预瞄将成为各类智能悬挂从研制到成功应用必经的技术环节.

2.7 能量回收技术

上述提到，单纯的全主动悬挂由于能量供应瓶颈难以实现，而在牺牲一些性能条件下采用的基于能量回馈的主动悬挂不但能获得较好的控制性能，还能大大降低车辆的能量要求[8，11，25].

当前基于液压与电能量的能量回收技术相当成熟，并分别在公交系统中及风能发电系统中成功应用，相关文献较多，技术成熟，本文不再贅述.

3 电磁混合悬挂的优势

由上分析可见，越野车辆在路面上高速行驶，必须要有一个能快速反应的主动悬挂来实现减振的要求，而具备高响应速度的电磁主动悬挂无疑是满足这种要求的最佳方案.但是单纯的悬挂主动控制需要消耗发动机输出的大量功率，这使得仅靠车用发动机提供的能量是难以满足悬挂主动控制能量需求的.

越野车辆在路面上高速行驶时行动系统要消耗发动机较多的功率 (履带车辆行动系统将消耗高达40%～50%的发动机功率)，如果能把这部分能量部分加以反馈利用，将能部分解决或全部解决主动悬挂控制使用能量的需求问题，解决的方式就是在越野车辆上装备具有电磁主动/半主动/被动控制功能的混合悬挂，使其能根据车辆振动情况实现自动智能控制，即在某些工况下使用全主动工况，在某些工况下使用半主动或被动馈能工况，则其就能在大大改善车辆的乘坐舒适性、操稳性能的同时，还能把振动能量部分加以回收利用，有效解决或克服电磁主动悬挂中的能量供应瓶颈问题，这必将大大降低车辆的燃油经济性，提高续驶里程，提高机动能力与战斗力.

随着车辆信息化的逐步提高，车辆电能需求量越来越大，传统的电源设计方案难以满足现代化车辆的电能使用要求，而这种具备主动/半主动/被动混合控制功能的电磁混合悬挂为解决这一难题提供了一个新的途径.随着混合动力、全电化车辆及机电复合传动技术在车辆领域的扩展，具备主动/半主动/被动控制功能的电磁混合悬挂将在振动幅度较高的越野车辆上有着较强的使用需求.所以说，电磁混合悬挂是越野车辆悬挂实现智能控制的首选方案，是智能悬挂的发展趋势.

4 电磁混合悬挂的研究思路

电磁混合悬挂在越野车辆上的应用还需要解决以下一些技术问题:

首先，由于悬挂控制模型的非线性与越野路面的不平度的非平稳性，所以采用基于路面预瞄控制的主动控制方法是越野车辆悬挂实现智能控制的最佳手段.只有实时采集前方随机路面信息作为控制模型的输入，通过可靠实时的智能控制，才能实现较好的平顺性、操稳性、车姿等综合性能的控制.然而，路面预瞄系统容易受到诸多因素干扰，所以设计一个高实时性、高可靠性的路面预瞄系统是所有车辆各类智能悬挂走向成功应用所面临的共同研究课题.

其次，从国内外电磁悬挂目前的发展水平来看，电磁悬挂还面临着体积较大、重量较重、功率较小、效率较低的缺点，电磁悬挂要想被成功应用，还必须克服现有机构方案所带来的在体积、重量、功率与效率所带来的不利.

再次，加强车辆底盘各主动控制系统的联合控制，是整车控制的理想境界，各系统联合控制可防止各单独控制间的相互干扰，满足车辆所有系统性能最优而不是单一性能最优，同时联合控制还可以共享和集成传感器、控制器，这样也可提高系统的可靠性，降低成本.这也是许多学者提出用多个控制方法联合控制的另一个重要原因.

5 结论

综上所述，基于路面预瞄的电磁混合悬挂将成为未来一段时间内车辆智能悬挂的发展趋势，电磁混合悬挂相关技术研究将成为车辆智能悬挂技术的研究主线，而路面不平度预瞄系统—电磁混合悬挂系统—复合控制方法与高效算法是车辆智能悬挂走向实用必须克服的3个技术，所以说“一线三技”是未来车辆智能悬挂的研究思路与发展趋势.

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