一種電磁主動懸架用直線作動器控制系統(tǒng)設(shè)計與試驗

辜明麟

(南京理工大學(xué) 機械工程學(xué)院，南京 210094)

0 引言

被動懸架的設(shè)計參數(shù)難以在車輛操穩(wěn)性與平順性中都取得最佳效果，而能夠根據(jù)路面行駛信息及不同行駛工況，及時主動調(diào)節(jié)懸架系統(tǒng)的剛度和阻尼的主動懸架最早在1954年被Federspiel Laprose提出[1]。此技術(shù)既能使汽車乘坐舒適性達(dá)到令人滿意的程度，又能使汽車的操縱穩(wěn)定性達(dá)到最佳狀態(tài)，近年來尤其是高檔豪華轎車中，都相繼出現(xiàn)性能優(yōu)越的電子控制主動懸架系統(tǒng)，其中以直線電機作為作動器的電磁直線主動懸架，以其優(yōu)良的大推力瞬態(tài)響應(yīng)特性，得到了廣泛地關(guān)注。

電磁直線主動懸架的控制一直是國內(nèi)外學(xué)者的研究焦點，為了滿足車輛的操穩(wěn)性與平順性為優(yōu)化目標(biāo)，大多研究都采用現(xiàn)代控制方法得到理想的主動力。王云濤等[2]為了提高車輛的減振性能，建立了基于電磁作動器的車輛主動懸架模型，對該動力學(xué)模型進(jìn)行線性化處理，并用二次型最優(yōu)控制理論對主動懸架進(jìn)行控制。通過仿真表明不同激勵下所設(shè)計的主動懸架控制系統(tǒng)對懸架的減振效果明顯，提高了車輛的乘坐舒適性。張云[3]等設(shè)計了基于電磁作動器的主動懸架滑膜控制系統(tǒng)，對該控制系統(tǒng)進(jìn)行分析優(yōu)化，在MATLAB/Simulink中對該系統(tǒng)進(jìn)行建模，最后通過與Carsim聯(lián)合仿真表明了所設(shè)計的滑膜控制系統(tǒng)能明顯改善汽車的駕乘舒適性和平順性。但是電磁主動懸架的控制效果如何是以理想主動力的最終實現(xiàn)為前提條件的，而目前針對直線作動器的控制系統(tǒng)的研究較少。

本文針對電磁主動懸架的主動力執(zhí)行機構(gòu)——直線作動器，為了滿足電磁主動懸架控制對直線作動器主動力穩(wěn)定性、精度、快速性要求，采用數(shù)字信號處理器為核心，對直線作動器控制系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計分析和試驗研究。結(jié)果表明所設(shè)計的控制系統(tǒng)對理想電流信號的跟蹤特性具有較高穩(wěn)定性和精度，能滿足電磁主動懸架對直線作動器主動力輸出的性能要求。

1 直線作動器

1.1 建模分析

直線作動器根據(jù)上層控制策略輸出理想主動力，直接作用于懸架系統(tǒng)，用以改善車輛的平順性與操穩(wěn)性。直線作動器由初級硅鋼片，次級鐵心，永磁體和三相繞組組成。它是一種短初級和長次級組成的永磁同步線性電動機，初級由三相繞組和初級硅鋼片組成，次級由鐵心和永磁體組成。永磁體在次級鐵心上交替布置，次級鐵心是空心的，可以在內(nèi)部安裝液壓阻尼器。液壓阻尼器可以提供部分阻尼力,這可以顯著降低直線作動器的能耗。初級繞組采用模塊化繞組，將初級繞組分為三個部分，分別稱為UVW三相。與其他類型的繞組相比，模塊化繞組易于制造和組裝。另外由模塊繞組和徑向磁化的永磁體的相互作用產(chǎn)生的氣隙磁通密度很大。該直線作動器為12個槽10個極，與其他線性執(zhí)行器相比，這種類型的線性執(zhí)行器具有能耗低，運行穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)簡單，易于控制的優(yōu)點。具體的設(shè)計參數(shù)如表1所示，結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

表1 直線作動器參數(shù)

圖1 直線作動器的二維模型圖

直觀上可在直線作動器的三相的互成120°角繞組軸線上建立數(shù)學(xué)模型，但此坐標(biāo)系下建立的方程存在復(fù)雜的電磁耦合關(guān)系，無法通過控制單一相電流電壓變量控制其機電磁能量轉(zhuǎn)換。通常情況下會建立以動子磁極方向為d軸，以d軸逆時針轉(zhuǎn)90°為q軸建立動態(tài)dq軸坐標(biāo)系，在該坐標(biāo)系下建立直線作動器數(shù)學(xué)模型：

上式為直線作動器的電磁推力方程，式中id,iq代表動態(tài)dq軸坐標(biāo)系下的定子電流；Ld,Lq代表動態(tài)dq軸坐標(biāo)系下的電感；τ代表極距；Ψf代表永磁體在定子繞組中產(chǎn)生的磁鏈幅值；Np代表極對數(shù)。

由于該直線作動器的永磁體是貼在圓形鐵心外側(cè)，永磁體的磁導(dǎo)率和氣隙磁導(dǎo)率相近，相對磁導(dǎo)率接近1，d軸和q軸的磁路基本對稱，所以d軸和q軸電感相等，直線作動器不存在凸極效應(yīng)和磁阻推力。將上述參數(shù)帶入作動器電磁推力方程算出：

該式表明電磁直線作動器的電磁推力與動態(tài)dq軸系下的q軸電流存在線性正相關(guān)關(guān)系，斜率為196N/A，即推力系數(shù)比。因此在對作動器進(jìn)行控制時可以根據(jù)主動懸架所需要的主動力目標(biāo)電磁力，根據(jù)推力系數(shù)比算出當(dāng)前時刻的dq軸系下的q軸電流，將理想電流值作為控制系統(tǒng)輸入信號輸入到信號處理芯片進(jìn)行處理，最終輸出帶合適占空比的六路PWM波形到功率驅(qū)動板，再輸出三相逆變?nèi)珮虻腢VW三相正弦交流電壓信號到作動器電源輸入端，實現(xiàn)懸架系統(tǒng)所需的主動力控制。

1.2 理想主動力分析

電磁主動懸架上層控制策略所輸出的理想主動力通常是瞬態(tài)變化的，因此對控制系統(tǒng)提出了較高的要求。張建強[5]中對電磁主動懸架進(jìn)行仿真分析，得出C級路面下車速為100km/h時的電磁直線作動器的主動力輸出曲線，如圖2所示。汪若塵等[6]通過改進(jìn)天棚控制策略，對主動懸架直線作動器性能參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，得到了車速為20m/s，B級路面下的最優(yōu)控制力-時間曲線，如圖3所示。為了滿足理想主動力的瞬態(tài)變化特性，本文對直線作動器控制系統(tǒng)對電流跟蹤的快速性、精度和穩(wěn)定性提出了具體的性能指標(biāo)要求，如表2所示。為了滿足電磁主動懸架對直線作動器輸出主動力的快速性要求，直線作動器控制系統(tǒng)對作動器電流的控制輸出響應(yīng)時間應(yīng)≤50ms。為了滿足電磁主動懸架對直線作動器輸出主動力的精度要求，直線作動器在跟蹤理想主動力時應(yīng)穩(wěn)定在期望值附近，因此本文要求直線作動器的電流跟蹤控制，平衡后的精度誤差不超過目標(biāo)值的5%。為了滿足電磁主動懸架對直線作動器輸出主動力的穩(wěn)定性要求，在系統(tǒng)平衡后的標(biāo)準(zhǔn)差不超過目標(biāo)值的2%。

圖2 電磁直線作動器主動力

圖3 最優(yōu)控制力與直線電機電磁力仿真結(jié)果

表2 直線作動器控制系統(tǒng)性能指標(biāo)要求

2 控制策略設(shè)計

電機磁場定向矢量控制策略具有良好的動態(tài)性能，作動器控制設(shè)計使用轉(zhuǎn)子磁場定向控制，能夠滿足理想主動力的高動態(tài)響應(yīng)要求。控制系統(tǒng)主要由以下幾個部分組成：

1）坐標(biāo)變換：現(xiàn)實中無法直接測量dq軸系的電流電壓，只能通過測量三相定子電流，須設(shè)置坐標(biāo)變換環(huán)節(jié)。三相靜止坐標(biāo)系下定子電流空間矢量變換為兩相運動坐標(biāo)系下電流矢量的變換公式為：

兩相運動坐標(biāo)系下電流矢量變換為兩相靜止坐標(biāo)系下電流矢量的變換公式為：

式中，θ為動子電角位置，為三相靜止坐標(biāo)系下A相繞組軸線正方向與兩相運動坐標(biāo)系下d軸正方向的夾角。

2）電流環(huán)調(diào)節(jié)器：電流環(huán)主要由PI控制器、PWM逆變器、作動器定子繞組和電流檢測四部分組成。作動器系統(tǒng)自身的電磁時間常數(shù)遠(yuǎn)小于機械時間常數(shù)，所以為了簡化分析，忽略了作動器反電動勢影響。作動器定子繞組的傳遞函數(shù)Gdq_z(s)為[9]：

電流檢測環(huán)節(jié)可等效為比例環(huán)節(jié)，則可得到電流環(huán)控制框圖，如圖4所示。

圖4 電流環(huán)控制框圖

式中K1，T1分別為比例系數(shù)和積分時間常數(shù)；K2為等效放大系數(shù)；T2為等效時間常數(shù)；Ldp為d軸或q軸電感；K3為電流檢測環(huán)節(jié)比例系數(shù)；R為繞組電阻。由框圖可得dq軸電流環(huán)控制系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)：

采用零-極點對消原則設(shè)計控制系統(tǒng)，令T1=L/R，系統(tǒng)階次降低，則dq軸電流環(huán)控制系統(tǒng)閉環(huán)傳遞函數(shù)Gdq_B(s)、開環(huán)增益K和機電時間常數(shù)Tm：

對于上述公式所示的典型二階系統(tǒng)，可求出自然頻率wn和阻尼比：

由上述公式可得電流調(diào)節(jié)器的比例增益K1和積分時間常數(shù)T1為：

3）兩電平電壓型逆變器控制：相比于SPWM，SVPWM具有更大的調(diào)制比，能更好的利用直流電壓，考慮到能耗本文設(shè)計選擇后者。此技術(shù)原理核心在于盡可能生成準(zhǔn)圓形的電機定子磁鏈?zhǔn)噶寇壽E。而兩電平三相開關(guān)逆變器的三相開關(guān)組合只能輸出八個互成60°角的基本電壓矢量U0、U1、U2、U3、U4、U5、U6、U7。考慮到作動器控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性要求，DSP輸出PWM的特性，設(shè)計使用輸出電壓諧波少的七段式SVPWM。Ug表示當(dāng)前期望輸出的電壓矢量，非零電壓矢量U4和U6的作用時間為t1和t2，tg為一個控制閉環(huán)時間，Ud為母線電壓，則有：

當(dāng)時，設(shè)計引入零電壓矢量和，能使得三相電壓都在線性調(diào)制范圍內(nèi)，這樣能夠增大輸出電壓可控性，還不會明顯增加高次諧波。

4）控制策略：相比于功率因素等于1控制、恒磁鏈控制、定子電流最小控制等，本文作動器控制策略設(shè)計使用的電流控制方法。該方法結(jié)構(gòu)簡單，應(yīng)用廣泛，最大的特點在于作動器輸出的電磁推力與定子電流的幅值成正比關(guān)系，符合本文直線作動器推力輸出控制要求，圖5是直線作動器控制框圖。

圖5 直線作動器的控制系統(tǒng)框圖

3 控制系統(tǒng)搭建

3.1 硬件設(shè)計

電控系統(tǒng)由核心主控芯片、外設(shè)調(diào)控電路、功率驅(qū)動電路和傳感器等組成。圖6是控制系統(tǒng)示意圖，圖7是控制系統(tǒng)硬件實物圖。

圖6 控制系統(tǒng)硬件框圖

圖7 控制系統(tǒng)硬件電路

該控制系統(tǒng)采用的傳感器包括檢測動子位置的光柵尺位移傳感器及檢測作動器相電流的霍爾電流傳感器。考慮動子行程為120mm，選用拉桿式傳感器，其額定量程為140mm,最大量程為156mm,分辨率為0.001mm。考慮到定子電流變化極快，且作動器控制系統(tǒng)要求快速性和準(zhǔn)確性，硬件上設(shè)計使用高線性度、高響應(yīng)速度的霍爾電流傳感器。同時，考慮到作動器運行啟動電流很大，所以傳感器的量程應(yīng)該五倍于作動器額定電流。直線作動器的額定電流為5A，選用量程為-25A到25A的霍爾電流傳感器，其響應(yīng)時間小于1.0微秒，線性度小于1%。

3.2 軟件設(shè)計

主程序中進(jìn)行PLL、時鐘、外設(shè)、引腳等初始化之后等待運行按鍵，當(dāng)開始按鍵按下后開始定位程序，輸出直流電壓以定位動子位置；最后定位完成后進(jìn)入循環(huán)等待中斷。

主中斷中用ePWM模塊每次計數(shù)到零為中斷響應(yīng)信號，中斷頻率為5kHz，這樣設(shè)計便于控制算法運行與PWM信號計算和輸出同步。主中斷全程掃描按鍵狀態(tài)，作動器故障信息等，狀態(tài)變化則自動切斷電源。由ADC采樣得到相電流轉(zhuǎn)換值，計算此刻三相相電流。判斷相電流是否超過作動器額定電流，若是則切斷電源，若否則進(jìn)入坐標(biāo)變換模塊；PI模塊計算電流誤差值，調(diào)節(jié)輸出。經(jīng)過IPARK變換，SVPWM模塊計算PWM計數(shù)比較值，使得PWM輸出信號及時更新，保證此刻電壓型逆變器的六個IGBT上輸出的電壓空間矢量正好是當(dāng)前dq軸系下的目標(biāo)電壓空間矢量；最后清除PWM中斷標(biāo)志，清除PIE應(yīng)答標(biāo)志。

次中斷服務(wù)程序為定時器計數(shù)溢出中斷，頻率為20kHz。在頻率極高的程序中采集ADC轉(zhuǎn)換值并進(jìn)行平均值計算，保證電流數(shù)值為當(dāng)前作動器相電流瞬時值，減小數(shù)據(jù)滯后現(xiàn)象。同時次中斷服務(wù)程序掃描按鍵狀態(tài)，當(dāng)按鍵按下后程序能即使得到按鍵信息并處理。圖8為主中斷流程圖，圖9為次中斷流程圖。

圖8 主中斷流程圖

圖9 次中斷流程圖

4 試驗

為了驗證所設(shè)計的作動器控制系統(tǒng)的精度、穩(wěn)定性及響應(yīng)時間，按所設(shè)計的控制系統(tǒng)搭建了試驗裝置，對直線作動器的電流跟蹤特性進(jìn)行了試驗研究。實際直線作動器試驗中，根據(jù)上文分析需采集作動器的動子位置信號及相電流信號，光柵尺位移傳感器和霍爾電流傳感器檢測的動子位置信號和相電流信號實時傳輸給DSP進(jìn)行數(shù)字信號處理。試驗中通過開辟大內(nèi)存空間記錄關(guān)鍵數(shù)據(jù)，并且在試驗時通過上位機時刻監(jiān)控數(shù)據(jù)信息，試驗后利用仿真器讀出保存的數(shù)據(jù)。本文通過輸入階躍信號和多段斜坡信號來考察所設(shè)計的直線作動器控制系統(tǒng)的性能。

試驗一是階躍信號跟蹤試驗，id的目標(biāo)值為0A，iq的目標(biāo)值為2A和-2A。圖10(a)、圖10(b)分別是試驗一的iq和id電流跟蹤曲線。根據(jù)自動控制原理，在控制系統(tǒng)分析設(shè)計中，一般將階躍函數(shù)作用下的系統(tǒng)的響應(yīng)特性作為評價系統(tǒng)動態(tài)性能的依據(jù)。表3列出了試驗一的iq響應(yīng)特性，包括實際q軸電流的上升時間（輸出信號首次到達(dá)目標(biāo)/值的時間）、最大超調(diào)量、穩(wěn)態(tài)值、均方根誤差RMSE（Root Mean Square Error）和標(biāo)準(zhǔn)差MSE（Mean Square Error）。

表3 階躍信號輸入iq電流響應(yīng)特性

從表3中的數(shù)據(jù)以及圖10(a)、圖10(b)可看出，試驗系統(tǒng)能在25ms迅速跟蹤目標(biāo)電流值并在40ms之后持續(xù)穩(wěn)定在理想值，最大超調(diào)量僅0.18A，說明該控制系統(tǒng)響應(yīng)時間短，有較高的快速性。前后兩段穩(wěn)定后的iq電流實測數(shù)據(jù)的均方根誤差僅0.009A和0.043A，表明測量的數(shù)據(jù)偏離目標(biāo)值的程度很小，直線作動器控制系統(tǒng)的精度很高。標(biāo)準(zhǔn)差反映一組數(shù)據(jù)的離散程度，當(dāng)實際iq電流值分別穩(wěn)定在2A和-2A之后，可算出前后兩段實測數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)差都僅為0.012A，表明該控制系統(tǒng)具有很高的穩(wěn)定性。

圖10 不同信號下的iq和id電流跟蹤曲線

試驗二是多段斜坡信號跟蹤實驗，為了模擬實際電磁主動懸架控制中理想主動力的動態(tài)變化趨勢，設(shè)置iq信號為720毫秒內(nèi)九段不同斜率的斜坡輸入信號,如表4所示。id目標(biāo)值為0A。

表4 九段不同斜率下的理想iq電流信號

圖10(c)、圖10(d)分別是試驗二的iq和id電流跟蹤曲線，試驗二的q軸電流響應(yīng)也能基本上實時跟蹤上輸入信號，跟蹤效果具有較高的快速性。全部九段iq電流實測值與九段iq目標(biāo)值的均方根誤差為0.239A，說明多段斜坡信號的iq電流跟蹤精度很高。全部九段iq電流實測值與目標(biāo)值的偏差的標(biāo)準(zhǔn)差為0.150A，說明多段斜坡信號的iq電流跟蹤的穩(wěn)定性很高。試驗一和試驗二的id電流均能穩(wěn)定在0A，試驗一的實測id的均方根誤差為0.076A，試驗二的實測id的均方根誤差為0.1163A，說明id電流閉環(huán)控制效果好，三相定子電流幾乎都用于產(chǎn)生電磁推力，定子電流勵磁分量很小。

綜合來講所設(shè)計的直線作動器控制系統(tǒng)的階躍信號的響應(yīng)速度為30ms左右，跟蹤精度誤差不超過目標(biāo)值的2.1%，標(biāo)準(zhǔn)差不超過目標(biāo)值的0.6%。斜坡信號跟蹤信號均方根誤差僅為0.239A，標(biāo)準(zhǔn)差僅為0.150A。在一般的控制系統(tǒng)三個性能指標(biāo)上有著很高的精度與穩(wěn)定性及較高的快速性，整體性能指標(biāo)能滿足電磁直線主動懸架對直線作動器控制系統(tǒng)的要求。

5 結(jié)語

1）本文完成了電磁主動懸架中直線作動器及其控制系統(tǒng)的建模，在此基礎(chǔ)上完成了所設(shè)計的控制系統(tǒng)的軟件和硬件系統(tǒng)搭建。

2）通過給定電流輸入的跟蹤實驗，分析了所設(shè)計的作動器控制系統(tǒng)對作動器的控制效果。該控制系統(tǒng)具有很高的穩(wěn)定性、很高的精度和較高的快速性，符合所提出的技術(shù)指標(biāo)，能夠滿足電磁主動懸架對主動力的要求。