文/江苏 高惠民
车载视觉感知预瞄下的主动悬架
控制分析与实车应用(二)
(接上期)
(4)电磁主动悬架系统
电磁主动悬架系统是基于电机学原理而设计的，依据所采用电机结构形式的不同，可分为直线电机式和旋转电机式。电机作动器通常是由具有高性能永磁材料的永磁电机与一定的连接导向机构构成，通过电机的驱动力实现电磁作动器主动控制力的输出，电磁主动悬架系统原理如图12所示。
直线电机式电磁作动器无需加入任何传动部件，可以直接将电磁作动器的电能与车体车轮之间相对运
动的机械能相互转换，实现对车辆的振动控制。直线电机式电磁作动器如图13所示，直线电机式电磁作动器的优点是作动器中运动机构相对较少，机械损耗非常小，可靠性高，但其漏磁非常大，输出的主动控制力相
对较小，其体积通常较大，并且制造成本高。
旋转电机式电磁作动器需要采用一定的运动方式转换机构，
才能将电机的旋转运动与车体车轮之间的相对直线运动相互转换，实现对车辆的振动控制。依据电磁作动器所采用的运动方式
转换机构的不同，可将其分为滚珠丝杠型和齿轮传动型。如新款奥迪A8采用的AI主动悬架系统采用的谐波齿轮传动的结构(文章后面详细介绍)。
电磁主动悬架系统响应速度快、可控性强，其零部件和系统配置要求较液压主动悬架低，其密封性要求较空气主动悬架低，且可以用来回收振动能量。但其体积相对较大，且成本较高。当前电动车辆的发展趋势为电磁主动悬架系统提供了一个非常好的平台，电磁主动悬架系统具有很好的发展前景。但是，要实现电磁主动悬架的商业化应用，还需要解决其可靠性、稳定性和成本等方面的问题。
3.半主动悬架系统
主动悬架系统的主要问题之一是在其控制过程中会消耗大量的能量，这大大提高了主动悬架系统运行成本，降低了主动悬架系统在实车中应用的可行性。为了解决这一问题，国内外学者和各汽车公司的技术人员提出了一种新型悬架系统，可以根据需要(依据控制算法)，自动地调节阻尼元件的阻尼系数或者弹性元件的刚度，实现车辆悬架系统的振动控制，这种悬架
系统被称为半主动系统，如图14所示。
图12 电磁主动悬架系统原理图
图13 直线电机式电磁作动器
图14 半主动悬架系统原理图
半主动悬架系统具有控制效果接近主动控制且仅需消耗极少能量的优点，且由于是受限输入-受限输出系统，所以半主动悬架系统不存在主动悬架系统那样的控制失稳问题，并且当其能源供给失效时，可以降级为被动悬架系统，具有失效安全特性。
半主动悬架系统依据其可变元件可分为变刚度半主动悬架系统和变阻尼半主动悬架系统，依据其可变范围可以分为有级可调半主动悬架系统和连续可调半主动悬架系统。(1)变刚度半主动悬架系统
目前，在车辆半主动悬架系统方面，涉及的调整刚度的方法并不多，比较常见的是电子控制空气悬架
系统 ( Electric control air suspension，ECAS) 的气动控制系统。如图15所示为宝马G11/G12 双车桥高度调节系统的系统概览。
用于调节空气悬架的中央控制单元是垂直动态管理平台 VDP。垂直动态管理平台VDP控制单元通过四个车辆高度传感器读取当前车辆高度。在调节过程中，垂直动态管理平台VDP 对电磁阀体的相应电磁阀进行控制。在静止状态下和低车速下(0~20km/h)根据两个蓄压器的储存容积进行调节。在行驶期间(20km/h以上)进行调节时，所需压缩空气不由蓄压器提供而是由压缩机产生并直接输送至相应空气弹簧减振支柱。在特殊情况下，也会在静止状态下接通压缩机。空气弹簧减振支柱内容积增大时会使车身升高。通过四个车辆高度传感器识别出达到规定高度并终止控制相应电磁阀。为了避免频繁进行调节，通过一个三点调节装置进行处理。在此单独通过两个车辆高度传感器来调节后桥。在前桥处根据一个平均值调节相应车辆高度。为了避免进行电磁阀体维修作业时发生混淆，压缩空气管路采用不同颜设计。图15对颜代码进行了总结：黄—蓄压器；黑—右前空气弹簧减振支柱；绿—左前空气弹簧减振支柱；蓝—右后空气弹簧减振支柱；红—左后空气弹簧减振支柱。
空气供给由垂直动态管理平台VDP进行所需计算，产生所需压缩空气，并根据要求对电动压缩机、压缩空气室以及四个空气弹簧减振支柱间的空气流进行协调，G11/G12空气供给装置组成如图16所示。
图16 G11/G12 空气供给装置组成图为了节省安装空间，空气供给装置由两个独立的蓄压器构成，总容
积为6L，最大蓄压器压力为17.5bar(1bar=100kPa)。达到最大压力时可提供105L的空气量，图17所为G11/12空气悬架供给装置示意图。
在电磁阀体内有不同电动电磁阀，如图18所示。通过这些电磁阀可将压缩空气传输到不同空气悬架组件。在垂直动态管理平台VDP控制单元内进行所需计算从而控制电动电磁阀。VDP控制单元采用简单、可靠的算法，如天棚阻尼控制算法等。以车桥方式发生高度变化时可通过系统达到以下调节速度：通过蓄压器进行调节为每秒10mm；通过电动压缩机进行调节每秒2mm。启用蓄压器电动电磁阀作动时，压力传感器向垂直动态管理平台 VDP控制单元提供有关装置当前充气压力的数据。如果所存储压
图15 G11/G12 空气悬架高度调节系统概览图
力不足以完成高度变化，垂直动态管理平台 VDP 控制单元就会接通压缩机从而产生压力。但是为了不影响舒适性，在静止状态下仅在有限条件下接通压缩机(参见空气供给装置)。启用电磁阀从而控制空气压缩弹簧减振支柱时，压力传感器会提供相应空气弹簧减振支柱的充气压力。
通过空气弹簧减振支柱内的压力可在所有负荷状态下自动调节车身高度，从而防止承受负荷时车身降低。通过一个电动驱动的压缩机和两个蓄压器为空气弹簧减振支柱供给空气。因此空气悬架工作时不受内燃机运行状态影响，可通过在后桥进行单车轮调节对不均衡负荷(例如通过不平衡负荷产生)进行补
偿。空气弹簧减振支柱用一个膜片折叠气囊取代了螺旋弹簧。通过一个压缩空气接口将空气压入空气弹簧减振支柱内。压力升高使空气弹簧减振支柱膜片折叠气囊展开并使车身升高。空气弹簧减振支柱通风时压力降低，膜片折叠气囊重新缩回且车身降低，图19所示为G11/G12 空气悬架控制输入输出图。(2)变阻尼半主动悬架系统
车辆弹性元件需要承担车体的静载，因而实施车辆的刚度调节控制要比阻尼调节控制困难得多，并且改变阻尼元件的阻尼系数较之改变弹性元件的刚度更容易实现。因此，多年来对半主动悬架的研究主要集中于可变阻尼的阻尼元件上。新型智能材料磁流变液的研制成功及其在减振器中的应用，使得变阻尼半主动悬架系统具备了研究和设计的基本条件。由磁流变液作为介质构成的悬架系统减振器，可通过对其施加不同大小的磁场或者电场，实现减振器内液体黏性的调节，即改变减振器的阻尼，并依据一定的半主动控制算法实现车辆控制，改变其振动特
性。图20给出了美国Lord公司与Delphi公司合作开发出的磁流变液(MRC)减振器，
该减振器装备在2002凯迪拉克Seville高级车辆上，图21所示为 MRC电磁悬架系统控制架构示意图。
MRC主动电磁悬挂能够通过传感器实时收集车辆与路面的信息，以1 000Hz 的高频率控制电磁减振器的阻尼，吸收来
图17 G11/12空气悬架供给装置示意图
图18 G11/12空气悬架供给装置电磁阀体图19 G11/G12 空气悬架控制输入输出图
自路面的颠簸，带来平稳舒适的感受。相比之前的系列，第四代MRC由四轮高精度加速度传感器、惯导测量单元和改进的减振液组成。第四代MRC提升了所有与驾乘体验相关的性能，更高分辨率、更低迟滞的传感器、更科学的算法、更精细的调校，使得减振阻尼变化获得更舒适、更平顺和更精细的调节能力。
综上，变阻尼半主动悬架系统具有成本低、阻尼连续可调、结构简单和无噪声等优点，是一种具有发展前景的悬架系统，但要实现其大规模的市场化应用，还需要进一步解决其温度稳定性和沉降稳定性等问题。
4.馈能悬架系统
半主动悬架系统通过运用新型智能材料，降低了振动控制能量消耗，解决了主动悬架系统的高能耗问题，而馈能悬架系统是通过将悬架系统内原被机械阻尼、内阻等耗散掉的能量回收再利用，以达到降低悬架系统振动控制能量消耗的目的。馈能悬架系统采用新型的可进行能量回收的馈能减振器代替或并联于原有的仅将振动能量以热量形式耗散的减振器(阻尼器)，它可将悬架系统中这部分振动的机械能转换为电能，回收这部分电能并加以利用，可为车辆馈能悬架系统中的馈能减振器振动控制或其他耗能大众自造磁悬球形车
图20 MRC减振器结构
图21 MRC电磁悬架系统控制架构示意图设备及装置供电。馈能悬架系统是在主动悬架系统的基础上发展起来的，目前还处于创新研发阶段，主要以电磁形式结构为主。
电磁式馈能悬架系统是基于电磁主动悬架系统构建的，在主动悬架的基础上，在作动器动力线路两端引入能量回收系统，当作动器工作在发电状态时，由此进行能量回收。与电磁主动悬架系统相同，依据作动器采用电机的结构形式，可将电磁式馈能悬架系统分为直线电机式和旋转电机式。
如图22所示是Bose研发主动电磁式馈能悬架系统模块图，前悬架实际上是一种变形的麦弗逊式结构，只是用线性电磁电机
替代了弹簧和减振器。线性电磁电机是Bose悬架中的核心部件，
没有它也就不能实现强大的滤振功能，滤振频率达到30Hz。
图22 Bose研发主动电磁式馈能悬架系统模块图线性电磁电机内部实际上是一个励磁绕组，中部有一块磁铁，如图23所示。传感器识别到当前路况后，会反馈信息给控制系统，然后控制系统处理后再传递电信号给功率放大器，功率放大器将强大的电流输入到线圈内，从而使线性电磁电机内部产生出磁场，这样就可以控制内部的磁铁快速运动，同时磁铁的上下运动也会带动前悬架延伸或收缩。并且在压缩行程中，线性电磁电机可以变成发电机(使用电磁感应原理)，这样就可以回收一部分能量，使得Bose悬架系统整体能耗控制到汽车空调系统的三分之一左右。
图23 Bose研发线性电磁馈能电机结构示意图
(未完待续)