刘伟++刁凯凯++殷徐盼++郦路遥++刘亦雨
【摘 要】为了更好地消除车身扭转载荷，将永磁直线电机应用于馈能悬架系统，提出了一种根据路况变化或人为需要切换悬架工作模式的控制方法，对馈能悬架的两种模式进行性能仿真分析。结果表明，该悬架在随动馈能模式下，可回收悬架的振动能量；在主动减振模式下，显著的提高了汽车的行驶平顺性。
【关键词】馈能悬架 直线电机 模式切换
1 引言
汽车在不平道路上行驶时，车轮的附着力会降低，受到冲击和扭转载荷的作用，车身与车架会产生过度变形甚至出现裂纹等早期损坏现象。为了改善车轮接地性能和消除车身扭转载荷，机械、油液、油气等互联悬架系统应运而生。
本文将永磁直线电机应用于汽车悬架系统，建立矢量变换下的直线电机数学模型、馈能悬架的单轮数学模型，提出馈能悬架的模式切换控制原理，并对馈能悬架的两种模式进行性能仿真分析。
2 直线电机数学模型
采用电流滞环比较PWM控制原理、轴的数学模型和PWM逆变器技术分析，搭建适用于Matlab/Simulink仿真用的永磁直线电机的通用仿真模型和基于矢量控制的控制模型，如图1所示。
3 馈能悬架模型
为了便于分析计算，又能突出问题的本质，采用车辆单轮模型[1]，如图2所示。
其中，、分别为簧载质量和非簧载质量；、分别为弹簧刚度系数和轮胎刚度系数；为阻尼器阻尼系数；为作动器产生的推力；、和分别为悬挂质量位移、非悬挂质量位移和路面激励；为路面不平度系数；为车速；为下截止频率；为均值为0的高斯白噪声。
4 悬架参数确定
车身在振动过程中，部分振动能量通过减振器以热能的形式耗散掉，其产生的热量为减振器做的功
选择某汽车的后悬架参数为仿真分析的对象，其簧载质量为317.5 kg，非簧载质量为45 kg，轮胎刚度为190 kN/m，弹簧刚度为20 kN/m，传统悬架阻尼系数C为1200 N·s/m。充电电容初始电压为10v，以20m/s的车速在C级路面上仿真10s，算出此时传统悬架的车身质心加速度均方根值为1.3324m/s2，并测得馈能悬架充电电容的最终电压值和车身质心加速度均方根值，仿真结果如图3所示。
综合分析悬架的减振性、馈能性以及安全性等多方面因素，选择馈能悬架的减振器阻尼系数大小为N·s/m。
5 馈能悬架性能仿真分析
5.1 馈能悬架能量回收情况分析
在C级路面上以20m/s的车速行驶20s，比较电机作动器在两种模式下的瞬时功率来对比两种模式下的能量回收情况，如图4.1和4.2所示。
功率为正值，电机耗能；为负值，电机馈能。由图5（a）和5（b）可知，处于随动馈能模式时，直线电机反馈能量，最大瞬时功率为-590W，计算得出平均功率为-34W；处于主动减振模式时，直线电机消耗能量，最大瞬时功率为270W，计算得出的平均功率为14W。
5.2 馈能悬架减振性能分析
5.2.1 手动模式下悬架减振性能仿真分析
路面输入采用式（3）的滤波白噪声，取，车速为20 m/s时，传统悬架与随动馈能模式、传统悬架与主动馈能模式的输出功率谱响应对比如图5所示。
由图5可知，悬架工作在随动馈能模式下其综合性能与传统悬架十分相似，可以满足多种路况，并回收悬架部分振动能量。工作在主动减振模式下的悬架的减振性能有显著的提高，可满足乘客对舒适性的要求。
5.2.2 自动模式下悬架減振性能仿真分析
路面输入采用式（3）的滤波白噪声，仿真20s，以车速20m/s行驶在变化的路面上，前10s取，后10s取，对比传统悬架与自动模式下的馈能悬架的减振性能，系统输出功率普响应如图6所示。
由图6可以看出，在低频段，具有模式切换功能的馈能悬架其质心加速度显著降低，其性能与传统悬架相比有较大改善，证明了模式切换控制策略的有效性。
6 结语
与传统悬架相比，馈能悬架工作在随动馈能模式下时，在不影响乘坐舒适性的条件下可回收悬架的振动能量；工作在主动减振模式下时，其减振性能明显提升，提高了汽车的行驶平顺性；并且，馈能悬架的工作模式可根据路况变化或人为需要自由切换，切换策略简单有效。
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