[发明专利]基于NMPC的轮毂直驱空气悬架系统及协同控制方法

说明书

本发明公开一种基于NMPC的轮毂直驱空气悬架系统及协同控制方法，悬架系统由传感器模块、拓展观测器模块、NMPC控制器、阻尼系数控制器、阻尼系数执行机构、附加气室控制器和附加气室执行机构组成，NMPC控制器的输入为簧上质量垂向位移及其速度、轮胎与电机转子质量垂向位移及其速度、电机定子与剩余簧下质量垂向位移及其速度，输出为最优悬架力，以悬架系统性能最优和降低电机偏心距、延长电机寿命为控制目标求解系统的最优悬架力，对最优悬架力依次通过阻尼系数、附加气室执行机构进行分配，实现空气悬架阻尼系数、附加气室二者协同控制，进一步降低车身加速度、悬架动行程、轮胎形变和电机偏心距，提升轮毂直驱空气悬架系统的综合性能。

技术领域

本发明属于安装在电动汽车上的半主动悬架，具体是轮毂直驱空气悬架系统以及轮毂直驱空气悬架系统的阻尼系数和附加气室的协同控制。

背景技术

基于轮毂电机驱动的电动汽车是有代表性的一类新能源汽车。轮毂电机驱动是将电机直接安装在车轮上并驱动汽车运动，其优势体现轮毂电机的直接驱动省去了变速箱、减速器等部分传动装置；由于驱动力矩独立可控、转矩转速易于测得，因此在稳定性、主动安全控制和节能方面具有显著的优势。但是，一方面轮毂电机的引入增加了非簧载质量，引起车辆轮胎接地性和行驶平顺性的恶化；另一方面轮毂电机的引入使多个部件耦合组成一个复杂的机电系统，工作时电动轮受到路面激励，造成电机定转子偏心，产生不平衡电磁力，引起电动汽车垂向振动问题及噪声问题。

空气悬架具有非线性变刚度特性、固有频率低、频域变化范围小等优点，在汽车领域得到了广泛应用。然而传统的空气悬架结构单一无附加气室，难以提升悬架性能。而带有容积可调附加气室的空气弹簧可实现多级刚度可调，使悬架能够更加适应实际工况。

模型预测控制(MPC)是一种动态优化控制方法，可以求解控制系统的约束限制问题，而且对于系统类型没有限制性。模型预测控制的组成成分为：预测模型、滚动优化和反馈校正。随着系统复杂度增加，系统参数耦合严重，系统动态特性滞后以及控制系统约束逐渐增多等问题随之而来，常用的线性MPC难以获得满意的控制性能，而基于非线性模型预测控制(NMPC)可以有效地解决有扰动、有时滞、有约束、非线性强的复杂系统控制难题。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有轮毂直驱空气悬架系统因参数耦合严重、动态特性滞后以及约束增多带来的控制性能差的问题，提出一种基于非线性模型预测控制(NMPC)的轮毂直驱空气悬架系统以及协同控制方法。

本发明基于NMPC的轮毂直驱空气悬架系统采用的技术方案是：其由传感器模块、拓展观测器模块、NMPC控制器、阻尼系数控制器、阻尼系数执行机构、附加气室控制器和附加气室执行机构组成；所述的传感器模块测量车身垂向加速度轮胎与电机转子质量垂向加速度和电机定子与剩余簧下质量垂向加速度并输入到拓展观测器模块中；所述的拓展观测器模块的输出为簧上质量垂向位移z_s及其速度轮胎与电机转子质量垂向位移z_ur及其速度和电机定子与剩余簧下质量垂向位移z_us及其速度所述的NMPC控制器的输入为拓展观测器模块输出的簧上质量垂向位移z_s及其速度轮胎与电机转子质量垂向位移z_ur及其速度电机定子与剩余簧下质量垂向位移z_us及其速度输出为最优悬架力F_I；所述的阻尼系数控制器的输入为最优悬架力F_I和簧上质量垂向速度电机定子与剩余簧下质量垂向速度输出为最优阻尼系数c_s^*以及最优悬架力F_I与阻尼力的差值F_I-F_D；所述的最优阻尼系数c_s^*输入到阻尼系数执行机构中；所述的附加气室控制器的输入为最优悬架力F_I与阻尼力的差值F_I-F_D、簧上质量垂向位移z_s以及电机定子与剩余簧下质量垂向位移z_us，输出为目标附加气室容积所述的目标附加气室容积输入到附加气室执行机构中。