一种电磁悬架隔振与馈能的协调控制方法与流程

本发明属于电磁悬架技术领域，更准确地说是涉及一种电磁悬架隔振与馈能的协调控制方法，尤其适用于汽车电磁主动悬架系统中。

背景技术：

随着社会的发展以及科学技术的进步，人们对乘车的舒适性和安全稳定性的要求越来越高，作为现代汽车的重要组成部分，悬架系统的性能对汽车的行驶平顺性和操作稳定性等有着极其重要的影响。悬架按工作原理可分为被动悬架、半主动悬架和主动悬架。被动悬架主要有弹性元件和被动阻尼器组成，结构简单、性能可靠、无能耗，但是被动悬架的阻尼系数和刚度系数一旦确定便无法改变，难以适应复杂的多变性环境。多数半主动悬架是将被动悬架中的不变阻尼换成可变阻尼器，大大改善了悬架的性能。主动悬架采用有源或无源控件组成一个闭环控制系统，根据车辆系统的运行状态和外部输入的变化作出反应，主动地调整和产生所需的控制力，使悬架始终处于最佳减振状态，但耗能较多。

作为主动悬架的重要发展方向之一电磁主动悬架系统成为研究焦点。由于圆筒永磁直线电机无需中间传动机构，重量和体积也明显减少，且具有推力密度高、响应速度快、效率高、控制精度高等优点。因此，相比旋转电机，直线电机在电磁悬架中更具优势，已成为主动电磁悬架领域用电机系统的主要研究方向。申请号为201210054782.8的发明专利《电磁馈能型半主动悬架馈能阻尼实时控制装置及方法》、申请号为200410013577.2的发明专利《车辆悬架用能量回馈型电磁减振装置》尽管具有良好的馈电能力，但是由于电机处于不控状态，电机只能根据当前的速度以及流入储能单元的电流产生一定的阻尼力，该阻尼力不是可控的，不是期望的最佳阻尼力，因此隔振效果不佳。申请号为201410018159.6的发明专利《一种车辆悬架用馈电型电磁阻尼减振控制方法》根据电机的速度以及加速度确定电机输出阻尼力，满足了馈能效果，但隔振效果不理想。

技术实现要素：

针对电磁悬架隔振和馈能技术存在的上述技术问题，本发明提出一种电磁悬架隔振与馈能协调控制方法，不但具有理想的隔振效果还具有较好的馈能效果，能极大地降低电磁悬架的能耗、提高车辆行驶平顺性、操控稳定性。

一种电磁悬架隔振与馈能的协调控制方法，具体包括以下步骤：

步骤1，建立基于双定子不对称圆筒直线永磁容错游标电机的电磁悬架系统；

步骤2，使用速度传感器测量电磁悬架簧载质量垂直速度和双定子不对称圆筒直线永磁容错游标电机动子速度求出非簧载质量垂直速度

步骤3，建立该电磁悬架系统的数学模型；

其中，x_w是非簧载质量垂直位移，x_g是路面垂直位移，x_m是双定子不对称圆筒直线永磁容错游标电机动子位移，m_b是簧载质量，m_w是非簧载质量，F是双定子不对称圆筒直线永磁容错游标电机推力，k_s是悬架弹簧刚度，k_t是轮胎刚度；

步骤4，根据车辆驾乘舒适性和操纵稳定性的要求，设计目标性能函数

其中，c_s为簧载质量加速度加权系数；c_g为非簧载质量动位移加权系数；T是路况变化周期。采用拉格朗日原理求出c_s和c_g；

步骤5，根据“天棚”和“地棚”的思想，设计“天棚-地棚”复合控制策略，确定该圆筒直线电机的输出推力

步骤6，根据电磁悬架簧载质量垂直速度和双定子不对称圆筒直线永磁容错游标电机动子速度之间的关系实现电磁悬架隔振和馈能的协调控制；

当时，双定子不对称圆筒直线永磁容错游标电机工作于发电模式，双定子不对称圆筒直线永磁容错游标电机提供制动力；

当时，双定子不对称圆筒直线永磁容错游标电机工作于电动模式，双定子不对称圆筒直线永磁容错游标电机提供推力；

当时，双定子不对称圆筒直线永磁容错游标电机工作于自由模式，双定子不对称圆筒直线永磁容错游标电机不提供推力。

进一步，所述基于双定子不对称圆筒直线永磁容错游标电机的电磁悬架系统包括内侧定子、外侧定子以及内侧定子和外侧定子中间的长动子，内侧定子、外侧定子长度相等且小于长动子长度；所述内侧定子和外侧定子一侧通过E型非导磁材料管连接成一个整体，E型非导磁材料管与车厢直接固连，悬架弹簧安装在电机长动子与E型非导磁材料管之间，长动子另一侧直接与车轮、轮胎相接；所述E型非导磁材料管的中间开口方向即为长动子的运动方向；所述内侧定子、外侧定子和长动子之间分别具有气隙g₁和g₂；所述气隙g₁和g₂应满足g₁＞g₂，且g₁、g₂均大于零；内侧定子和外侧定子采用不同的结构，内侧定子上设有表贴或者内嵌在电枢上的永磁体，外侧定子上设有放置线圈绕组的电枢；所述的长动子是由n_c个调磁环沿电机轴向均匀排布组成，且调磁环和内定子电枢都是由导磁材料构成；所述导磁环之间是有非导磁材料构成；所述调磁环个数n_c和永磁体极对数n_p以及电机绕组极对数n_w之间满足如下关系式：n_c＝n_p+n_w，从而达到游标调制效应；双定子不对称圆筒直线永磁容错游标电机和控制器之间使用导线相连，控制器和蓄电池之间使用导线相连。

进一步，双定子不对称圆筒直线永磁容错游标电机的电动与发电模式是根据簧载质量垂直速度和圆筒直线永磁电机动子速度的关系进行切换的。

进一步，双定子不对称圆筒直线永磁容错游标电机在矢量控制方法下工作于发电模式时，在动子速度小于0.02m/s时，双定子不对称圆筒直线永磁容错游标电机(15)无法保证输出的制动力和馈电电池电压，此时该电机将发电模式切换到电动模式。

本发明的有益效果是：

双定子不对称圆筒直线永磁容错游标电机不但减轻了非簧载质量的重量，避免了永磁体或线圈裸露在空气中导致的漏磁和因铁削微粒导致的扫躺损坏，而且引入容错结构提高电磁悬架系统的可靠性，同时使用游标效应提高了该电机的输出推力。

采用性能目标函数和“天棚-地棚”混合控制策略设计的推力满足了车辆兼顾了车辆驾乘舒适性和操作稳定性的要求。

根据簧载质量速度和双定子不对称圆筒直线永磁容错游标电机动子速度的关系切换双定子不对称圆筒直线永磁容错游标电机电动和发电模式，从而实现电磁悬架系统隔振和馈能的协调控制，该策略实现了振动能量的回收，大大减小了电磁悬架系统的能耗。该策略和“天棚-地棚”混合控制策略设计的推力相结合有效抑制了车辆行驶过程中振动，提高了车辆驾乘舒适性和操纵稳定性，而且更为关键的是实现了振动能量的回收，大大减小了电磁悬架系统的能耗。有此本发明不但提高了车辆驾乘舒适性和操控稳定性，提高了车辆的可靠性，而且回收了振动能量，降低了悬架系统的能耗，将该电磁悬架系统应用了电动汽车能延长汽车行驶里程。

附图说明

图1为本发明基于双定子不对称圆筒直线永磁容错游标电机的电磁悬架结构整体示意图；

图2为本发明的电磁悬架系统简图；

图3为本发明的电磁悬架隔振和馈能协调控制方法框图。

图中：1.外侧定子；2.线圈绕组；3.电枢齿；4.容错齿；5.长动子；6.调磁环；7.内侧定子；8.永磁体；9.车厢；10.悬架弹簧；11.车轮；12.极靴；13.控制器；14.蓄电池；15.双定子不对称圆筒直线永磁容错游标电机。

具体实施方式

为了能够更加简单明了地说明本发明的电磁悬架隔振与馈能协调控制方法的有益效果，下面结合一个具体实施例来进行详细的表述。

步骤1，建立基于双定子不对称圆筒直线永磁容错游标电机的电磁悬架模型；

如图1所示的本发明的基于双定子不对称圆筒直线永磁容错游标电机15的电磁悬架结构示意图，包括内侧定子7、外侧定子1以及所述内外两定子中间的长动子5，两定子长度均小于长动子5长度。所述内侧定子7和外侧定子1通过E型非导磁材料管连接成一个整体，E型非导磁材料管与车厢9直接相连，悬架弹簧10放置在电机长动子5与E型非导磁材料管之间，长动子5另一侧直接与车轮11、轮胎相接。内侧定子7、外侧定子1和长动子5之间分别具有气隙g₁和g₂，取g₁＝g₂+0.2mm。为提高电机容错能力，外侧定子中包括容错齿4和电枢齿3，均为2*m＝10个。两者交错间隔排列，相邻两个电枢齿3之间设置一个容错齿4，容错齿4的径向厚度等于极靴12的径向厚度加上电枢齿3的径向厚度，电枢齿3的轴向厚度大于容错齿4的轴向厚度小于极靴12的轴向厚度。线圈绕组2以圆饼方式绕制，置于外侧定子1槽中且采用集中绕组分相方式。电机的长动子5是由n_c个调磁环6沿电机轴向均匀排布组成，且调磁环6是由导磁材料构成。长动子调磁环6的个数n_c(n_c大于0)和永磁体8的极对数n_p以及电机绕组极对数n_w之间满足如下关系式：n_c＝n_p+n_w，实现游标调制效应。永磁体8的极对数n_p＝6，线圈绕组2的极对数n_w＝9，所以长动子调磁环6的个数n_c＝9+6＝15。本发明长动子调磁环6之间为非导磁材料。内侧定子7上的永磁体8采用阵列励磁方式。悬架弹簧10一侧仅和长动子5相连后直接外接车轮11、轮胎，大大降低了系统的簧下质量，使悬架系统拥有更好的动态响应能力和车辆的操控性。双定子不对称圆筒直线永磁容错游标电机15和控制器13之间使用导线相连，控制器13和蓄电池14之间使用导线相连。

步骤2，使用速度传感器测量电磁悬架簧载质量垂直速度和双定子不对称圆筒直线永磁容错游标电机动子速度求出非簧载质量垂直速度

步骤3，根据图2建立电磁悬架系统的数学模型

式中，是电磁悬架簧载质量垂直加速度，是非簧载质量垂直加速度，x_w是非簧载质量垂直位移，x_g是路面垂直位移，x_m是双定子不对称圆筒直线永磁容错游标电机动子位移，m_b是簧载质量，m_w是非簧载质量，F是双定子不对称圆筒直线永磁容错游标电机推力，k_s是悬架弹簧刚度，k_t是轮胎刚度。

步骤4，同时考虑车辆驾乘舒适性和操纵稳定性，设计目标性能函数

其中，c_s为簧载质量加速度加权系数；c_g为非簧载质量动位移加权系数；T是路况变化周期。采用拉格朗日原理求出c_s和c_g。

步骤5，根据“天棚”和“地棚”的思想，设计“天棚-地棚”复合控制策略，确定该圆筒直线电机的输出推力

式中，是电磁悬架簧载质量垂直速度，是非簧载质量垂直速度。

步骤6：根据电磁悬架簧载质量垂直速度和双定子不对称圆筒直线永磁容错游标电机动子速度之间的关系切换双定子不对称圆筒直线永磁容错游标电机的工作模式，如图3所示；

1)当时，悬架弹簧需阻尼力阻碍伸缩，圆筒直线永磁电机工作于发电模式，圆筒直线永磁电机提供制动力；

2)当时，悬架弹簧需主动力加快伸缩，圆筒直线永磁电机工作于电动模式，圆筒直线永磁电机提供主动推力；

3)当时，悬架弹簧不需要任何外力，圆筒直线永磁电机工作于自由模式，圆筒直线永磁电机不提供任何力。

进一步，双定子不对称圆筒直线永磁容错游标电机在矢量控制方法下工作于发电模式时，在动子速度小于0.02m/s时，双定子不对称圆筒直线永磁容错游标电机无法保证输出的制动力和馈电电池电压，此时该电机将发电模式切换到电动模式。

从以上所述可知，本发明的电磁悬架隔振与馈能协调控制方法不但有效抑制了车辆行驶过程中振动，提高车辆驾乘舒适性、行驶平顺性、操控稳定性，而且实现了振动能量的部分回收，大大降低了电磁主动悬架系统的能耗。因此，本发明在电磁主动悬架系统领域拥有很好的应用前景。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。