[發明專利]基于NMPC的輪轂直驅空氣懸架系統及協同控制方法

有效

• 申請號: 202110098776.1
• 申請日: 2021-01-25
• 公開（公告）號: CN112757860B
• 公開（公告）日: 2022-07-22
• 發明（設計）人: 李仲興;李忠遠;陳鑫;周鎣;江洪
• 申請（專利權）人: 江蘇大學
• 主分類號: B60G17/019
• 分類號: B60G17/019;B60G17/018;B60G17/052
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本發明公開一種基于NMPC的輪轂直驅空氣懸架系統及協同控制方法，懸架系統由傳感器模塊、拓展觀測器模塊、NMPC控制器、阻尼系數控制器、阻尼系數執行機構、附加氣室控制器和附加氣室執行機構組成，NMPC控制器的輸入為簧上質量垂向位移及其速度、輪胎與電機轉子質量垂向位移及其速度、電機定子與剩余簧下質量垂向位移及其速度，輸出為最優懸架力，以懸架系統性能最優和降低電機偏心距、延長電機壽命為控制目標求解系統的最優懸架力，對最優懸架力依次通過阻尼系數、附加氣室執行機構進行分配，實現空氣懸架阻尼系數、附加氣室二者協同控制，進一步降低車身加速度、懸架動行程、輪胎形變和電機偏心距，提升輪轂直驅空氣懸架系統的綜合性能。

技術領域

本發明屬于安裝在電動汽車上的半主動懸架，具體是輪轂直驅空氣懸架系統以及輪轂直驅空氣懸架系統的阻尼系數和附加氣室的協同控制。

背景技術

基于輪轂電機驅動的電動汽車是有代表性的一類新能源汽車。輪轂電機驅動是將電機直接安裝在車輪上并驅動汽車運動，其優勢體現輪轂電機的直接驅動省去了變速箱、減速器等部分傳動裝置；由于驅動力矩獨立可控、轉矩轉速易于測得，因此在穩定性、主動安全控制和節能方面具有顯著的優勢。但是，一方面輪轂電機的引入增加了非簧載質量，引起車輛輪胎接地性和行駛平順性的惡化；另一方面輪轂電機的引入使多個部件耦合組成一個復雜的機電系統，工作時電動輪受到路面激勵，造成電機定轉子偏心，產生不平衡電磁力，引起電動汽車垂向振動問題及噪聲問題。

空氣懸架具有非線性變剛度特性、固有頻率低、頻域變化范圍小等優點，在汽車領域得到了廣泛應用。然而傳統的空氣懸架結構單一無附加氣室，難以提升懸架性能。而帶有容積可調附加氣室的空氣彈簧可實現多級剛度可調，使懸架能夠更加適應實際工況。

模型預測控制(MPC)是一種動態優化控制方法，可以求解控制系統的約束限制問題，而且對于系統類型沒有限制性。模型預測控制的組成成分為：預測模型、滾動優化和反饋校正。隨著系統復雜度增加，系統參數耦合嚴重，系統動態特性滯后以及控制系統約束逐漸增多等問題隨之而來，常用的線性MPC難以獲得滿意的控制性能，而基于非線性模型預測控制(NMPC)可以有效地解決有擾動、有時滯、有約束、非線性強的復雜系統控制難題。

發明內容

本發明的目的是為了解決現有輪轂直驅空氣懸架系統因參數耦合嚴重、動態特性滯后以及約束增多帶來的控制性能差的問題，提出一種基于非線性模型預測控制(NMPC)的輪轂直驅空氣懸架系統以及協同控制方法。

本發明基于NMPC的輪轂直驅空氣懸架系統采用的技術方案是：其由傳感器模塊、拓展觀測器模塊、NMPC控制器、阻尼系數控制器、阻尼系數執行機構、附加氣室控制器和附加氣室執行機構組成；所述的傳感器模塊測量車身垂向加速度輪胎與電機轉子質量垂向加速度和電機定子與剩余簧下質量垂向加速度并輸入到拓展觀測器模塊中；所述的拓展觀測器模塊的輸出為簧上質量垂向位移z_s及其速度輪胎與電機轉子質量垂向位移z_ur及其速度和電機定子與剩余簧下質量垂向位移z_us及其速度所述的NMPC控制器的輸入為拓展觀測器模塊輸出的簧上質量垂向位移z_s及其速度輪胎與電機轉子質量垂向位移z_ur及其速度電機定子與剩余簧下質量垂向位移z_us及其速度輸出為最優懸架力F_I；所述的阻尼系數控制器的輸入為最優懸架力F_I和簧上質量垂向速度電機定子與剩余簧下質量垂向速度輸出為最優阻尼系數c_s^*以及最優懸架力F_I與阻尼力的差值F_I-F_D；所述的最優阻尼系數c_s^*輸入到阻尼系數執行機構中；所述的附加氣室控制器的輸入為最優懸架力F_I與阻尼力的差值F_I-F_D、簧上質量垂向位移z_s以及電機定子與剩余簧下質量垂向位移z_us，輸出為目標附加氣室容積所述的目標附加氣室容積輸入到附加氣室執行機構中。