电动汽车悬架系统主动控制策略分析

黄立君 高志刚

(1.江西科技学院智能工程学院，江西南昌 330098；2.华教教育科技(江西)有限公司，江西赣州 341001)

0 前言

近年来，随着社会发展与科技进步，我国汽车领域出现了诸多变化，虽然这种变化促进了汽车领域的发展，但随之也引发了诸多新问题。目前，汽车的悬架系统已无法满足用户的不同需求。尤其是电动汽车，对于悬架系统的要求更加严格。为了从根本上解决这一问题，技术人员应当在设计悬架系统时，积极研究悬架系统的主要控制策略，为电动汽车的稳定行驶提供保障[1]。

1 电动汽车悬架系统的综合概述

1.1 电动汽车悬架系统的概念

电动汽车悬架系统一般包括内部弹性元件、减振器和悬架力传递装置等3个部件。这3个部件是用来缓冲、阻尼和感应力垂直传递控制，为电动汽车行驶提供安全保障。该系统属于新型的微机控制系统，其汇集了机械和电子等多种技术，是相对复杂和高科技的设备。某公司研发的电动汽车悬架系统均为微电脑控制，主要用于控制包括前轮踏板制动压力、油门踏板运动速度、垂直方向和振幅频率、方向盘角度、转向速度等数据。该系统通过微电脑不断接受电动汽车行驶过程中产生的数据，并将行驶数据与标准数据进行比较，以选择合适的悬挂系统状态。同时，通过电动汽车悬架系统还能针对汽车车轮在行驶过程中由缓冲器形成的实际变化进行平衡，确保电动汽车的车轮部位能够根据驾驶人员的操作进行调整[1]。

1.2 电动汽车悬架系统的功能

当电动汽车在不同高速路面上行驶时，其车轮的转向受到随机动力激励，高速悬架驱动装置直接实现了负载车体和电动车轮之间的横向弹性力和支承，有效地抑制并降低了负载车体与电动汽车车轮的重力动载和转向振动,从而保证了电动汽车在高速行驶过程中转向的平顺性和操纵的稳定性,同时达到了提高汽车行驶平均转向速度的主要目的。在确定车身结构类型时，电动汽车在整个高速行驶过程中，螺旋弹簧运动刚度和液压减振器固定阻尼力等系数，不能被直接控制或人工改变。高速悬架弹簧具有固定刚度和固定阻尼力系数的功能，也可被称为“高速被动悬架”。这种被动悬架直接产生的弹性和阻尼力是由自然条件决定的，如道路和车辆速度。高速被动悬架由于材料加工方便、制造成本低，仍被认为是电动汽车的领先技术装备和产品[2]。

1.3 电动汽车悬架系统的分类

电动汽车悬架系统主要可以分为以下2种类型。

(1)独立悬架。独立悬架可以分为2个部分，每个车轮的独立螺旋弹簧直接安装在车辆的底盘位置。当一侧的车轮发生振动时，另一侧的车轮基本不会受到振动影响，这样减少了汽车的横向振动，车辆的舒适性会有很大程度上的提升。特别是在高速道路行驶时，这种悬挂系统可以提高电动汽车的速度和稳定性。但是，独立悬架车架构造比较复杂，其承载力较小，导致电动汽车的车轮驱动控制系统、转向控制系统的结构变得更加复杂。目前，大多数电动汽车的前后车轮悬架都已经采用了独立的整体悬架系统形式，并已成为发展趋势[3]。

(2)非独立悬架。将非独立悬架安装在独立悬架轴的左侧，当车轮侧发生跳动时,可能会影响到另一侧的车轮，导致车辆整体发生振动或水平倾斜。虽然采用非独立悬架控制系统的电动汽车的平顺性和舒适性普遍较差，但由于该悬架系统结构简单，承载力大，多被应用于轻型载重汽车、普通长途客车和其他一些特种用途车辆上[4]。

2 电动汽车悬架系统的发展现状

随着电动汽车的快速发展，其噪声-振动-平顺性(NVH)性能已成为社会大众的关注焦点。悬架系统作为提高NVH性能的关键部件，已成为电动汽车发展的研究重点。目前，配备新型集中式双发电机齿轮传动系统的电动汽车一般采用成本较低的被动悬架桥式控制系统。电动汽车悬架系统可分为基本独立被动悬架和非基本被动悬架，其性能与传统汽车悬架没有区别。当电动汽车选择内轮毂电机时，其设计不同于传统汽车悬架，主要采用独立悬架。这是因为现有悬架结构是被动悬架系统，其性能不足以提高轮毂电动汽车的平顺性和操纵稳定性。鉴于可控悬架的动态自适应调节性能，电动汽车需要采用与其相适应的主动悬架系统或半主动悬架系统。基于电动汽车具有集成和智能控制系统的特点，主动悬架系统更符合未来智能电动汽车的发展理念。目前，研究人员对内轮毂电机驱动电动汽车横向运动控制方面的研究较多[5]。

3 电动汽车悬架系统的主要控制策略

3.1 智能模糊控制策略

智能模糊控制策略是指在主动悬架系统的设计中应用模糊控制和神经网络模糊控制。智能模糊控制策略可以有效帮助车辆在特定使用环境下解决各种车辆控制问题。采用定性描述的控制方法可以设计多类型目标悬架，并可以进行自动识别控制和功能处理。同时，模糊控制方法还具有深度学习控制的功能，如该控制方法可以自动仿真调整并控制输入和输出变量的动态组合，定义从属控制函数的参数和模糊控制规则参数的个数。计算机自动仿真结果表明，该控制方法比其他常规控制方法更为有效。模糊神经网络控制是由大量数据处理单元组合而成的高度独立的并行非线性动态系统，其技术特点主要是基于数据融合、学习适应性和高度并行的分步式数据处理。因此，车辆主动悬架的实时振动优化控制具有广泛的应用前景。该控制方法已成功应用于车辆主动悬架系统动态控制补偿模糊控制器的系统设计。研究结果表明，该控制器的控制性能优于传统的低延迟排队(LLQ)振动控制器模糊控制方法。一些研究人员将模糊神经网络、模糊控制和实时车辆振动优化控制算法相结合，验证了非线性处理系统和模糊参数的时变性[6]。

3.2 仿真控制策略

电动汽车悬架系统控制策略仿真在MATLAB软件环境下完成，并通过添加小型车辆仿真测试平台，如ADAMS平台或DADS平台，对控制系统进行仿真。车辆仿真测试平台完全集成了所有的控制传感器处理和控制滤波，但仿真控制处理系统必须建立在与车辆仿真平台相同的控制处理基础上。随着试验时间的推移，这种方法可以极大提高仿真试验的精度，扩展不同规格的有用产品设计和制造过程的仿真试验结果。该仿真方法还可以跟踪车辆功率与驱动能量之间的流动，根据认知之间的关系，充分平衡产品设计和使用过程中各部件的性能特性和实际功耗。电动汽车悬架系统控制目标的早期成功实施将直接影响到整车的功耗。主动空气悬架控制系统多采用被动悬架减振器。在最近的高机动性多用途轮式车辆(HMMWV)主动空气悬架系统设计概念中，主动空气悬架系统已经通过了耐久性测试的验证[7]。

3.3 反馈控制策略

自动反馈控制系统可实现各个执行处理机构之间的实时连续自动调节,对整个控制悬架系统的运行稳定性、精确性和实时反应速度等要求相对较高，需要实时测量的控制信息和处理计算数据量较大。线性最优控制系统是基于理想控制模型设计的控制系统，如果通过悬架设置的噪声特性是相对线性的，路面不平度特征符合正态噪声分布，在调整最优白噪声粗糙度的关键条件下，功率型谱可以很容易地实现系统的动态稳定性。研究人员可以通过随机加权后的二次控制性能系统的状态变量，保证响应和反馈控制方法的输入控制性能指标。随机最优噪声预测反馈控制方法是利用系统噪声，通过汽车内置前轮或传感器模块来预测路面噪声干扰信号的输入变量，然后将测量后的状态变量反馈到车辆前后轮驱动控制器，以实现最优控制。该技术方法特别适用于大型轨道交通车辆的主动悬架系统。

3.4 自适应控制策略

自适应控制策略通常应用于车辆在正常驾驶控制过程中发生电路干扰，或具有统计变量特性干扰时的场景，即输入信号会对当前车辆行驶状态产生干扰。自适应控制系统根据系统电路中电流输入的相关控制信息，从预计算和预存储的控制参数中随机选择最合适的参考控制参数。控制设计的关键参数应能准确、可靠地反映电流输入信号的变化。主动自适应控制方法可以充分考虑系统所有控制参数对车辆悬架系统时间变异性的影响；具有系统参数自动识别控制功能，能自动适应车辆悬架运动中负载运动特性的变化和控制部件的变化；自动准确调整悬架参数，保持最佳的系统性能指标。目前，应用于主动悬架自适应控制系统的方法可分为模型带开环增益矢量调度自动化控制、模型参考自适应校正主动控制和校准参考自适应控制。 模型带开环增益矢量调度自动化控制系统属于主动自适应控制模型，通过自动监测车辆运行状态参数自动改变辅助控制器系统参数；模型参考自适应校正主动控制系统用于主动控制，通过自动跟踪预先设计的系统定义参考模型，参考前馈和辅助开环参数对控制系统的主动自适应控制规则，利用非线性和时变参数对主动悬架控制系统实现最优控制；校准参考自适应控制系统是将被控对象系统的参数通过自动在线精确估计与辅助控制器系统相位随机组合，形成自动精确标定参数的控制系统。对整个微机自动控制系统进行自动离散实时监测，是目前实际应用最广泛的主动自适应控制系统。目前，自适应控制系统在大众汽车新底盘上已得到了广泛的应用[8]。

4 结语

随着汽车行业的持续发展，被动悬架系统的性能表现会严重限制车辆性能的提高。因此，现代车辆悬架不仅要保证其基本性能，更要注重提高汽车的安全性和舒适性。随着高性能电子技术和传感器技术的迅速发展，电子设备的性能和可靠性得到了进一步提升。通过应用电子控制系统，可以实现电动汽车对悬架系统的有效控制，满足用户对车辆驾驶平顺性的更高要求，并可有效提高车辆的操控稳定性。