混合動力汽車的主動減振控制方法分析

吳圣 曹林

弗迪科技有限公司 廣東省深圳市 518118

大量的理論研究和實驗表明，發動機的振動及噪聲已成為影響乘坐舒適性的重要因素，其特點是多振源、寬頻帶、形態復雜。發動機振動主要由發動機氣缸內的燃燒與活塞的往復運動所致，該振動可經發動機懸置系統傳遞至車架，進而傳遞到駕駛室內，影響乘坐舒適性。削弱甚至消除發動機傳遞到車架上的振動能有效地解決這一問題，主動懸置系統可利用帶有電磁作動器的液壓懸置，動態調節懸置的動剛度和阻尼，理論上可以將系統的振動降為“0”。

1 主動懸置隔振原理

主動懸置系統相比傳統的橡膠懸置、純液壓懸置增加了電磁作動器及其電子控制單元，電磁作動器如圖1所示，電子控制單元的電路板如圖2所示。電磁作動器是利用永磁鐵或電磁鐵來產生穩定的磁場，當磁場中線圈有電流通過時產生了和電流成正比的安培力，從而驅動作動器動作，電磁作動器是主動懸置的核心部件，是電控單元對懸置采取主動控制的重要環節。

圖2 主動懸置系統控制電路板

2 主動減振控制策略

普通懸置做不到理想剛度和阻尼的要求，主動懸置的動剛度和阻尼是可控的，可根據實際激勵來輸出所需要的剛度和阻尼，理論上可以將系統的振動降為“0”。其基本原理為：通過傳感器采集到發動機和路面激勵信號反饋給控制電路，使作動器產生一個與之頻率和幅值均一樣、相位反向的信號從而達到抵消激勵信號的目的，控制原理示意圖如圖3所示。

圖3 控制原理示意圖

電控單元通過車速與發動機曲軸傳感器信號判斷出目標工況，并從發動機電子控制單元獲取與振動相關的數據，分析出發動機的振動狀態，計算電磁作動器的工作電流，并根據動力電池充電功率、發動機點火線圈信號、縱向加速度值對工作電流大小、時序進行多次修正和閉環控制，最終控制主動懸置削弱甚至消除發動機振動傳遞與噪音。

混合動力汽車的主動減振控制方法可按以下6個步驟進行。

S101：當混合動力汽車的發動機工作時，獲取車速和曲軸傳感器信號，并以此判斷車輛是否處于怠速充電工況，車速信號用于怠速工況的判斷，曲軸傳感器信號判斷發動機的轉速是否處于充電工況對應的預設轉速區間，二者都滿足時即為目標工況。預設轉速區間可根據實際情況進行標定，例如預設轉速區間可以為900r/min-2000r/min。

S102：當S1判斷車輛處于怠速充電工況下時，則根據曲軸傳感器信號計算發動機的轉速和振動周期。發動機轉速等于每分鐘曲軸轉動的圈數，發動機振動周期可根據發動機的汽缸數和發動機的轉速計算獲得。以四缸發動機為例，發動機的每個工作循環中曲軸轉動兩圈，并且每個工作循環中，四個汽缸按照1342的順序點火燃燒各一次，即發動機每轉會點火燃燒兩次，也就是發動機每轉振動兩次，如果發動機的轉速為6000r/min，那么它的振動周期為1/200s。在計算出發動機的轉速和振動周期后，可利用采樣法獲得此時發動機的振幅和頻率，通過采樣法或查表法等計算獲得所需的目標電流值A；當S1判斷車輛處于非怠速充電工況下時，則進入其他工況（如加速、減速等）的處理。

S103：當S1判斷混合動力汽車處于怠速充電工況時，需與整車控制器或者電池管理系統通信以獲取動力電池的充電功率。此通信周期遠大于發動機的振動周期，為了減少在通信完成后的計算時間，可以設置一個預處理（如步驟S1-S2），該預處理的作用就是利用通信完成前的時間，預先計算出一個目標電流值A，并在通信結束后，直接利用該目標電流值A，從而有效減少通信結束后的計算時間。

S104：由于充電功率會對發動機的振動產生影響，所以還需根據動力電池的充電功率對目標電流值A進行調整，以獲得第一修正電流值A’，這樣修正后的目標電流值更加符合實際工況。

S105：獲取發動機的點火線圈信號，并根據發動機的點火線圈信號判斷發動機處于點火狀態時，根據第一修正電流值和發動機的點火線圈信號輸出帶有工作時刻的驅動信號至電磁作動器進行工作電路的驅動。點火線圈信號反映了發動機汽缸內的燃燒時刻，發動機的振動主要產生于點火時刻汽缸內的氣體燃燒推動活塞，所以采用點火線圈信號來控制第一修正電流值 A’的輸出時刻，抑制振動更為準確和有效。可先根據第一修正電流值A’和發動機的振動周期，采用脈沖寬度調制控制的方式獲取相對應的驅動信號，然后根據點火線圈信號生成驅動用脈沖控制信號，通過該脈沖控制信號決定第一修正電流值A’輸入到作動器的時間。

S106：驅動電路根據驅動信號向作動器輸出帶有作用時間的工作電流，作動器根據帶有作用時間的工作電流進行工作以對混合動力汽車進行主動減振控制。當第一修正電流值A’輸入至作動器時，作動器根據工作電流對自身的電磁感應裝置進行調節，實現機械結構的上下運動，從而改變主動懸置的阻尼和動剛度，實現汽車在怠速充電工況下的減振降噪功能，提高用戶的乘車舒適度。

在實際應用中，還可以通過監測作動器工作溫度來適當調整目標電流值，對每個時刻的第一修正電流值的大小進行調整，消除溫度對作動器的影響。由于驅動電路中線圈的電阻會隨著溫度的升高而增大，所以可以利用驅動電路的輸出電流來計算線圈的電阻值，然后根據該電阻值推算出此時作動器的工作溫度，最后根據工作溫度推算出作動器的工作狀態，并根據工作狀態對第一修正電流值A進行調整，以及根據調整后的電流值對主動懸置的動剛度進行調整。從而在未產生本次減振效果之前，通過對作動器工作溫度的監測，對每個時刻的第一修正電流值的大小進行調整，消除溫度對作動器的影響，達到對減振效果進行主動調整的目的，使其具有更好的減振效果。

在對主動懸置動剛度調整后，如果不對減振效果進行監控，則無法判斷減振是否有效以及具有怎樣的減振效果，而如果能夠對減振效果進行監測，并根據當前的減振效果對下一周期的第一修正電流值進行調整，那么所獲得的第一修正電流值會更加合理，減振效果會更好。

圖4是某車型四缸發動機的點火線圈信號與目標電流值的關系圖。其中，q1為1號汽缸的點火線圈信號，q2為3號汽缸的點火線圈信號，q3為4號汽缸的點火線圈信號，q4為2號汽缸的點火線圈信號，F為產生目標電流值所需的PWM信號，a、a1分別為修正前后的起始相位差，b、b1分別為修正前后高電平信號時間長度，c、c1分別為修前后一個信號周期的時間長度，其中占空比即為b/c、b1/c1。

圖4 點火線圈信號與目標電流值的關系圖

以曲軸傳感器、點火線圈信號、車速傳感器等汽車已經存在的信號作為減振控制的輸入信號，信號采集更加便捷有效。并且運用點火線圈信號直接獲取減振降噪控制的有效時刻，使得減振控制的作用時間更加準確，減振效果更有效。同時，將驅動電路的工作電流作為輸入信號，對目標電流值進行主動調整，并將加速度傳感器的信號作為反饋信號，對目標電流值進行閉環控制，可以更好地實現減振降噪控制，達到衰減振動和降低噪聲的效果，提高用戶的舒適度而且整個控制充分利用了與整車控制器的通信時間，有效減少了通信后的計算時間，使得控制響應速度更快。

3 臺架試驗方法與數據

此試驗臺架是模擬某車型發動機重量、安裝位置和質心位置，將其邊界環境加以簡化而設計，用于模擬發動機運行的各工況激勵下懸置的隔振情況。臺架運行時能產生0-100Hz的激振力，可模擬四缸發動機3000轉以下各種工況的激勵，可做懸置耐久疲勞試驗和電路板耐久試驗，還可以對控制電路及軟件程序進行試驗標定及優化。試驗臺架的原理和結構圖如圖5、6所示。

圖5 試驗臺架原理框圖

圖6 數據采集系統和臺架結構圖

位移傳感器置于主動懸置的被動端，由臺架數據采集系統采集和處理被動端位移量，圖7、8分別是臺架試驗主動懸置介入和關閉后的振動位移幅值對比。從圖中可以看出，主動懸置作動后位移幅值減小了約50%，當主動懸置不工作時位移幅值增大約一倍。

下述為使用BBM數據采集系統進行加速度數據采集和處理，加速度傳感器分別放置主動懸置的主動端及被動端，如圖9、10所示。

圖9 BBM數據采集系統

圖11、12分別是試驗臺架無作動和有作動兩種情況下，主動懸置部作動前后主、被動端振動加速度值對比。從圖中可以看出，振動加速度衰減率為80%，重要的是被動端的振動加速度有效值由0.073g衰減到0.046g，從實際主觀感受上隔振效果非常明顯。

圖8 主動懸置關閉后被動端振動位移圖

圖10 振動數據處理

圖11 試驗臺架無作動時主被動端振動數據

圖12 試驗臺架作動時主被動端振動數據

4 結語

應用以上的主動減振控制方法，并通過搭建試驗臺架對發動機各工況進行模擬試驗，驗證了該控制方法可使主動懸置系統削弱50%以上的發動機振動傳遞，阻止不平衡力和噪聲向車內傳遞，可以在主動懸置相關的控制系統當中推廣使用。混合動力汽車在市場上還占有著相當大的比例，解決好混合動力汽車在怠速充電工況下的主動減振問題，能夠有效提升車輛的舒適性，對車廠和消費者而言都有著重要意義。