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汽车悬架电磁阻尼器建模
Yasuhiro KAWAMOTO *，Yoshihiro SUDA *，Hirofumi INOUE *，Takuhiro KONDO 部工程合成，东京大学，4-6-1，Komaba，目黑，东京日本市153-8505，电子邮件：kawamoto@iis.u-tokyo.ac.jp 中心合作研究，东京大学，4-6-1、Komaba、目黑、东京、日本市153-8505，电子邮件：suda@iis.u-tokyo.ac.jp ****底盘系统开发部、丰田汽车公司、1、丰田町、丰田、Aichi、471-8572，日本电子邮件：hirofumi@inoue.tec.toyota.co.jp 新产品开发部、KYB公司，2548，守卫遗迹，Kani shi，岐阜，日本509-0298，电子邮件：kondou-taku@kyb.co.jp
摘要
本文对汽车悬架的电磁阻尼器(电动机驱动）模型进行建模和验证，通过数值模拟结果与实验结果比较表明，采用振动台试验。EMD作为主动悬架控制有输出力簧和簧下质量流速。首先开发EMD系统的主动悬架的制定和EMD模型验证是通过汽车悬架EMD实验证明的，在本文中所展示的是发达的EMD制定有效性的频率响应以及其使用方法电磁阻尼器的汽车悬架能量平衡。
关键词：电磁执行器，阻尼，悬架，振动控制，汽车
1.正文介绍
多年来，为了提高车辆的平顺性和车辆稳定性和隔振性能之间的相容性，主动悬架的主动悬架控制问题一直都在研究。针对这个问题，作者提出了一种汽车电磁阻尼系统（3，5）。电磁阻尼器（EMD）由直流电机和滚珠丝杠机构组成。它将汽车悬架振动的电磁阻尼器VI方法直线运动转化为直流电机输入转矩。EMD以电磁力作为阻尼力，通过调节感应电流来实现阻尼力的电气控制。该减振器具有以下三个重要特征：1）可控性高，可通过可调阻尼力来实现，2）主动悬架，3）能量再生（1，2，4，6）
在过去EMD汽车的研究中（3，5，7），该阻尼器已被用作被动悬架。在作为被动悬架中，EMD具有几乎线性阻尼特性，这是通过振动筛在试验中证明了的。然而，在本文中，EMD作为主动悬架控制汽车悬架弹簧具有输出力和簧下质量与速度的电磁阻尼器的计算方法。
为了制定EMD系统的主动悬架，EMD模型开发的机电系统，如图1所示
电磁悬浮系统用于四分之一汽车模型，它有一个乘用车参数。此外，制定验证实验是通过汽车悬架配备EMD来制定的。
滚珠丝杠 发动机
螺母
图1
2.电磁悬浮系统建模
电磁阻尼器（EMD）是作为机电系统来建模开发的。EMD的电感的电路和质量会被参考到，而这些影响没有考虑在以前的研究（1）-（3）。
2.1电磁阻尼器
电磁阻尼器在本节中，电磁阻尼器（EMD）会在机电方程中被构想出。
2.1.1电磁阻尼器输出力
电磁阻尼器的输出力制定于在使用旋转运动方程，电磁阻尼器的旋转运动可以由1）滚珠丝杠和滚珠丝杠的轴向旋转转换和2）转子动力学来描述。转子动力学模型显示在图2中.参数见表1。滚珠丝杠将轴向行程转换成旋转运动，然后电机与滚珠丝杠一起动态旋转。下列项目在以下建模过程中被假定：
bull;电机转子和滚珠丝杠被假定为刚性
bull; 不考虑滚珠丝杠的间隙和扭转。
也就是说，在滚珠丝杠的变换中，下面的等式应该是正确的：
式中hellip;omega;为角速度 为输入速度
转子动力学方程描述如下：
式中为电机输出转矩 为总输出扭 ，输出转矩与电机电流i成正比，如是有下列方程：
利用力平衡，轴向输出力，可以写成
因此，由公示1到4可以得到，电磁阻尼器的输出力如下：
对于汽车悬架的应用，第五个公式是非常重要的，是一个等效转动惯量。相比于簧下质量第七个公式是不可被忽略的。在实际中，EMD的机械摩擦大于传统的油阻尼器。输出力被认为是：
式中为动力学摩擦因素，等式8在模拟中被用作EMD输出力
电动机转子 滚珠丝杠
图2 电磁阻尼器转子动力学模型
表1 转子动力学模型参数
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符号 |
释义 |
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omega; |
角速度 |
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行速 |
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电机转子转动惯量 |
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滚珠丝杠转动惯量 |
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滚珠丝杠副 |
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等效惯性惯性 |
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转矩常数 |
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电动机常数 |
2.1.2电动机电路方程
EMD的电机电路建模为等效直流电动机电路。电动机电路连接到电源显示在图3中。电路模型参数见表2。由于电动势和角速度，行速是成比例的（方程一）由表示如下：
因此，电路方程如下：
图3. 电动机电路图
表2 电动机参数
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符号 |
释义 |
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电流 |
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电源可变电压 |
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感应系数 |
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电阻 |
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感应恒定电压 |
2.2电磁悬浮系统
在这一部分中，电磁悬浮系统建模的四分之一汽车模型和其控制系统进行了讨论。
2.2.1四分之一汽车模型
EMS由EMD和线圈弹簧组成，虽然EMD独立工作作为一个制动器，支持车辆车身EMD只需要这么多的能量，因此，EMS系统有一个螺旋弹簧。在本节中，EMS如图4所示的四分之一汽车模型，为了确定等效惯性惯量的影响，以及更重的EMD取决于机械阻尼器的效果，EMD的悬置和质量的组件，有被考虑到。3自由度四分之一汽车模型方程如下：
图4. 3自由度四分之一汽车模型
表3 3自由度四分之一汽车模型参数
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符号 |
释义 |
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簧上质量 |
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量杆 |
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簧下质量 |
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等效惯性惯量 |
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轮胎弹簧常数 |
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悬架弹簧常数 |
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安装弹簧常数 |
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悬置阻尼系数 |
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动摩擦系数 |
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动态摩擦位移 |
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位移杆 |
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簧上质量体系 |
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杆形位移 |
2.2.2控制系统
EMS系统中电机的电流控制遵循所要求的输出力，，PI控制器如图5.所需的输出力，控制输出的参考信号，可以使用以下公式计算：
和分别是簧上质量和簧下质量的速度反馈增益，要求 gt; 0和le;0来稳定EMS系统。簧上质量速度正反馈增益意味着隔离的天棚阻尼器，和簧下质量的负反馈增益是指道路保持地面钩阻尼器。电源电压，V，由PI控制器定义如下：
式中是拉普拉斯变换，s是拉普拉斯算符，PI是用来调谐EMS系统来控制簧下质量共振的模式。
图5.PI控制器框图
3.EMS系统能耗
为了验证EMS建模和评价EMS再生能量的能力，介绍了EMS的能耗。
3.1能耗
通过EMD的能量，消耗或吸收，等于在被忽略的情况下EMS系统的电源的功率转换的损失。电源的功率ε，通过电机电路电流i和电源电压u获得。另一方面，当电机电路电感被忽略时，可以通过输出力u和行程速度z来填补。这便得到：
式中：
ε将被分解为消耗和再生，假设如下：
控制输入等于参考信号：U = U ref。
大众杆的速度几乎与簧载质量是相等的：asymp;。悬架行程速度可以得到asymp;-
使用上述假设和等式17，控制输入如下：
将上述表达式代入等式19，电源的能量ε消耗为，得到如下：
第一项，是成比例的平方速度的簧上质量，可以作为消耗的能量，以减少振动的簧上质量。第二项的符号条件依赖于增益设定和簧载质量速度与行程速度的相位关系。第三学期是再生能源，因为非簧载质量的速度反馈增益应定义在范围为le;＜0为系统的稳定性。
3.1.1.簧下质量速度反馈增益对能源消费的影响
EMS系统的再生能力主要取决于等式22中的第三个参数，而且具有非簧载质量的速度反馈增益的影响。
例如，当非簧载质量速度反馈增益等于零， = 0，在这种情况下，悬浮控制相当于天棚阻尼器和22等式中第三项变为0.这就是为什么天棚控制是不利的能源消费的立场。此外，它是天棚阻尼控制提高簧下质量属性困难因为零控制输入的非簧载质量的动力学。
计算非簧载质量速度反馈增益最小的22等式第三项，得到以下方程：
3.2实验反馈增益设定
对于下一章讨论的实验，定义了簧载质量速度反馈增益的值，以获得足够的阻尼特性。簧下质量的速度反馈增益推导3.1.1为0.5为了降低EMS系统的能耗。
簧下质量的速度反馈增益是阻尼比的表达式为和簧载质量速度反馈增益的决定是为了证明EMD能够充分阻尼共振质量，这种能力导致的态度变化的控制。
- 振动试验
使用实际的EMD，EMS模型的验证讨论使用振动测试。
4.1.试验系统
实验系统，包括EMS系统显示在图6中，由PC控制的振动筛可以振动四分之一的汽车模型，它的规格几乎等同于乘用车。数字信号处理器（DSP）操控控制和测量。DSP计算EMD与传感器信号所需的力，并输出参考信号，并输出一个参考信号的电机驱动器，然后将驱动电压施加到EMD电动机。此外，能量可以在不仅放电，但也充电方向流动。
一个开发的用于实验的实际EMD显示在图7中，用于该阻尼器的滚珠螺杆系统是市售的，为了实现平滑的行程运动，采用16毫米的长滚珠丝杠.
图6实验系统示意图
图7电磁阻尼器/驱动汽车
4.2道路标高剖面
用于评价EMS的道路高程剖面的PSD如图8所示。随机粗糙度的路面轮廓生成
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