汽车磁流变半主动悬架的控制研究
第 19卷 第 2期
2006年 3月
中 国 公 路 学 报
China Journal of Highway and Transport
Vol. 19 No. 2
M ar. 2006
文童编号 :1001-7372(2006)02-0106-05
汽车磁流变半主动悬架的控制研究
方子帆‘，“，邓兆祥‘，翁建生“
(1.重庆大学 机械传动国家重点实验室，重庆 400044; 2.三峡大学 机械与材料学院，湖北 宜昌 443002;
3.南京航空航天大学 能源与动力学院，江苏 南京 211100)
摘要:为了改善汽车的乘坐舒适性和行驶安全性，提出了一种汽车磁流变半主动悬架的控制策略。
首先，设计 了磁流变减振器的工作模式，通过试验获得了其速度特性和力学特性，建立了磁流变减
振器的数学模型;其次，建立了带磁流变减振器的二 自由度车辆简化模型及其参数表;最后，基于双
环控制理论，设计了一种控制系统，其外环产生理想的结构阻尼力，内环调节电流驱动器的电流，以
使磁流变减振器实时地产生控制阻尼力。仿真结果表明:以磁流变减振器为基础，通过半主动控制
技术，悬架系统的振动动态性能得到了有效的控制。
关键词:汽车工程;半主动悬架;双环控制理论;控制策略;磁流变减振器
中图分类号:U463. 335. 1 文献标志码:A
Study of Control Strategy of Automobile Magnetorheological
Semiactive Suspension
FANG Zi-fan"'，DENG Zhao-xiang'，WENG Jian-sheng3
(1. State Key Laboratory of Mechanical Transmission, Chongqing University, Chongqing 400044, China;
2. School of Mechanical and Material Engineering, China Three Gorges University, Yichang 443002，
Hubei, China; 3. School of Energy and Power Engineering, Nanjing University of Aeronautics
and Astronautics, Nanjing 211100，Jiangsu, China)
Abstract:In order to improve passenger comfort and running safety, a control strategy for
automobile magnetorheological(MR)semiactive suspension was presented. Firstly, an MR
damper working in flow mode was designed. Performance testing was done for this damper.
Then, a mathematical model was adopted to characterize the performance of the MR damper.
Finally, a quarter-scale 2 DOF car model was set up including the model of the MR damper.
Based on different function of inner loop and outer loop of system, a control strategy was
adopted. The outer control loop of the control system generated outer target control force, and
inner loop stepless adjusted the current of the current driver to drive MR damper to generate
controller force. Simulation results show that the vibration of suspension system is well controlled
through the semiactive control.
Key words:automotive engineering; semiactive suspension; double loop control theory; control
strategy; magnetorheological damper
收稿日期:2005-06-26
基金项目:国家自然科学基金重点项目(50135030)
作者简介:方子帆(1963)，男，湖北黄冈人 ，三峡大学副教授，重庆大学工学博士研究生，E-mail: fzf@3ctgu. edu. cn.
第 2期 方子帆，等:汽车磁流变半主动悬架的控制研究 107
0 引 言
由于节能与减少排放的需要，乘用车辆与商用
车辆正朝着轻型化方向发展，满载和空载差别很大，
传统的悬架不能适应这种载荷变化范围。主动控制
悬架可以解决传统悬架存在的舒适性与稳定性不能
兼顾的问题，并能适应行驶工况的变化和任意道路
的激励，代表了车辆悬架技术发展的方向。主动悬
架能实现理想的控制 目标，但能量消耗大、成本高、
结构复杂。半主动悬架通过改变减振器的阻尼特性
以适应不同道路和行驶状况的需要，改善车辆乘坐
舒适性与操纵稳定性。由于半主动悬架在控制品质
上接近于主动悬架，且结构简单，无需力源，能量损
耗小，因而是车辆悬架技术的发展方向之一〔1-2]
目前，半主动悬架技术研究主要集中在磁流变
液体材料的开发、磁流变减振器研制、系统控制策
略〔3-4〕研究及中央控制器的开发。笔者研究了基于
磁流变减振器的半主动悬架的控制策略。
在混合工作模式下，磁流变减振器阻尼力可视
为在流动和剪切模式下的阻尼力的叠加，即
:一 (24 Pl-}} )v。一(4ZAP+2bl)r, (3) bh" h 一 甲
式中:，为磁流变液体的零磁场粘度;l为极板长度;
b为极板宽度;h为极板间距;r，为屈服应力;A。为
活塞有效作用面积;vo为活塞杆的运动速度。
1.1.2 磁流变减振器阻尼力简化
从式(3)可以看出:磁流变减振器的阻尼力是由
粘滞阻尼力和库仑阻尼力两部分组成。当减振器的
几何尺寸和磁流变液体材料确定后，不考虑温度特
性、声学特性、光学特性等因素，其粘滞阻尼力可以
认为是活塞运动速度的函数;库仑阻尼力是磁流变
屈服应力的函数，屈服应力受磁场强度控制，可以认
为库仑阻尼力是励磁电流的函数，因此，式(3)可以
简化为
F=一Ce vp + FMR
式中:C。为等效粘滞阻尼系数，Ce -
(4)
24w +擎
bh" h
1 数学模型
二 自由度车辆模型简单并能获得车辆的平顺
性、行驶稳定性与运动姿态的很多重要信息，因此，
这种简化模型常用于分析与设计车辆的悬架系统。
1.1 磁流变减振器的数学模型
磁流变液体在外加磁场作用下其流变特性发生
急剧变化，可由流动性良好的液体状态在毫秒内粘
度增大，而呈现类似固体的状态，其强度由剪切屈服
应力来表征，而且这种变化是连续、可逆的。利用磁
流变液体的这种流变特性可制成多种应用装置作为
电气控制与机械智能结构系统〔5-6〕的简单且响应迅
速的执行装置，用于调节系统动态性能。磁流变减
振器是磁流变技术的一种主要应用装置，可作为系
统振动控制的阻尼器，是 车辆液阻减振器的理想替
代装置。
1. 1. 1 磁流变减振器基本原理
磁流变减振器的工作模式有流动模式和剪切模
式〔7〕。流动模式的两极板固定，由装置中存在的压
力差产生液体流动。磁流变减振器在流动模式下的
阻尼力为
FMR为库仑阻尼力，FMR =
sgn为符号函数。
一(竺丛+2bl) r,sgn、
n
根据减振器磁流变液体特性测试，得到其屈服
应力和磁感应强度关系为
r,. =1. 43X 10-'B'+4. 743X 10-3 B一1 (5)
根据安培环路定律并考虑到间隙磁压远大于磁
芯磁压 ，可得
=,c7N (6)
F,=12烈 Pl
6h "
vo + -ry
17
(1)
在移动平板的影响下，磁流变减振器发生屈服
流动，产生的剪切阻尼力为
F, = - '} v - 2b‘二。 (2)
h
式中:N 为线圈匝数;I为线圈电流;B为磁感应
强度。
1.2 二自由度半主动悬架系统动力学方程
基于磁流变减振器的半主动悬架的二自由度车
辆简化模型如图 1所示，其悬挂质量与非悬挂质量
运动微分方程分别为
m, z, +m, g+K, (z,一z )一FMR=O (7)
m毖。+m g+K, (z。一z,)+
K, (z。一z,)+FMR=O (8)
式中:m, , m。分别为悬挂质量和非悬挂质量;K K,
分别为悬架弹簧与轮胎的刚度系数;z z。分别为车
身和车轮的振动位移;zr为路面输人的激励。
2 理想系统阻尼力
考虑二 自由度车辆模型的机械子系统，以平顺
性和行驶稳定性为性能目标，设计出实现 目标所需
108 中 国 公 路 学 报 2006年
的理想系统阻尼力。用与悬挂质量垂直的振动加速
度评价平顺性，用悬架变形量评价车辆行驶姿态，用
车轮变形量评价行驶安全性。
通过仿真研究，提出一种集天棚阻尼、频率过滤
技术与悬架变形量控制为一体的方法，设计车辆振
动系统的理想阻尼反馈系统，如图 2所示。
反馈系统的理想阻尼力为
Fd = Krh erh一Ks
Csky z，一C，2， (9)Cszs
式中:er、为悬架变化误差，erh =(二，一二。)‘一(zs一
z ), (Zs- ZU)d为期望的悬架变化量;K rh为误差变
化增益 。
方案2
方 案3
壕
瞥
侧
瑕
口只9
喇
饵
圳
啪
10 'o
频率/Hz
图 3
Fig. 3
悬挂质t的加速度幅频特性
Acceleration Frequency-Amplitude
Characteristic of Sprung Mass
暴
暨
酬
粱
捌
殊
啪
壕
瞥
咽
靛
俐
撰
褂
图 1 二自由度车辆简化模型
Fig. 1 2 DOF Vehicle Simple Model
取等效粘滞阻尼系数Ce =1 000 N一 m-' ;
天棚阻尼系数C,k, =1 000 N " s " m-';频率过滤器
阻尼系数C,=1 000 N·s·m-1;增益Krh =10 000
N"m-',悬挂质量的加速度、悬架变形量、车轮变
形量的幅频特性如图 3-5所示。
频率/Hz
图4 悬架变形.的幅频特性
Fig. 4 Frequency-Amplitude Characteristic of
Suspension Deflection
+ E K E F,薰 10-11 市
颇匆 Hz
司叫 癫革泣沁器 z,-z
图 2 理想阻尼反馈系统
Fig. 2 Ideal Damping Feedback System
图 3-5中，实线表示无场阻尼反馈系统，称为
方案 1;短虚线表示天棚阻尼与频率过滤的有场反
馈系统，称为方案 2;长虚线表示综合天棚阻尼、频
率过滤阻尼与车身运动姿态控制阻尼为一体的有场
阻尼反馈系统，称为方案 30
从图 3可以看出:方案 3的悬挂质量加速度，在
悬挂质量固有频率与非悬挂质量固有频率之间比方
案 1和方案 2的悬挂质量加速度略有增加，在其他
圈 5 车轮变形，的幅频特性
Fig. 5 Frequency-Amplitude Characteristic of
W heel Deflection
频率段与方案 1和方案 2的悬挂质量加速度一致。
从图 4可以看出:方案 3的车辆悬架变形量在
全频率范围内比方案 1和方案 2的车辆悬架变形量
明显要好，特别是在低频段明显地改善了悬挂质量
运动姿态的情况。
从图 5可以看出:方案 3的车轮变形量在悬挂
质量固有频率与非悬挂质量固有频率之间比方案 1
和方案 2的车轮变形量稍有增大，在其他频率段没
有变化。
综上所述 ，从平顺性、行驶稳定性 、运动姿态 3
第 2期 方子帆，等:汽车磁流变半主动悬架的控制研究 109
个评价指标看，方案 3在较小程度牺牲平顺性的情
况下，悬挂质量运动姿态得到了明显的改善，因此，
本文中用综合天棚阻尼、频率过滤阻尼与车身运动
姿态控制阻尼为一体的有场阻尼反馈系统作为车辆
振动性能指标的反馈方案，用这种理想的阻尼力作
为半主动悬架控制系统外环的阻尼力。
3 内环控制器
用外环理想阻尼力与磁流变减振器实际产生的
阻尼力的误差及其变化率作为内环控制器的误差输
人，控制电流驱动器的电流，通过驱动电流实时控制
磁流变减振器的阻尼力。半主动悬架的控制系统如
图 6所示。控制器由决策模块触发，上控制器模块
根据阻尼力误差变化产生正向的驱动控制电流;下
控制器模块根据阻尼力误差变化，反转电流产生负
向驱动控制电流[Cal
取某微型车的二自由度简化模型及其参数，在
正弦路谱与阶跃路面的激励下进行系统仿真191，结
果如图 7,8所示。图 7,8中，实线表示无场阻尼下
的车辆振动特性;虚线表示有场阻尼下，即在磁流变
半主动悬架下的车辆振动特性。
从图 7可以看出:在正弦激励的情况下，有场阻
尼下的车辆悬挂质量振动系统明显地改善了车辆的
动态性能，同时也有效地改善了悬架变形与车轮变
形特性。
从图 8可以看出:在阶跃路面的激励下，有场阻
尼下的车辆悬挂质量振动系统同样明显地改善了车
辆的动态性能，悬架变形量和车轮变形量也得到明
显的改善。
广--， .一 }上控制器卜 _
︵?5·日︶、侧
瑕
具
喇
妈
划
啪
时间//s
图7 悬挂质f正弦激励的时域响应
Fig. 7 Time-Domain Response of Sprung Mass
Acceleration with Sine W ave
比怡rL
t
，
~
n
0 .
︵N偏
。已︾侧
到
具
叫
妈
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顺
0 2.5 5.0 7.5 10乃
时 间//s
图8 悬挂质f阶跃激励的时域响应
Fig. 8 Time-Domain Response of Sprung Mass
Acceleration with Bump Wave
策
块
电流驱动器卜月磁流变减振器
下控制器
Z, 1Z.-Z.
三闷了E J }机械子系统
天棚阻尼控制毕
c.l月川丽薪丽习泛-}C. L-} Z.-
图6 半主动悬架的控制系统
Fig. 6 Control System for Semiactive Suspension
4 结 语
笔者研究了一种基于磁流变减振器的半主动悬
架的控制策略。根据频率过滤技术设计了采用固有
频率阻尼控制非悬挂质量、天棚阻尼控制悬挂质量
垂直振动速度，以悬架变形量为 目标控制车辆运动
姿态的系统。设计的控制系统外环产生振动结构的
理想阻尼可作为电流控制器的阻尼力的参考输人，
设计的控制系统内环电流控制器实时地产生正、负
两种驱动电流，磁流变减振器在驱动电流控制下产
生阻尼力跟踪理想阻尼力，以完成车辆振动动态性
能控制的目标。
采用二自由度车辆简化模型进行了车辆振动系
统的仿真，结果表明:磁流变半主动悬架在控制系统
的作用下，可以根据不同的道路和行驶状况的需要，
实时地改变磁流变减振器的阻尼力，以实现车辆振
动动态性能控制的目的，同时也表明了本文中提出
的半主动悬架的控制策略和所设计的控制系统是有
效的。
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《交通运输工程学报》2006年征订通知
《交通运输工程学报》是由国家教育部主管，长安大学主办，国务院学位委员会交通运输工巷
议组与西南交通大学共同协办的交通运输领域的学术刊物;主要刊载道路与铁道工程、载运工具
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