（载运工具运用工程专业论文）车辆半主动悬架和电动助力转向集成控制的研究与实现.pdf

摘要 摘要 悬架是车辆底盘系统中重要的减振部件，对车辆的行驶平顺性影 响甚大，半主动悬架( s a s ) 因具有阻尼可控、能显著提高悬架性能、 成本较低等优点而成为电控悬架的主要发展方向。电动助力转向( e p s ) 具有节能、安全、环保等优点，对改善车辆的驾驶轻便性、提高车辆 的操纵稳定性和安全性有重要作用，已成为乘用车动力转向系统的主 流技术。半主动悬架和电动助力转向分别属于车辆底盘系统中的行驶 系子系统和转向系子系统，共同影响底盘的动力学性能，所以有关改 进悬架结构和助力转向特性的研究一直是车辆工程领域的热点。 目前对半主动悬架和电动助力转向各个单独子系统的控制技术已 较为成熟，所以应从底盘系统的集成控制上进一步改善车辆的综合性 能。由于悬架子系统与转向子系统之间的耦合影响，使得对各单独系 统采用简单的组合控制并不能获得最优的整体性能，所以对悬架和转 向这二者的集成控制便显得非常必要。因此，本文在分析了半主动悬 架和电动助力转向之间的相互关系、协调机理及对整车动力学控制的 作用基础上，基于分层递阶和多智能体理论，对s a s 与e p s 的集成控 制系统进行理论和试验研究： 首先，对半主动悬架、电动助力转向和汽车集成控制的研究现状 进行概述，阐述了集成控制中使用的各种控制策略，建立了转向工况 下的集成系统模型，分析了s a s 和e p s 之间的相互作用、协调机理以 及对车辆性能的影响。 第二，改变传统的整体设计和集中控制的开发方法，引入人工智 能研究领域的多智能体技术，提出了半主动悬架与电动助力转向的协 调控制系统原理，构造了悬架、转向智能体以及s a s 与e p s 协同框架 江苏大学博士学位论文：车辆半主动悬架和电动助力转向集成控制的研究与实现 和集成控制系统，对各智能体的控制策略进行了研究，构架了基于分 层递阶控制的车辆底盘集成控制模型，提出一种新的通过智能体智能 行为提高汽车动态白适应性的控制策略。 第三，为验证所提控制策略的有效性和可行性，在m a t l a b 环境 下联合a m e s i m 软件对悬架和转向进行集成控制建模，机械系统模型 在a m e s i m 建立，控制系统在s i m u l i n k 建立，依据多智能体构架对各 个智能体进行了分层连接，建立多智能体系统的集成系统控制模型并 进行联合仿真，为集成控制器的设计和样车路试提供依据。 第四，基于嵌入式操纵系统a r m 对多智能体集成控制器进行了软 硬件实现，包括系统输入信号的采集处理、控制策略、输出信号的控 制等各功能模块的实现。对悬架智能体的车身加速度信号进行模糊控 制，对转向智能体的助力电压进行p i d 反馈控制；最后由系统智能体 对s a s 和e p s 的结构参数和控制参数进行查询推理协调，调节减振器 阻尼、提供助力适应不同的工况，实现悬架和转向的智能协调控制。 最后，对样车原减振器进行改进，通过改变节流口开度来调节减 振器阻尼，研制出可调阻尼减振器并进行了台架试验，得到减振器的 特性曲线和控制关系。随后进行s a s 与e p s 集成控制的实车道路试验， 分析了试验结果。 研究表明，试验与计算结果基本吻合，且开发的多智能体集成控 制器运行可靠，控制策略有效可行；多智能体技术的应用较好地协调 了悬架、转向这两个子系统的相互影响。与悬架转向集成系统的自适 应模糊控制相比，多智能体集成控制的车身质心加速度和横摆角速度 都有较大幅度下降，其中表征行驶平顺性的车身质心加速度峰值下降 6 4 8 ，标准差降低7 ：3 7 ；表征操纵稳定性的横摆角速度峰值降低 1 0 5 9 ，标准差下降3 0 1 5 ；表征车体姿态变化的车身侧倾角峰值下 摘要 降1 0 0 6 ，标准差降低2 1 2 4 表征操纵轻便性的转向盘操纵转矩峰 值降低1 8 1 0 ，标准差下降3 0 3 8 。因此，说明采用多智能体理论对 底盘的悬架和转向进行集成控制效果显著，车辆的行驶平顺性和操纵 稳定性得到进一步明显改善；系统智能体较好地协调了悬架智能体和 转向智能体，从理论上和技术上比自适应模糊集成控制更好地实现协 调控制要求，改善了车辆平顺性和操稳性之间的矛盾，提高了行驶安 全性，为底盘大系统的综合控制提供了有效的研究方法。 关键词：集成控制，半主动悬架，电动助力转向，多智能体，a m e s i m a b s t r a c t s u s p e n s i o ni si m p o r t a n tp a r to fv e h i c l ec h a s s i ss y s t e m ，w h i c hi se f f e c t g r e a t l yo nr i d ec o m f o r t s e m i - a c t i v es u s p e n s i o n ( s a s ) i sb e c o m i n gt h e m a i nd e v e l o p i n gd i r e c t i o nf o ri t sa d v a n t a g e so fc o n t r o l l a b l ed a m p i n gf o r c e ， i m p r o v es u s p e n s i o np e r f o r m a n c ee f f e c t i v e l y , l o w e rc o s t ，a n ds oo n e l e c t r i c p o w e rs t e e r i n g ( e p s ) r e l i e v e sd r i v i n gt i r e d n e s s ，i m p r o v eh a n d l es t a b i l i t y a n ds a f e t yf o ri t sp e r f o r m a n c e so fe n e r g ys a v i n g ，s a f e t ya n de n v i r o n m e n t p r o t e c t i o n a n di t h a sb e c o m em a i n s t r e a mp o w e rs t e e r i n gt e c h n o l o g yo f p a s s e n g e rc a r s a sa n de p sb e l o n gt om ns u b s y s t e ma n ds t e e r i n g s u b s y s t e mo fc h a s s i sc o n s t r u c t i o ns e p a r a t e l y , w h i c hc o m m o ne f f e c to n d y n a m i cp e r f o r m a n c eo fv e h i c l ec h a s s i s t h e r e f o r et h er e s e a r c hr e l a t e d m o d i f i c a t i o nt h es t r u c t u r eo fs u s p e n s i o na n dp o w e rs t e e r i n gp e r f o r m a n c e ， i so n eo f t h ev e h i c l ep r o j e c ta r e a so ft e c h n o l o g yh o ts p o t t o p i c sa l la l o n g a tp r e s e n t ，c o n t r o lt e c h n o l o g yo ns o l os a sa n ds o l oe p si sm a t u r e m o r ea n dm o r e t h e r e f o r ei tf o c u so ni n t e g r a t e dc o n t r o lo fc h a s s i ss y s t e m t oi m p r o v ec o m p r e h e n s i v ep e r f o r m a n c ef u r t h e r m o r e s i m p l ec o m b i n a t i o n c o n t r o lo fs a sa n de p sc a n n o to b t a i nt h em o s ts u p e r i o rp e r f o r m a n c ef o r t h e i rc o u p l i n ge f f e c t ，s oi ti sn e c e s s a r yt oi n t e g r a t ec o n t r o ls a sa n de p s t h e r e f i ，r e s e a r c h i n g r a t e dc o n t r o lo fs a s e p sfollows：1 n e r e t o r er e s e a r c ho ni n t e g r a t e dc o n t r o lo fs a sa n de a sf o l l o w s ： ， f i r s t l y , a n a l y s e dr e s e a r c hs t a t u so fs a s ，e p sa n di n t e g r a t e dc o n t r o l ， t h e ni n t e g r a t e dc o n t r o l s t r a t e g i e s w e r e b e i n gi n t r o d u c e d e s t a b l i s h e d i n t e g r a t e ds y s t e mm o d e lb a s e do ns t e e r i n gc o n d i t i o n ，a n da n a l y s e dt h e i n t e r a c t i o n ，c o o r d i n a t i o nm e c h a n i s m ，i m p a c to nv e h i c l ep e r f o r m a n c eo f s a sa n de p s s e c o n d l y , c h a n g e dt r a d i t i o n a ld e s i g na n de x p l o i t u r em e t h o d ，i m p o r t e d m u l t i 。a g e n tt h c h n o l o g y , w h i c hi sb e i n gh o ts p o ti nr e s e a r c hf i e l do f a r t i f i c i a li n t e l l i g e n c e s e tu ps u s p e n s i o na g e n t ，s t e e r i n ga g e n t ，s y s t e m a g e n t ， v 江苏大学博士学位论文：车辆半主动悬架和电动助力转向集成控制的研究与实现 a n ds oo n r e s e a r c h e dc o n t r o l s t r a t e g i e so fa g e n t s f r a m e dc h a s s i s m u l t i - a g e n ti n t e g r a t e dm o d e lb a s e do nh i e r a r i c h a lc o n t r 0 1 an e wc o n t r o l s t r a t e g yf o ri m p r o v ev e h i c e ld y n a m i cs e l f - a d a p t a b i l i t yw a sb e i n gp u t f o r w o r db yi n t e l l i g e n tb e h a v i o ro fa g e n t s t h i r d l y , i no r d e rt op r o o fv a l i d i t ya n df e a s i b i l i t yo fi n t e g r a t e dc o n t r o l s t r a t e g y , m o d e l e di n t e g r a t e dm o d e lo fs a sa n de p sb ys o f t w a r em a t l a b a m e s i m m e c h i n i c a ls y s t e mm o d e l sw e r eb e i n gm o d e li na e m s i m ， a n dc o n t r o ls y s t e mm o d e lw a sb e i n gm o d e li nm a t l a b s i m u l i n k l a y e r e dc o n n e c t i o na g e n t sb a s e do nm u l t i - a g e n ts y s t e m ( m a s ) t h e o r i e s ， t h e nc o m b i n e dm a t l a b & a m e s i mt os i m u l a t ei n t e g r a t e dm o d e l s ，a n d p r o v i d e dr e f e r e n c e sf o rd e s i g ni n t e g r a t e dc o n t r o l l e ra n dv e h i c e lr o a dt e s t f o u r t h l y , d e s i g n e dm a si n t e g r a t e d c o n t r o l l e rb a s e do ne m b e d d e d o p e r a t i o ns y s t e ma r m f o rr e a l i z ei n t e g r a t e dc o n t r 0 1 i m p l e m e n t e df u n c t i o n o fm o d u l e sa b o u ti n p u ts i n g a l s ，c o n t r o ls t r a t e g i e s ，o u t p u ts i g n a l sa n ds oo n a d o p t e df u z z ya n dp i ds t r a t e g i e st oc o n t r o ls t e pm o t o ro fs a sa g e n ta n d d cm o t o ro fe p sa g e n t v e h i c l eb o d ya c c e l e r a t i o nw a s b e i n g c o n t r o l l e db y f u z z ys t r a t e g y , p o w e rs t a t u so fe p sw a sb e i n gd e c i d e db yp i dm e t h o d a c c o r d i n gs t e e r i n gt o r q u e ，s p e e d ，a n d o t h e r s i g n a l s s y e t e ma g e n t c o o r d i n a t e dc o n t r o ls t r u c t u t ep a r a m e t e r sa n dc o n t r o lp a r a m e t e r so fs a s a n de p sf o ra d a p tt od i f f e r e n tc o n d i t i o n s f i n a l l y , r e m e n d e dp r o t o t y p ep a s s i v ed a m p e r , a d j u s t e di t sd a m pb y c h a n g eo r i f i c eo p e n i n gd e g r e e d e v e l o p e ds e m i - a c c i v ed a m p e ro fm i n ic a r a n db e n c ht e s ti t o b t a i n e dc h a r a c t e r i s t i cc u r v ea n dc o n t r o lr e l a t i o n s h i po f d a m p e r t h e ne x p e r i m e n t e do nr e a l v e h i c l er o a d t e s t ，c o n t r a s t e dt h e e x p e r i m e n t a t i o nr e s u l t sa n ds i m u l a t i o nr e s u l t s i tw a ss h o w e dt h a tt h es i m u l a t i o nr e s u l t sw e r e c o p e dw i t ht h e e x p e r i m e n t s m a si n t e g r a t e d c o n t r o l l e r o p e r a t i o n i s r e l i a b l e ，c o n t r o l s t r a t e g yi se f f e c t i v ea n df e a s i b l e m a sh a r m o n i z e dt h ee f f e c to fs u s p e n s i o n v i a n ds t e e r i n gs u b s y s t e m sp r e f e r a b l y i nc o n t r a s tw i t hs e l f - a d a p t i v ef u z z y i n t e g t a t e dc o n t r o l ，t h eb o d yv e r t i c a la c c e l e r a t i o na n dy a wr a t ew e r ea l l r e d u c e do b v i o u s l y t h ec e n t e ro fm a s sa c c e l e r a t i o n ，w h i c hc h a r a c t e r i z e d t h ef i d e p e r f o r m a n c e ，d e c r e a s e dp e a ki na v e r a g e6 4 8 ，a n ds t a n d a r d d e v i a t i o nd e c r e a s e db y7 3 7 t h ey a wr a t e ，w h i c hc h a r a c t e r i z e dt h e h a n d l i n gs t a b i l i t y , d e c r e a s e dp e a ki na v e r a g e1 0 5 9 ，a n ds t a n d a r d d e v i a t i o nd e c r e a s e db y3 0 1 5 t h er o l la n g l e ，w h i c hc h a r a c t e r i z e dv e h i c l e b o d ya t t i t u d e ，d e c r e a s e dp e a ki na v e r a g e1 0 0 6 ，a n ds t a n d a r dd e v i a t i o n d e c r e a s e db y2 1 2 4 t h ep e a ka n ds t a n d a r dd e v i a t i o no f h a n d l i n gt o r q u e o fs t e e r i n gw h e e lw e r ed e c r e a s e db y1 8 1 0 a n d3 0 3 8 r e s p e c t i v e l y f r o ma b o v eo n ，m a sc o n t r o lr e s u l t sa r em o r ee x c e l l e n tt h a ns e l f - a d a p t i v e f u z z yc o n t r 0 1 r e l i e v e dc o n f l i c to fv e h i c e lr i d ec o m f o r ta n dh a n d l i n g s t a b i l i t y d r i v i n gs a f e t yw a sb e i n gm o r ei m p r o v e d t h i sr e s e a r c hp r o v i d e s a ne f f e c t i v er e s e a r c hm e t h o do ni n t e g r a t e dc o n t r o lo fv e h i c e lc h a s s i sl a r g e s c a l es y s t e m k e yw o r d s ：i n t e g r a t e dc o n t r o l ； s e m i - a c t i v e s u s p e n s i o n ； e l e c t r i c p o w e rs t e e r i n g ；m u l t i - a g e n t ；a m e s i m v 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校向有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被 查阅和借阅。本人授权江苏大学可以将本学位论文的全部内容或部分 内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手 段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 保密口，在年解密后适用本授权书。 不保密团 学位论文作者签名：斗礼瓦 2 0 0 8 年6 月1 1 日 指导老师签名：沙多步 2 0 0 8 年善其 l1 3 独创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究工作所取得的成果。除文中已注明引用的内容以外，本论 文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文 的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确的方式标明。 本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：牛礼九 日期：2 0 0 8 年4 月1 7 日 第一章绪论 1 1选题背景 第一章绪论 近年来，车辆的行驶平顺性和操纵稳定性越来越受到人们的关注。悬架作为 车辆上的减振保稳部件，对提高行驶平顺性极其重要，所以车辆悬架及其控制系 统的研究和开发成为前沿性的课题【l 卅。主动悬架的概念提出来以后，许多国家进 行了大量的理论研究和试验研究，国内在上世纪8 0 年代也展开了对半主动和主动 悬架的研究郾】，但与国外相比仍存在一定的差距。动力转向通过提供转向动力， 协助驾驶员进行转向操作，对车辆的操纵稳定性非常重要。继液压动力转向、电 液动力转向之后的电动助力转向是目前动力转向的主要发展趋势，应用范围正愈 来愈广。 悬架属于底盘构造中的行驶系，转向属于转向系，二者共同作用于底盘的动 力学系统，彼此间存在相互耦合影响。开展悬架和转向的协调控制研究是底盘系 统集成控制的重要组成部分，有利于推动我国汽车电控底盘集成技术的快速发展， 对自主创新汽车电子集成技术将具有重大的选题意义和较高的应用前景。目前就 悬架子系统和转向子系统的单独控制来说已日趋成熟，但复杂的底盘系统还包括制 动、传动等其它子系统，多系统的并存必然存在着相互协调的问题，整车性能的提 高依赖于各系统的协调工作，如果将子系统依据各自不同的性能指标进行优化控制， 或对它们进行简单相加控制，显然不能获得期望的综合性能，所以本文将悬架和转 向两部分进行集成控制，协调二者之间的相互匹配，构建出悬架智能体、转向智 能体、轮胎智能体、故障诊断等智能体，用多智能体系统实现子系统之间、子系 统与底盘大系统之间的硬件、信息、能量等资源的共享，使整车综合性能得到改 善和提高。 1 2 半主动悬架研究进展 1 2 1 悬架的工作原理及其分类 汽车本身是一个具有质量、弹簧和阻尼的振动系统，各部分的固有频率不同。 在行驶过程中也会因路面不平、车速、行车方向的变化而引发车轮、发动机、传 江苏大学博士学位论文：车辆半主动悬架和电动助力转向集成控制的研究与实现 动系等的振动，这种振动使得汽车的动力性得不到充分的发挥，经济性变坏；同 时，还会影响汽车的通过性、操纵稳定性和平顺性，使乘员产生不舒服和疲乏的 感觉，甚至损坏汽车的零部件和运载的货物，缩短其使用寿命 9 1 。因此，作为减振 保稳部件的悬架就显得必不可少。 悬架是车架或车身与车桥间一切传力、连接装置的统称，用来弹性地连接车 桥与车架或车身，缓和行驶中车辆受到的冲击力，保证货物的完好和人员的舒适； 衰减由弹性系统引起的振动，传递垂直、纵向、侧向反力和力矩；并起导向作用， 使车轮按一定轨迹相对车身跳动。悬架结构形式和性能参数的选择是否合理，直 接影响汽车行驶的平顺性和操纵稳定性。图1 1 为悬架的组成示意图，主要由弹性 元件、导向机构、减振器等三部分组成1 1 0 】。 1 弹性元件2 、5 导向机构3 减振器4 横向稳定杆 图1 1 悬架组成示意图 f i g 1 1s k e t c ho fs u s p e n s i o nc o m p o n e n t s 弹性元件使车架与车桥之间作弹性联系，承受和传递垂直载荷，缓和及抑制 不平路面所引起的冲击；导向装置用来传递纵向力、侧向力及力矩，并保证车轮 相对于车架或车身具有一定的运动规律：减振器用以加快振动的衰减，限制车身 和车轮的振动，所以这三部分分别起缓冲、导向和减振作用，三者相匹配实现共 同传力消振的作用。为防止车身在不平路面行驶或转向时发生过大的横向倾斜， 部分汽车还装有辅助弹性元件横向稳定杆。 一汽车不同的行驶状态对悬架有不同的要求，一般行驶时需要柔软一点的悬架 以求舒适感，当急转弯及制动时又需要硬一点的悬架以求稳定性，这个矛盾的解 决需要步入了悬架的发展历程。悬架的发展经历了被动悬架和自适应悬架阶段， 2 第一章绪论 其结构形式和分类方法也有多种。按导向机构的不同，分为独立悬架和非独立悬 架两大类。按控制力不同，分为被动悬架、半主动悬架和主动悬架，三种悬架的 简化模型见图1 2 1 1 。 七 ( a ) 被动悬架( b ) 主动悬架( c ) 半主动悬架 图1 2 悬架分类简化模型 f i g 1 2s i m p l i f i e dm o d e lo fs u s p e n s i o nc a t e g o r y ( 幻被动悬架 被动悬架的模型见图1 2 ( a ) 所示，其基本理论最早是由o l l e y 在1 9 3 4 年提出来 的【1 2 1 ，主要由弹性元件和被动减振器组成，具有结构简单、性能可靠、造价低和 无能耗等诸多优点，是迄今为止历史最悠久、应用最广泛的悬架形式引，但被动悬 架的阻尼系数和刚度系数一经确定便无法改变，不能跟随外界路面、实时工况而 改变，所以难以适应复杂的多变性环境，限制了其进一步发展。为了克服被动悬 架的缺陷，人们采取了很多办法，如采用非线性变刚度弹簧( 如扭杆弹簧、油气 弹簧、空气弹簧等) 和车身高度调节装置( 如车身高度平衡器) ，都取得了一定成 效，但仍不能从根本上消除被动悬架的缺陷。而在实际中，车辆行驶过程中的工 况是随机改变的，这就使得车辆的性能偏离了最初设计的最佳折衷方案，可见传 统的被动悬架在其改进潜力上已接近了极限，主动悬架的采用则为悬架性能的大 幅改善提供了一条广阔的途径。 主动悬架 为了突破被动悬架对汽车性能进一步改善的限制，g m 公司的e r s p i e l l a b r o s s e 于1 9 5 4 年在悬架设计中提出了主动悬架的思想。主动悬架是采用有源或无源可 控元件组成一个闭环控制系统，根据车辆系统的运动状态和外部输入的变化做出 3 江苏大学博士学位论文：车辆半主动悬架和电动助力转向集成控制的研究与实现 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。当汽车 制动或拐弯产生的惯性引起弹簧变形时，主动悬架会产生一个与惯性力相对抗的 力，减少车身位置的变化，见图1 2 ( b ) 所示。主动悬架是由弹性元件、执行器及相 应的传感器和控制器构成，工作时需要力发生器( 也称作动器) 产生一个正比于 绝对速度负值的主动力。目前主动悬架通常有两种形式，即由电机驱动的空气弹 簧悬架和由电磁阀驱动的油气式悬架。 主动悬架的提出是车辆悬架技术发展的突破，它为同时改善车辆的乘坐舒适 性和行驶安全性提供了广阔前景，其性能虽然优越，但工作时由于主动执行机构 的加入，需要消耗车辆的部分动力，造成效率有所下降；此外，要使主动悬架具 有良好的动力学性能，就要选用高性能的执行机构( 如液压伺服机构，电磁伺服 器等) ，并且需要一套复杂的传感器等元件，这就导致了悬架结构更加复杂，技术 性要求高，成本昂贵，因而可靠性也存在问题，在很大程度上影响了主动悬架的 产品化1 5 】，所以人们在主动悬架概念的基础上，又提出和发展了半主动悬架。 半主动悬架 半主动悬架( s a s ，s e m i - a c t i v es u s p e n s i o n ) 是由无源可控的阻尼元件和弹性 元件组成，模型见图1 2 ( c ) 所示，也称为无源主动悬架。其减振方式和工作方式与 被动悬架相近，所不同的是悬架参数在一定范围内可进行实时调节，能获得较佳 的综合性能。悬架中的弹性元件除了用于吸收和储存路面激励能量以外，还要支 承车体的重量，加上在无源情况下改变刚度比改变阻尼要困难得多，因此多数半 主动悬架实际上仅讨论对悬架阻尼的控制。本文研究的半主动悬架也是基于控制 阻尼，工作原理是通过采用步进电机改变减振器减振液的节流口，来实现半主动 可调减振器的阻尼。底盘中使用的减振器实际上就是一个阻尼器，工程上习惯称 之为“s h o c ka b s o r b e r ( 冲击吸收器) ，减振器的作用是耗散车身和车轮之间的垂 向运动能量( 这些动能可以由控制输入引起，也可由路面不平或风扰所致) ，并限 制任何方式的响应超调，将那些不可避免的共振影响减小到最低程度。 半主动悬架没有动力源，通过传感车体运动和启闭被动元件的特性来实现半 主动控制，所用的作动器一般为微型电机或电磁驱动器，用于调节油缸或气缸活 塞上的芯杆。半主动悬架不产生主动力，因而控制策略只能以主动悬架为参考， 在性能上尽可能逼近主动悬架。研究表明，与被动悬架相比，半主动悬架可以与 4 第一章绪论 在每一个频率点都处于最优状态的被动悬架相媲美，而且还可以实现一些被动悬 架所不具备的功能；与主动悬架相比，半主动悬架的最大优点是工作几乎不消耗 发动机的功率，不需要向机械系统中附加能源，只是使用严格的保守( 弹簧) 或 耗能( 减振器) 元件，结构简单，造价低，且减振效果接近于全主动悬架，因此 具有更为现实的应用价值，正日益受到车辆工程界的广泛重视17 1 。 1 2 2 悬架性能指标 悬架保障振动环境的舒适性，使驾驶员能在复杂的行驶和操纵条件下保持良好 的心理状态和准确灵敏的反应，直接影响“入一车 系统的行驶平顺性，对安全 行驶非常重要，所以对悬架性能的评价指标多是针对平顺性而言。平顺性是车辆 重要的动力学特性，是指保持汽车在行驶过程中乘员所处的振动环境具有一定舒 适度的性能，对于载货汽车来说还应该包括保持货物完好的性能。由于平顺性主 要是根据乘坐者的舒适程度来评价，所以它有时又称为乘坐舒适性。研究平顺性 的目的是控制振动的传递，使乘坐者不舒适的感觉不超过一定的界限。 参照i s o 标准我国在1 9 9 6 年公布了g b t 4 9 7 0 1 9 9 6 汽车平顺性随机输入行 驶试验方法，主要考虑了人体振动的敏感频率范围、人体承受振动的时间和人体 承受振动的方向。用加权加速度的均方根值评价对人体的振动，给出了l - - 8 0 h z 振动频率范围内，人体对振动的三种不同的感觉界限：暴露极限、疲劳和舒适降 低界限【l l 】【1 8 】。鉴于此，i s o 推荐了两种评价人体承受全身振动的方法： ( 1 ) 1 3 倍频带分别评价法 用这个方法进行评价，主要考查各频率成份的加速度均方根值是否都在怕倍 频带频谱图的“疲劳一降低效率界限 之内，侧重于要求传至人体的振动能量在 频率分布上不要过于集中，尤其在人体最敏感的频带不要有突出的尖峰。 ( 2 ) 总加速度加权均方根值评价法 以频率加权函数将人体敏感的频率范围以外各频带加速度均方根值折算为等 效于垂直振动4 8 h z ，水平振动1 - 2 h z 的数值，再计算总加速度加权均方根值。 除上述两种方法外，通常还采用传至人体振动的总加速度均方根值或车身振 动的总加速度均方根值作为平顺性的评价指标。此外，车轮与路面间的动载荷影 响车轮与路面的附着效果，特殊情况下静载荷与动载荷之和为零，即此时车轮不 能传递水平力。若该现象一旦出现，那么就丧失了驾驶的可能性，对车辆操纵稳 5 江苏大学博士学位论文：车辆半主动悬架和电动助力转向集成控制的研究与实现 定性带来不利影响】，所以车轮的动载荷变化要小，才可能保证较高的操纵稳定 性。在悬架设计时，由于平顺性和结构上的要求，一般对悬架动挠度要有一定的 限制。如果动挠度超过限位行程，就会撞击限位块，使车身受到冲击，平顺性变 坏。因此，本文将车身垂直振动加速度作为研究的重点评价指标，同时考虑车轮 与路面问的动载荷以及悬架系统的动挠度作为综合评价指标，使在保证车辆平顺 性有较好控制效果的同时，也考虑车辆的操纵稳定性。 1 2 3 国内外s a s 应用现状 半主动悬架的概念是由d a c r o s b y 和d c k a m o p p 在1 9 7 3 年提出的【1 9 1 ，结构 相对简单，价格低廉，性能较为优良，因此有着广泛的应用前景。早在8 0 年代初 期，第1 代变阻尼减振器就已形成了规模生产。例如：t o y o t as o a r e r2 8 0 g t 型轿 车上使用了阻尼二级可调减振器；日产m a x i m a s 轿车上应用了“声纳 式半主动 悬架；o p e l s e n a t o r 和o p e l o m e g a 轿车上装备有三级可调阻尼半主动悬架； b m w m 3 、b m w 6 3 5 c s i 、b m w c o u p e 等车型上采用了电磁铁控制的可调阻尼减 振器。日本丰田公司的l e x u s l s 0 0 g t 轿车使用的减振器就是三级可调的形式【1 2 】。 m a n n e s m a n n 公司的t h o m a sk u t s c h e 和m a t t h i a sr a u l f 以及w a b c o 公司的 h a n s o t t ob e c h e r 为重型车辆研制了具有模拟比例液压阀的连续可调阻尼减振器， 通过调节比例阀的输入流量，达到控制阻尼力的目的【2 0 】。k a m o p p 和c r o s b y 提出 了阻尼连续可变的半主动悬架【2 1 1 ，p r i n k o s 等人于1 9 9 4 年使用了电流变液和磁流变 液作为减振器的工作介质，取得了一定的成效。h u b b a r d 和m a r g o l i s 等人也提出了 采用刚度可调的弹性元件的半主动悬架1 2 2 】。 在我国，半主动悬架研究起步较晚，还处在理论研究和模拟试验阶段。北京 理工大学管继富等人提出一种半主动悬架模糊控制规则的产生方法，对1 2 车半主 动悬架进行模糊控制系统设计并进行了计算机仿真，但未能进行台架试验验证【2 3 j 。 重庆大学的郑玲、李以农应用微分几何理论，得到输出一干扰解耦方法，再经过 适当的坐标变换将该模型由非线性系统简化成一线性系统，对此线性系统进行最 优控制，然后通过非线性状态实现对原系统的半主动控制，数值仿真验证了该控 制策略的有效性，但未能进行试验验证【2 4 1 。朱思洪、陈无畏、陈龙等人设计了模 糊自适应控制器，在仿真的基础上，开发了半主动悬架模糊自适应控制器，并通 过试验研究验证了该方法的有效性【2 5 。2 刀。 6 第一章绪论 由此可见，半主动悬架系统已经受到了国内外汽车工业界的高度重视。在当 今电子技术、非线性理论、人工智能等先进技术蓬勃发展的同时，也给半主动悬 架系统提供了更为广阔的研究和应用空间。在对半主动悬架的控制研究上已从早 期的“开关型控制、阻尼有级可调控制，发展到目前的阻尼连续可调。在控制 策略方面，已有许多学者对多种控制方法进行了有益的尝试和研究并取得了定 的成果。此外，在半主动悬架系统的硬件水平上也有了很大的提升，例如：磁流 变、电流变可调减振器的出现，各类传感器技术的完善，单片机技术的飞跃等等， 都为半主动悬架的发展注入了新的生机。 1 3电动助力转向研究现状 车辆上用来改变或恢复行驶方向的专设机构称为汽车的转向系统，转向系是 构成汽车底盘的重要系统之一。汽车在行驶过程中，经常需要改变行驶方向。就 轮式汽车而言，汽车的转向通过使转向桥的转向轮相对于车身纵轴线侧偏一定角 度来实现的。 按转向能源的不同，转向系分为机械转向系和动力转向系两大类。机械式转 向系是以驾驶员体力作为转向能源，其中所有传力件都是机械式的，它主要由转 向操纵机构、转向器和转向传动机构三部分组成。动力转向系又可分为液压动力 转向系统、气压助力转向系统和电动助力转向系统口引。本文研究的是电动助力转 向( e p s ，e l e c t r i cp o w e rs t e e r i n g ) 。 1 3 1e p s 的工作原理及其分类 机械式转向系统加重了驾驶员的操纵强度，液压助力转向虽然解决了汽车转 向的轻便性问题，但高速行驶时转向盘过轻，使驾驶员感觉“发飘，丧失路感【2 9 1 ， 而且还存在液压油泄漏污染环境的问题。电动助力转向继液压助力转向后产生， 在机械转向系统的基础了增加了一套电动助力装置，是目前世界汽车转向技术的 研究热点，正得到越来越广泛的应用3 0 。3 1 。 图1 3 是电动助力转向系统的结构示意图和实物图，主要部件包括机械转向装 置、转矩传感器、车速传感器、电子控制单元e c u 、助力电机、电磁离合器、减 速机构齿轮齿条等。e p s 的工作原理是电控单元e c u 接收扭矩传感器测得的转向 阻力矩的大小和方向，同时接收车速传感器的车速信号，根据控制程序预设的助 7 江苏大学博士学位论文：车辆半主动悬架和电动助力转向集成控制的研究与实现 力特性或控制算法确定助力电机电压的大小和方向，执行电机产生辅助转向动力， 再通过蜗轮蜗杆的降速增扭，将助力扭矩传送到小齿轮齿条，带动转向轮实现助 力转向。简言之，e p s 依靠电动机提供辅助扭矩，通过控制电机电流的幅值和方 向，实现对转向器电动助力的要求，这种助力系统可使汽车在低速时减轻操纵力 提高轻便性，高速行驶时能获得良好的转向路感，从而提高驾驶员行驶的操纵稳 定性和安全性。 图1 3 电动助力转向系统结构示意图及实物图 f i g 1 3s t r u c t u r ea n dp h y s i c a lm a p o fe l e c t r i cp o w e rs t e e r i n g 按照电机驱动部位的不同，e p s 分为转向轴助力式、小齿轮助力式和齿条助 力式三种，见图1 4 所示【3 4 】。 ( a ) 转向轴助力式( b ) 齿轮助力式( c ) 齿条助力式 图1 4e p s 的三种类型 f i g 1 4t h r e et y p e so f e p s ( a ) 转向轴助力式 转向轴助力式e p s 的电机固定在转向轴上，通过减速机构蜗轮蜗杆与转向轴 相连，直接驱动转向轴助力。该方案的助力经过转向器放大传递，因此要求电机 国 圊 第一章绪论 的减速机构传动比较小；电动机常布置在驾驶室内，工作环境较好，对密封要求 低：但因安装位置离驾驶员近，所以要求电机的噪声定要小；此外，由于电机 距转向盘较近，电机力矩波动易直接传到转向盘上，导致转向盘振动，驾驶员手 感变差；助力转矩经由转向轴传递，因此要求转向轴有较大的刚度和强度，比较 适用于前轴负荷较小的微型车。 ( b ) 齿轮助力式 齿轮助力式e p s 的电机和减速结构与小齿轮相连，直接驱动齿轮助力转向。 该方案的助力也要经过转向器传递，因此要求电机的最大输出扭矩也要相对小； 电机安装在地板的下方，工作环境差、对密封要求高；其力矩波动也易传到转向 盘上，由于离驾驶员较远，对电机的噪声要求相对较小。与转向轴助力式相比， 可以提供较大的转向力，适用于中型车。 ( c ) 齿条助力式 齿条助力式e p s 的电机和减速机构与齿条相连，直接驱动齿条助力转向。该 方案的助力输入点在齿条上，要求电动机的最大输出力矩相对大；电机工作环境 差，对密封要求高；安装位置离驾驶员较远，对电机的噪声要求相对较小，且力 矩波动不易传到转向盘上，驾驶员具有良好的手感；对转向