半主動懸架系統(tǒng)的案例
電動賽車半主動懸架系統(tǒng)仿真及實現(xiàn)
半主動懸架是一種可控懸架，可以不改變懸架剛度而只改變懸架阻尼來實現(xiàn)對懸架性能的調(diào)節(jié)，結(jié)構(gòu)相對簡單，成本低廉，性能優(yōu)良，有廣泛的應(yīng)用前景。解雅雯利用電磁閥改變節(jié)流閥的流通截面面積的大小，進而控制節(jié)流閥進出油液量，以把減振器阻尼進行多級分段調(diào)節(jié)。趙強等引入慣容器替代中間質(zhì)量實現(xiàn)雙磁流變阻尼器的雙層半主動隔振，建立系統(tǒng)動力學(xué)模型，設(shè)計基于模型的控制方法，采用具有全局收斂性能的自由搜索算法進行結(jié)構(gòu)參數(shù)和控制器參數(shù)的聯(lián)合優(yōu)化，并建立數(shù)值模型及用復(fù)合激勵對優(yōu)化所得方案進行測試和驗證。相對于傳統(tǒng)懸架系統(tǒng)，電動賽車的半主動懸架系統(tǒng)可以對車身行駛穩(wěn)定性加強，可以使電動賽車車身的振動被控制在某個范圍之內(nèi)，大大提高電動賽車在行駛過程中的平順性，從而在比賽中取得更好成績。
本文建立電動賽車二自由度的半主動懸架模型和綜合性能目標函數(shù)，輸入?yún)?shù)，獲得懸掛質(zhì)量垂直振動加速度、懸架動行程、輪胎動變形的輸出，建立MATLAB/Simulink仿真模型，通過路面激勵輸入進行仿真，對懸掛質(zhì)量垂直振動加速度、懸架動行程、輪胎動變形仿真結(jié)果與被動控制進行對比。
1 二自由度半主動懸架模型的建立
1.1 二自由度懸架動力學(xué)模型
1/4車輛模型經(jīng)常用于懸架系統(tǒng)的分析和設(shè)計。傳統(tǒng)被動懸架可以簡化為具有彈簧和阻尼器的雙質(zhì)量二自由度振動系統(tǒng)，如圖1a所示。在電動賽車的半主動懸架模型中保留了彈簧，用以支撐靜載懸掛質(zhì)量，阻尼器由一個力發(fā)生器u代替，如圖1b所示。
展開 汽車的半主動懸架你知道嗎？
懸架是汽車的車架與車橋或車輪之間的一切傳力連接裝置的總稱，懸架的主要作用是傳遞作用在車輪和車身之間的一切力和力矩，比如支撐力、制動力和驅(qū)動力等，并且緩和由不平路面?zhèn)鹘o車身的沖擊載荷、衰減由此引起的振動、保證乘員的舒適性、減小貨物和車輛本身的動載荷。典型的汽車懸架結(jié)構(gòu)由彈性元件、減震器以及導(dǎo)向機構(gòu)等組成，這三部分分別起緩沖、減振和力的傳遞作用。
下表對比了不同可控懸架的特性調(diào)節(jié)范圍、控制帶寬及功耗三方面的性能。從車輛動力學(xué)控制角度來看，不同的可控懸架系統(tǒng)的功能簡述為：
1) 車身高度調(diào)節(jié)系統(tǒng)，僅用于調(diào)節(jié)車身高度，使其不隨靜載變化而變化；
2) 阻尼自適應(yīng)懸架和慢主動懸架，適用于改善車身動力學(xué)性能（頻帶1-5 Hz），但不能改善車輪動力學(xué)性能（頻帶10 Hz左右）；
3) 半主動懸架和全主動懸架，響應(yīng)迅速，適用于改善車身和車輪動力學(xué)性能；全主動懸架具有主動作動的能力，故能取得最好的綜合性能，但這需要極大的功耗，且控制不當(dāng)容易引起系統(tǒng)失穩(wěn)；而半主動懸架由于被動約束，在各種條件下均是穩(wěn)定的，且能實現(xiàn)較好的綜合性能。
上世紀七十年代，Crosby和Karnopp等提出了半主動懸架（Semi-Active Suspension, SAS），僅通過調(diào)整減振器的阻尼來提高車輛不同工況下的平順性和操縱穩(wěn)定性。該懸架形式結(jié)構(gòu)簡單、響應(yīng)快，相對于主動懸架能耗和成本低。目前常見的半主動懸架常采用阻尼連續(xù)可調(diào)的減振器（如電/磁流變減振器、閥控阻尼可調(diào)減振器），在量產(chǎn)車型上得到了廣泛應(yīng)用，如Audi TT、Buick LaCrosse、Cadillac全系車型、Range Rover等。實際使用中，還常將阻尼可調(diào)減振器與車身高度調(diào)節(jié)系統(tǒng)結(jié)合，使半主動懸架適應(yīng)更復(fù)雜的汽車行駛工況，例如奧迪A8、奔馳S600、寶馬7系等車型使用的CDC空氣懸架。
展開 底盤電控系統(tǒng)-CDC半主動懸架
本文主要介紹某供應(yīng)商的CDC系統(tǒng)。
系統(tǒng)架構(gòu)
系統(tǒng)由四個位移傳感器，三個加速度傳感器，電控單元(ECU)和四個CDC減振器組成。如圖1所示。位移傳感器測量每個車輪與車身的相對位移，前軸兩個加速度傳感器和后軸一個加速度傳感器測量車身垂直加速度。這些信號和CAN總線信號(比如車速、方向盤轉(zhuǎn)角、縱向加速度、側(cè)向加速度等)輸入給ECU，ECU控制軟件根據(jù)控制策略輸出控制電流給減振器以調(diào)節(jié)阻尼力。
圖1 系統(tǒng)架構(gòu)
CDC減振器的阻尼力由基礎(chǔ)閥系和電磁閥產(chǎn)生的阻尼力疊加而成。如圖2所示。
圖2 CDC減振器阻尼力
控制策略
在實際駕駛工況中，CDC半主動系統(tǒng)需要處理多種情景。如圖3所示，包括車輛狀態(tài)，路面輸入和駕駛員輸入。本節(jié)主要介紹路面輸入的控制策略，如圖4所示。
圖3 車輛駕駛場景
圖4 車輛駕駛場景簡化
CDC控制策略的主要目標是保證車輛安全和舒適性，也就是保證輪胎接地、提升車身控制以及最大化舒適性。如圖5所示。而通常輪胎接地和舒適性對于阻尼力的需求是相互矛盾的，如圖6所示。
圖5 車輛性能目標
圖6 阻尼力平衡
為了達到車輛的性能目標，CDC軟件的控制策略由圖7所示的功能模塊組成。
圖7 控制策略功能模塊
為了保證輪胎接地從而保證安全性，需要基礎(chǔ)阻尼力?！癇ase Current”模塊的功能就是根據(jù)車輛的速度提供基礎(chǔ)阻尼力。
為了防止車輪跳動，“Anti Wheel Hop”的功能就是根據(jù)車輪跳動的情況，在一段時間內(nèi)增加控制電流從而增加阻尼力來控制車輪。如圖8所示。
圖8 防止車輪跳動模塊
在保證車輛安全性之后，控制策略主要提升車身控制。
展開 基于Adams的磁流變阻尼器虛擬樣機仿真研究
用有限元方法研究半主動座椅懸架系統(tǒng) 的振動磁流變液阻尼器
汽車設(shè)計當(dāng)中，座椅在確保乘客舒適性方面發(fā)揮著重要作用，特別是在長途駕駛時。如今大多數(shù)制造商更多關(guān)注座椅的靜態(tài)舒適性，而對動態(tài)舒適性關(guān)注有限。韋洛爾大學(xué)的這個學(xué)生項目幫助我們進一步了解動態(tài)舒適性的重要性。
利用Adams仿真工具，學(xué)生們設(shè)計了一個模型，用PID控制 器和新設(shè)計的磁流變液阻尼器來考察半主動座椅懸架系統(tǒng)的性能。
該軟件幫助學(xué)生們在物理模型和測試之前，利用虛擬模型和虛擬測試技術(shù)，實時、經(jīng)濟地對他們的模型進行測試。
挑戰(zhàn)
韋洛爾理工學(xué)院成立于1984年，是印度首屈一指的教育機構(gòu)。 VIT有數(shù)量眾多的青年學(xué)生投身于研究與工程領(lǐng)域，并且提供 廣泛的課程。來自機械與建筑科學(xué)學(xué)院（SMBS）的學(xué)生正在 研究一個應(yīng)用程序，該應(yīng)用程序使用磁流變（MR）阻尼器控 制半主動座椅懸架系統(tǒng)振動。該項目采用PID控制器和新設(shè)計的磁流變液阻尼器對座椅半主動懸架系統(tǒng)進行性能分析。
汽車懸架可分為三類，即被動、主動和半主動懸架系統(tǒng)。該項目小組旨在建立一個半主動座椅懸架，能在保持高頻的高性能外，減少低頻率上的振動傳遞。因此半主動系統(tǒng)采用了如磁流 變（MR）和電流變（ER）等流體。這些流體中懸浮著微米大小的鐵顆粒。當(dāng)電壓施加到流體上時，鐵顆粒在外部磁場中對齊，并改變流體的剛度。事實上，建造和測試座椅懸架系統(tǒng)的物理實驗是極其麻煩和昂貴的。如何建立座椅懸架系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型是一項挑戰(zhàn)。
圖： 座椅懸架整體模型
方案
該項目小組旨在通過使用仿真模擬來解決這個問題。學(xué)生們使用MSC軟件的Adams多體動力學(xué)仿真解決方案來探索、構(gòu)建和測試虛擬設(shè)計。該項目采用圖形化編程環(huán)境和控制方程在Adams軟件中對數(shù)學(xué)模型進行了仿真。
韋洛爾理工學(xué)院成立于1984年，是印度首屈一指的教育機構(gòu)。
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Ansys機電系統(tǒng)行業(yè)方案概述
我們?nèi)粘Ｉ钪惺褂玫闹悄芟匆聶C、空調(diào)及全自動照相機，都是典型的機電一體化產(chǎn)品；在機械制造領(lǐng)域中廣泛使用的各種數(shù)控機床、工業(yè)機器人，也是典型的機電一體化產(chǎn)品；而汽車領(lǐng)域更是機電一體化技術(shù)成功應(yīng)用的典范，目前汽車上已成功應(yīng)用和正在開發(fā)的機電一體化系統(tǒng)達數(shù)十種之多，其中有發(fā)動機電子控制系統(tǒng)、汽車防抱死制動系統(tǒng)、全主動和半主動懸架系統(tǒng)等在汽車上的應(yīng)用。
機電一體化是在傳統(tǒng)技術(shù)的基礎(chǔ)上由多種技術(shù)學(xué)科相互交叉、滲透而形成的一門綜合性學(xué)科，所涉及的技術(shù)領(lǐng)域非常廣泛：機械技術(shù)、檢測傳感、信息處理、自動控制、伺服驅(qū)動、電子技術(shù)等。
電驅(qū)動系統(tǒng)核心組成
機電一體化系統(tǒng)與控制設(shè)計
機電產(chǎn)品復(fù)雜性大，涉及多物理域、軟硬件集成。
除了仿真模型的要求，實際產(chǎn)品還會面臨開發(fā)成本（原型樣機的測試成本高昂，樣機出來前能否進行性能預(yù)測）、能否減少樣機測試次數(shù)、可靠性（發(fā)生故障時系統(tǒng)如何響應(yīng)）、安全和電磁兼容性（EMC）認證等研發(fā)工程師需要考慮的問題。
所以，理想的機電系統(tǒng)仿真應(yīng)該包含實際物理模型，并且可以將軟件代碼與硬件結(jié)構(gòu)結(jié)合、進行這種多學(xué)科的仿真。
Ansys解決方案支持多種“多學(xué)科”集成方式
在Ansys解決方案中，系統(tǒng)仿真支持多種多學(xué)科的集成方式，Ansys Twin Builder軟件作為系統(tǒng)仿真集成的平臺，可以通過多種方式將多學(xué)科的物理模型集成到系統(tǒng)仿真平臺中。
展開 案例 | 沃爾沃汽車公司使用Adams進行耐久性道路載荷仿真的新方法
此外，在設(shè)計階段前期沒有測試數(shù)據(jù)的情況下，使用仿真載荷，進行系統(tǒng)級和零部件級的臺架試驗。
為了實現(xiàn)滿足各種道路條件下車輛動力學(xué)性能要求的車輛設(shè)計，現(xiàn)代的底盤系統(tǒng)具有越來越多的主動/半主動控制元件。在主動底盤系統(tǒng)中，懸架使用車載控制系統(tǒng)控制車輪相對于車身的垂向運動，這與被動懸架不同，后者的運動完全由路面和固定的懸架參數(shù)決定。半主動懸架系統(tǒng)是折中的情況，可以通過實時控制從系統(tǒng)中去除能量。
（半）主動控制車輛系統(tǒng)的CAE方法必須包含控制器和物理系統(tǒng)的聯(lián)合仿真。由于計算出的道路載荷受控制系統(tǒng)的影響，因此聯(lián)合仿真對于準確獲取載荷十分重要。
本研究中模擬的車輛系統(tǒng)包含半主動減振器。相關(guān)的控制方案如圖1所示。在模擬控制系統(tǒng)中，輸入的是車輛參數(shù)，例如加速度、懸架高度、速度等，輸出為電流。然后將此電流反饋到Adams的減振器UDE，與阻尼器速度一起計算阻尼力。
圖1 : 半主動減振器控制系統(tǒng)架構(gòu)
沃爾沃利用高度自動化的流程來進行仿真作業(yè)?；贓xcel的設(shè)置用于準備仿真作業(yè)、在遠程集群上執(zhí)行并對結(jié)果進行后處理。過程涉及一個基于Excel的界面，用于Adams的批量處理。這個腳本化的批量處理過程用于運行多個不同事件和聯(lián)合仿真。在Adams中，存在幾種連接軟件的方法，Adams支持FMI標準，能夠?qū)雽?dǎo)出FMU并進行聯(lián)合仿真。
此外，Adams支持使用植入文件在FMI框架之外進行聯(lián)合仿真。Adans與Matlab聯(lián)合仿真過程中，可以將Adams作為植入模型，這種方法需要Adams Control模塊，生成.m文件和.acf文件。求解器通過存儲通道或TCP/IP接收并執(zhí)行命令，來運行仿真并傳達車輛狀態(tài)。
此工作流程存在一些限制，即使是開放標準（例如FMI）也無法解決。
展開 汽車主動懸架技術(shù)的研究現(xiàn)狀
提出了一種電磁懸架系統(tǒng)．通過多種不同結(jié)構(gòu)配置的優(yōu)化分析與計算．表明了此無刷永磁圓筒型直線作動器是適用于主動懸架系統(tǒng)，如圖7(a)所示。其中圖7(a)左半部分為傳統(tǒng)的被動懸架系統(tǒng)，圖7(a)右半部分為文中所提出的電磁主動懸架系統(tǒng)。采用此拓撲結(jié)構(gòu)的原因是：圓筒型結(jié)構(gòu)的效率高且具有優(yōu)良的伺服特性，另外由機械彈簧支撐簧上質(zhì)量，不再需要持續(xù)的能量供給。此懸架系統(tǒng)的主要優(yōu)點是同時考慮到路面干擾及主動側(cè)傾和俯仰控制的影響。圖7(b)為1／4車模型的試驗測試圖，該結(jié)構(gòu)包括一個單獨的質(zhì)量塊重450kg，忽略了車輪的動力學(xué)．同時還包含BMW545i的被動懸架以及所研制的三相無刷永磁圓筒型電磁作動器。采用前饋和PID反饋控制策略來確保作動力的良好跟蹤，試驗表明所研制的電磁作動器能完整地跟蹤被動懸架系統(tǒng)的阻尼力。
用電磁主動懸架系統(tǒng)可消除車身的俯仰和側(cè)傾，仿真分析表明，與被動懸架系統(tǒng)相比，電磁主動懸架系統(tǒng)的車身側(cè)傾角可減小94.4％。同樣利用管型永磁直線電機來充當(dāng)主動懸架系統(tǒng)的作動器，通過線性最優(yōu)控制理論與Kalman濾波器設(shè)計．并結(jié)合模糊控制方法，對1／4車主動懸架系統(tǒng)進行了研究。與被動懸架系統(tǒng)相比，文中提出的模糊控制方法可衰減路面擾動的78％。文中所采用的永磁直線電機的結(jié)構(gòu)和試驗臺布置如圖8所示。此試驗裝置中路面的模擬依然采用電動輪的方式來實現(xiàn)。
一種感應(yīng)式直線電磁作動器，并建立了作動器的動力學(xué)模型，結(jié)合最優(yōu)控制理論和矢量控制方法．對包含作動器動力學(xué)模型的車輛主動懸架系統(tǒng)進行了正弦路面激勵下的仿真分析。
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