電動汽車懸架系統主動控制策略分析

黃立君 高志剛

(1.江西科技學院智能工程學院，江西南昌 330098；2.華教教育科技(江西)有限公司，江西贛州 341001)

0 前言

近年來，隨著社會發展與科技進步，我國汽車領域出現了諸多變化，雖然這種變化促進了汽車領域的發展，但隨之也引發了諸多新問題。目前，汽車的懸架系統已無法滿足用戶的不同需求。尤其是電動汽車，對于懸架系統的要求更加嚴格。為了從根本上解決這一問題，技術人員應當在設計懸架系統時，積極研究懸架系統的主要控制策略，為電動汽車的穩定行駛提供保障[1]。

1 電動汽車懸架系統的綜合概述

1.1 電動汽車懸架系統的概念

電動汽車懸架系統一般包括內部彈性元件、減振器和懸架力傳遞裝置等3個部件。這3個部件是用來緩沖、阻尼和感應力垂直傳遞控制，為電動汽車行駛提供安全保障。該系統屬于新型的微機控制系統，其匯集了機械和電子等多種技術，是相對復雜和高科技的設備。某公司研發的電動汽車懸架系統均為微電腦控制，主要用于控制包括前輪踏板制動壓力、油門踏板運動速度、垂直方向和振幅頻率、方向盤角度、轉向速度等數據。該系統通過微電腦不斷接受電動汽車行駛過程中產生的數據，并將行駛數據與標準數據進行比較，以選擇合適的懸掛系統狀態。同時，通過電動汽車懸架系統還能針對汽車車輪在行駛過程中由緩沖器形成的實際變化進行平衡，確保電動汽車的車輪部位能夠根據駕駛人員的操作進行調整[1]。

1.2 電動汽車懸架系統的功能

當電動汽車在不同高速路面上行駛時，其車輪的轉向受到隨機動力激勵，高速懸架驅動裝置直接實現了負載車體和電動車輪之間的橫向彈性力和支承，有效地抑制并降低了負載車體與電動汽車車輪的重力動載和轉向振動,從而保證了電動汽車在高速行駛過程中轉向的平順性和操縱的穩定性,同時達到了提高汽車行駛平均轉向速度的主要目的。在確定車身結構類型時，電動汽車在整個高速行駛過程中，螺旋彈簧運動剛度和液壓減振器固定阻尼力等系數，不能被直接控制或人工改變。高速懸架彈簧具有固定剛度和固定阻尼力系數的功能，也可被稱為“高速被動懸架”。這種被動懸架直接產生的彈性和阻尼力是由自然條件決定的，如道路和車輛速度。高速被動懸架由于材料加工方便、制造成本低，仍被認為是電動汽車的領先技術裝備和產品[2]。

1.3 電動汽車懸架系統的分類

電動汽車懸架系統主要可以分為以下2種類型。

(1)獨立懸架。獨立懸架可以分為2個部分，每個車輪的獨立螺旋彈簧直接安裝在車輛的底盤位置。當一側的車輪發生振動時，另一側的車輪基本不會受到振動影響，這樣減少了汽車的橫向振動，車輛的舒適性會有很大程度上的提升。特別是在高速道路行駛時，這種懸掛系統可以提高電動汽車的速度和穩定性。但是，獨立懸架車架構造比較復雜，其承載力較小，導致電動汽車的車輪驅動控制系統、轉向控制系統的結構變得更加復雜。目前，大多數電動汽車的前后車輪懸架都已經采用了獨立的整體懸架系統形式，并已成為發展趨勢[3]。

(2)非獨立懸架。將非獨立懸架安裝在獨立懸架軸的左側，當車輪側發生跳動時,可能會影響到另一側的車輪，導致車輛整體發生振動或水平傾斜。雖然采用非獨立懸架控制系統的電動汽車的平順性和舒適性普遍較差，但由于該懸架系統結構簡單，承載力大，多被應用于輕型載重汽車、普通長途客車和其他一些特種用途車輛上[4]。

2 電動汽車懸架系統的發展現狀

隨著電動汽車的快速發展，其噪聲-振動-平順性(NVH)性能已成為社會大眾的關注焦點。懸架系統作為提高NVH性能的關鍵部件，已成為電動汽車發展的研究重點。目前，配備新型集中式雙發電機齒輪傳動系統的電動汽車一般采用成本較低的被動懸架橋式控制系統。電動汽車懸架系統可分為基本獨立被動懸架和非基本被動懸架，其性能與傳統汽車懸架沒有區別。當電動汽車選擇內輪轂電機時，其設計不同于傳統汽車懸架，主要采用獨立懸架。這是因為現有懸架結構是被動懸架系統，其性能不足以提高輪轂電動汽車的平順性和操縱穩定性。鑒于可控懸架的動態自適應調節性能，電動汽車需要采用與其相適應的主動懸架系統或半主動懸架系統。基于電動汽車具有集成和智能控制系統的特點，主動懸架系統更符合未來智能電動汽車的發展理念。目前，研究人員對內輪轂電機驅動電動汽車橫向運動控制方面的研究較多[5]。

3 電動汽車懸架系統的主要控制策略

3.1 智能模糊控制策略

智能模糊控制策略是指在主動懸架系統的設計中應用模糊控制和神經網絡模糊控制。智能模糊控制策略可以有效幫助車輛在特定使用環境下解決各種車輛控制問題。采用定性描述的控制方法可以設計多類型目標懸架，并可以進行自動識別控制和功能處理。同時，模糊控制方法還具有深度學習控制的功能，如該控制方法可以自動仿真調整并控制輸入和輸出變量的動態組合，定義從屬控制函數的參數和模糊控制規則參數的個數。計算機自動仿真結果表明，該控制方法比其他常規控制方法更為有效。模糊神經網絡控制是由大量數據處理單元組合而成的高度獨立的并行非線性動態系統，其技術特點主要是基于數據融合、學習適應性和高度并行的分步式數據處理。因此，車輛主動懸架的實時振動優化控制具有廣泛的應用前景。該控制方法已成功應用于車輛主動懸架系統動態控制補償模糊控制器的系統設計。研究結果表明，該控制器的控制性能優于傳統的低延遲排隊(LLQ)振動控制器模糊控制方法。一些研究人員將模糊神經網絡、模糊控制和實時車輛振動優化控制算法相結合，驗證了非線性處理系統和模糊參數的時變性[6]。

3.2 仿真控制策略

電動汽車懸架系統控制策略仿真在MATLAB軟件環境下完成，并通過添加小型車輛仿真測試平臺，如ADAMS平臺或DADS平臺，對控制系統進行仿真。車輛仿真測試平臺完全集成了所有的控制傳感器處理和控制濾波，但仿真控制處理系統必須建立在與車輛仿真平臺相同的控制處理基礎上。隨著試驗時間的推移，這種方法可以極大提高仿真試驗的精度，擴展不同規格的有用產品設計和制造過程的仿真試驗結果。該仿真方法還可以跟蹤車輛功率與驅動能量之間的流動，根據認知之間的關系，充分平衡產品設計和使用過程中各部件的性能特性和實際功耗。電動汽車懸架系統控制目標的早期成功實施將直接影響到整車的功耗。主動空氣懸架控制系統多采用被動懸架減振器。在最近的高機動性多用途輪式車輛(HMMWV)主動空氣懸架系統設計概念中，主動空氣懸架系統已經通過了耐久性測試的驗證[7]。

3.3 反饋控制策略

自動反饋控制系統可實現各個執行處理機構之間的實時連續自動調節,對整個控制懸架系統的運行穩定性、精確性和實時反應速度等要求相對較高，需要實時測量的控制信息和處理計算數據量較大。線性最優控制系統是基于理想控制模型設計的控制系統，如果通過懸架設置的噪聲特性是相對線性的，路面不平度特征符合正態噪聲分布，在調整最優白噪聲粗糙度的關鍵條件下，功率型譜可以很容易地實現系統的動態穩定性。研究人員可以通過隨機加權后的二次控制性能系統的狀態變量，保證響應和反饋控制方法的輸入控制性能指標。隨機最優噪聲預測反饋控制方法是利用系統噪聲，通過汽車內置前輪或傳感器模塊來預測路面噪聲干擾信號的輸入變量，然后將測量后的狀態變量反饋到車輛前后輪驅動控制器，以實現最優控制。該技術方法特別適用于大型軌道交通車輛的主動懸架系統。

3.4 自適應控制策略

自適應控制策略通常應用于車輛在正常駕駛控制過程中發生電路干擾，或具有統計變量特性干擾時的場景，即輸入信號會對當前車輛行駛狀態產生干擾。自適應控制系統根據系統電路中電流輸入的相關控制信息，從預計算和預存儲的控制參數中隨機選擇最合適的參考控制參數。控制設計的關鍵參數應能準確、可靠地反映電流輸入信號的變化。主動自適應控制方法可以充分考慮系統所有控制參數對車輛懸架系統時間變異性的影響；具有系統參數自動識別控制功能，能自動適應車輛懸架運動中負載運動特性的變化和控制部件的變化；自動準確調整懸架參數，保持最佳的系統性能指標。目前，應用于主動懸架自適應控制系統的方法可分為模型帶開環增益矢量調度自動化控制、模型參考自適應校正主動控制和校準參考自適應控制。 模型帶開環增益矢量調度自動化控制系統屬于主動自適應控制模型，通過自動監測車輛運行狀態參數自動改變輔助控制器系統參數；模型參考自適應校正主動控制系統用于主動控制，通過自動跟蹤預先設計的系統定義參考模型，參考前饋和輔助開環參數對控制系統的主動自適應控制規則，利用非線性和時變參數對主動懸架控制系統實現最優控制；校準參考自適應控制系統是將被控對象系統的參數通過自動在線精確估計與輔助控制器系統相位隨機組合，形成自動精確標定參數的控制系統。對整個微機自動控制系統進行自動離散實時監測，是目前實際應用最廣泛的主動自適應控制系統。目前，自適應控制系統在大眾汽車新底盤上已得到了廣泛的應用[8]。

4 結語

隨著汽車行業的持續發展，被動懸架系統的性能表現會嚴重限制車輛性能的提高。因此，現代車輛懸架不僅要保證其基本性能，更要注重提高汽車的安全性和舒適性。隨著高性能電子技術和傳感器技術的迅速發展，電子設備的性能和可靠性得到了進一步提升。通過應用電子控制系統，可以實現電動汽車對懸架系統的有效控制，滿足用戶對車輛駕駛平順性的更高要求，并可有效提高車輛的操控穩定性。