電子控制懸架的簡介

　　1.懸架的基本功能

　　汽車的懸架裝置是連接車身和車輪之間全部零件和部件的總稱，主要由彈簧(如板簧、螺旋彈簧、扭桿等)、減振器和導向機構三部分組成。當汽車行駛在不同路面上而使車輪受到隨機激勵時，由於懸架裝置實現了車體和車輪之間的彈性支承，有效地抑制、降低了車體與車輪的動載和振動，從而保證汽車行駛的平順性和操縱穩定性，達到提高平均行駛速度的目的。圖5.1.1表示了由螺旋彈簧和液壓筒式減振器所組成的普通懸架，這種懸架當結構確定後，其彈簧剛度K和減振器的阻尼係數C在汽車行駛過程中都不能人為地加以控制改變，即具有固定的懸架剛度和阻尼係數，因而也稱之為被動懸架。這種懸架所產生的彈性力和」阻尼力由道路和車速等條件決定，雖然不能適應廣泛的道路狀況，但因其加工容易、成本低，目前仍然是汽車上的主導裝備產品。

　　汽車行駛的平順性和操縱穩定性是衡量懸架性能好壞的主要指標，但這兩個方面是相互排斥的性能要求。平順性一般通過車體或車身某個部位(如車底板、司機座椅處等)的加速度響應來評價，操縱穩定性則可以藉助車輪的動載來度量。圖5.1.2表示出的彈簧剛度和減振器阻尼不同時車體加速度與輪胎負荷變化之間的關係。例如，若降低彈簧的剛度，則車體加速度減小使平順性變好，但同時會導致車體位移的增加，由此產生車體重心的變動將引起輪胎負荷變化的增加，對操縱穩定性產生不良影響；另一方面，增加彈簧剛度會提高操縱穩定性，但硬的彈簧將導致汽車對路面不平度很敏感。，使平順性降低。因此，理想的懸架應在不同的使用條件下具有不同的彈簧剛度和減振器阻尼，既能滿足平順性要求又能滿足操縱穩定性要求。被動懸架因具有固定的懸架剛度和阻尼係數，在結構設計上只能在滿足平順性和操縱穩定性之間矛盾的折衷，無法達到懸架控制的理想目標。如圖5.1.2所示，賽車由於行駛速度高，道路條件複雜多變，需要確保良好的操縱穩定性，為此以犧牲一定的平順性為代價；豪華轎車一般行駛環境良好，為確保良好的平順性，則以犧牲一定的操縱穩定性為代價。為了使被動懸架能夠對不同的道路條件具有一定的適應性，通常將懸架的剛度和減振器的阻尼設計成具有一定程度的非線性，如採用變節距螺旋彈簧和三級阻力控制的液壓減振器等。

　　圖5.1.3所示為一種汽車被動懸架中常用的雙筒液壓減振器，以液壓油液為工作介質，由於液體流過節流閥時產生與車體和車輪振動速度相反方向的節流阻力，從而起到衰減車體和車輪振動的效果。減振器工作時，將工作缸和活塞相對遠離(相應於車輪彈向地面)的過程叫作復原行程，而把工作缸和活塞相對移近(相應於車輪彈向車體)的過程叫作壓縮行程。汽車行駛時，減振器處於「壓縮一復原」兩個行程的連續交變過程中，工作液體流經工作缸中的活塞閥和工作缸與儲油腔之間的底閥系，兩個閥系之間的相互協調配合便構成了產生始終與振動方向相反的減振阻力。

　　減振器所產生的阻尼力隨著其工作速度(定義為活塞與工作缸筒的相對速度)變化的關係稱為減振器的速度特性。如圖5.1.4所示。速度特性是評價減振器性能好壞和進行懸架匹配設計的基礎。圖中的Fe和Ve代表復原阻力和復原速度，Fc和Vc代表壓縮阻力和壓縮速度。當速度相同時，通常Fc=(0.25～0.50)Fe。圖示的速度特性曲線可分為三個階段，即常通孔節流階段，此時阻尼係數為Ce和Cc，且有Fe=Ce·v，Fc＝Cc·v；以後是以彈性元件控制閥門進行節流的階段，也有一個近似線性的阻尼係數(可以用Ce"和Cc"來表示)，第三是彈性元件達到最大的變形量，控制閥達到最大開度的階段，此時以較大的常通孔節流為基礎，形成更高的工作阻力，並且有近似線性的阻尼係數(可以用Ce""和Cc""來表示)。這樣，可把整個非線性速度特性看成是分段線性的。由於在不同的階段減振器所提供的阻尼力不同，這三種速度階段的阻尼力變化關係也稱為被動懸架的「三級阻力控制」。阻力隨速度變化關係的好壞直接影響著汽車的平順性和操縱穩定性。低工作速度階段對應於低車速或較好路面，此時以平順性為主要矛盾，所提供的阻尼力較低，高工作速度階段對應於高車速或較壞路面，此時以操縱穩定性為主要矛盾，所提供的阻尼力較高。

　　電子控制汽車懸架的基本目的是通過控制調節懸架的剛度和減振器阻尼，突破被動懸架的局限區域；使汽車的懸架特性與行駛的道路狀況相適應，保證平順性和操縱穩定性兩個相互排斥的性能要求都能得到滿足。目前，採用電子控制的懸架主要有主動和半主動懸架兩種，電子控制的半主動懸架已經達到了商品化的程度，而主動懸架目前還處在以理論研究和樣機研製為主的階段。

　　2.主動懸架的基本概念

　　由於被動懸架設計的出發點是在滿足汽車平順性和操縱穩定性之間進行折衷，所以，對於不同的使用要求，只能是在滿足主要性能要求的，基礎上犧牲次要性能，無法適應廣泛的性能需求和道路條件。儘管被動懸架在設計上以不斷改進被動元件而實現了低成本、高可靠性的目標，但始終無法徹底解決同時滿足平順性和操縱穩定性之間相矛盾的要求。為此，自60年代起產生了主動懸架的概念，並且隨著現代控制理論和電子技術的發展及其在汽車上的廣泛應用，為從根本上解決平順性和操縱穩定性之間相矛盾的要求展示出了新的途徑。

　　主動懸架的組成如圖5.1.5所示，採用電液執行機構取代了被動懸架的彈簧和減振器。主動懸架既無固定的剛度又無固定的阻尼係數，可以隨著道路條件的變化和行駛需要的不同要求而自動地改變彈簧剛度和減振器阻尼係數。能夠實現對每個車輪進行單獨控制，是懸架控制的最終目標。主動懸架一般包括決策和執行兩大部分，決策部分由ECU和感測器等組成閉環控制系統，通過監測道路條件、汽車的運行狀態和駕駛員的需求，按照所設定的控制規律向執行機構適時地發出控制命令；執行部分包含裝在每個車輪上的電液執行機構、動力源等。目前液壓伺服機構是主動懸架較為理想的執行機構。結構布置上千種方法是採用液壓伺服缸與普通彈簧並聯，優點是用被動彈簧來承受車體重量，可以使所需的外界能源大大減少，但執行機構需要有較高的頻響特性；另一種方法是採用液壓伺服缸與普通被動彈簧串聯，優點是執行機構僅需具有較低的頻響特性即可，但所需要的外界空間和外界能源相對較大。

　　在理論和實踐研究中，所選擇的主動懸架控制方法主要有反饋控制、預測控制和決策控制三種。

　　①反饋控制。圖5.1.6為進行主動懸架研究通常採用的l／4汽車模型和反饋控制框圖。主動懸架反饋控制方法實現了執行機構實時連續調節，對控制系統的穩定性、精確性和反應速度要求較高，需測量的信息和計算量較大。通常是採用最優控制演算法和自適應控制演算法，將「懸架控制」處理成為跟蹤問題或隨機干擾濾波器問題。最優控制演算法是應用狀態空間方法，採用狀態變數表達加權的二次性能指標，通過求解優化問題獲得控制執行機構的最優控制規律。這種控制規律在某種意義上是一定的性能指標(通常是車體加速度均方值)達到最小；自適應控制演算法是通過對車體和懸架系統的狀態監測，在線積累與控制作用有關的信息，並修正控制系統的結構參數和控制規律，使給定的性能指標儘可能達到最優並保持最優。

　　②預測控制。如圖5.1.7所示，預測控制是在反饋控制的基礎上，由附加的預測時間L／V／(L為測量距離，V為車速)的遙測感測器及有關的電子系統構成。這樣的系統中發出有關控制指令所需的未來信息可預先測量到，而不是當「干擾」經歷車輪時再「響應」，就能使執行機構韻動作與實際要求相同步，從而不僅可以減少動力需求，同時也能改善行駛性.能。研究解決有關控制指令所需的信息如何得到，又如何以更有效的方法應用到懸架控制中的問題稱為「預測控制」。預測控制系統的控制規律中包含了狀態變數線性函數的反饋和未來干擾積分函數的前饋部分。其中前饋部分用於校正執行機構的慣性，這對車輪意味著有較好的路面形狀跟蹤性能，對車體則意味著有較平緩的瞬態響應。因此，預測控制是降低路面干擾對車輪和車體衝擊的有效方法。其中，如果在前饋部分中對全都未來干擾積分函數進行計算，稱為無限預測：如果未來干擾是由確定性或由白臊聲輸入已知成型濾波器產生的，僅僅需要計算[0，L／V]範圍內的積分，則稱為有限預測。

　　③決策控制。這種控制方法是預先測量汽車在不同路面和工況下行駛的振動響應，並通過優化計算得到所需的最佳懸架剛度和阻尼係數，存入主動懸架控制系統ECU的ROM中。實際應用中，ECU不斷地檢測汽車行駛過程中的振動響應，即刻查出對應工況下應選的最優或次優懸架剛度和減振器阻尼係數，控制執行機構作出響應。

　　主動懸架同時改善了汽車的平順性和操縱穩定性，為懸架的理論和實踐研究帶來了重大變革。但是，儘管其優點是顯而易見的，而且在發達工業國家中已經出現了裝有.主動懸架的樣車，但將主動懸架推上汽車生產線仍然是二個審慎而緩慢的過程。首先，因為主動懸架的控制系統需要複雜的感測器和電子控制設備，執行機構不僅要選用高精度的液壓伺服裝置，而且要較大的外部動力來驅動，導致成本高、結構複雜、可靠性低，只有主動懸架所需的硬體，特別是執行機構變得更為經濟可靠時，才有可能使之進入決定性的市場發展階段；其次，主動懸架研究的基本經驗和教訓是「現行的主動懸架」擺脫了眾所周知的「平順性和操縱穩定性」之間的矛盾，但卻引起了新的「性能與執行機構功率」之間『的矛盾+，即主動懸架驅動執行機構所需的功率相當可觀，為此，自70年代開始就產生了介於主動懸架與被動懸架之間的折衷方案，即半主動懸架。

　　3.半主動懸架的基本概念

　　半主動懸架通常是指懸架元件中彈簧剛度和減振器阻尼係數之一可以根據需要進行調節控制的懸架。為了減少執行機構所需的功率，半主動懸架研究主要集中在調節減振器的阻尼係數方面。阻尼可以根據需要進行調節的減振器也稱為可調阻尼減振器或主動減振器，在概念上類似f普通減振器，但其工作油液的通流面積可以通過控制閥進行調節。完成這一工作僅需要提供調節控制閥、控制器和反饋調節器等所消耗的較小功率，能夠達到半波近似主動懸架的控制規律，因而代表了主動懸架與被動懸架之間的折衷。

　　採用電子控制的半主動懸架已經實現了商品化，可以進行懸架剛度與減振器阻尼係數的有級調節和車高的自動調節控制，主要用在高級轎車和麵包車上，且應用範圍正在擴大。圖5.1.8所示為豐田汽車公司生產的具有車高調節、懸架剛度和減振器阻尼「軟／中／硬」有級轉換控制的半主動懸架系統結構，可以對四個車輪進行單獨控制。在不同汽車上所採用的控制系統ECU結構和輸入輸出信號大同小異，ECU主要由輸入電路、微處理器、輸出電路和電源電路等四部分組成。如圖5.1.9所示為採用Motorola電子器件組織設計的懸架電子控制系統結構框圖，系統由ECU及其介面、執行機構和感測器等組成，通過串列介面和汽車其它部件電子控制ECU進行通訊。

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