低成本主动悬架的新型分散式执行器系统设计与控制研究
作者及发表信息
本研究由韩国成均馆大学机械与航空航天工程学院的Jeong-Woo Lee（第一作者）与韩国汉江国立大学ICT、机器人及机械工程学院的Kwangseok Oh（通讯作者，IEEE会员）合作完成，论文《New Decentralized Actuator System Design and Control for Cost-Effective Active Suspension》于2022年10月26日发表于期刊《IEEE Access》（DOI: 10.1109/ACCESS.2022.3217214）。
学术背景
研究领域与动机
本研究属于车辆动力学与智能悬架控制领域。传统液压主动悬架系统因结构复杂、成本高昂及性能限制难以普及（如1990年代OEM方案）。随着车辆电动化与自动驾驶技术的发展，2013年后主动悬架研究重新受到关注，核心方向聚焦于执行器架构简化与动力电气化，旨在通过改进力控性能提升乘坐舒适性与车辆姿态控制效果。
科学问题
现有系统存在以下瓶颈：
1. 液压系统复杂性：传统方案依赖中央液压泵与多阀门，导致能量损耗与响应延迟。
2. 控制性能局限：现有算法（如最优控制、滑模控制）因执行器非线性特性与扰动不确定性易出现颤振或跟踪误差。
3. 成本与能效：发动机驱动泵的持续运行降低燃油经济性。
研究目标
提出一种分散式电液执行器系统，整合半主动阻尼阀与按需电动泵，通过非线性模型力控算法实现低成本、高效率的主动悬架控制。
研究流程与方法
1. 执行器系统设计
- 核心组件：
- CDC阀（Continuous Damping Control Valve，连续阻尼控制阀）：基于液压阀阻尼特性，通过调节电流控制软/硬模式切换，满足0.05–0.3 m/s速度区间的阻尼力需求（表5）。
- Gerotor泵（摆线泵）：双向容积泵，集成于各车轮执行器，最大压力150 bar，通过电机直接驱动实现分散式压力控制（图4）。
- 液压回路创新：取消中央泵与复杂管路，采用车轮独立泵模块（图3），减少流阻损失并提升响应速度。
2. 物理建模与仿真验证
- 多领域建模：
- 液压动力学：基于AMESim构建执行器压力-流量方程（式1-3），考虑油液弹性模量β与阀门流量系数。
- Gerotor泵泄漏模型：通过实验数据拟合齿隙与端面泄漏特性（图10）。
- 系统辨识：采用正弦扫频激励（10 Hz内）标定电机-泵组件的转动惯量（5.87×10⁻⁵ kg·m²）与阻尼系数（0.0025 Nm/(rad/s)）。
- 仿真平台：联合Simulink与AMESim验证阻尼模式与主动模式的力-速度特性（图15），最大主动力误差源于未建模的流阻与泄漏非线性。
3. 集成控制算法开发
- 混合控制策略：
- 逆映射前馈控制：基于台架测试数据建立力-电流/转速映射（图21），快速响应目标力需求。
- 非线性模型反馈控制：通过状态方程（式13-17）实时计算泵/阀目标流量，结合PID补偿压力误差（式18）。
- 模式切换逻辑：根据悬架速度（ẋdamper）动态分配阻尼阀与泵的功率（图18），在低频扰动下优先启用主动力（区域¬–），高频扰动下切换为阻尼模式（区域°–²）。
4. 实验验证
- 台架测试：对比逆映射法与模型法的力跟踪性能（图29-30），后者在0.25 m/s激励下相位延迟减少30%，12 Hz内跟踪精度提升。
- 四分之一车测试：采用Schenk液压激振器模拟路面输入（图31），模型法使簧载质量加速度RMS降低30%（图33），同时电机功耗减少20%。
主要结果与逻辑关联
1. 执行器性能：Gerotor泵集成设计将系统体积缩减40%，分散式架构降低管路动态损耗（图1对比传统方案）。
2. 控制算法有效性：模型反馈控制克服了逆映射法在低速区的非线性误差（图28），力跟踪延迟从20 ms降至5 ms（表8）。
3. 整车性能提升：集成Skyhook控制（式26）后，车身共振区加速度降低15%，验证了算法对舒适性与操稳性的协同优化能力。
结论与价值
科学价值
1. 提出首个结合CDC阀与分散式Gerotor泵的执行器架构，为电液混合悬架设计提供新范式。
2. 开发非线性自适应力控算法，解决了液压系统参数不确定性与扰动抑制问题。
应用价值
1. 成本效益：取消中央液压单元，物料成本降低25%。
2. 能效提升：按需泵控策略减少能量损耗30%，适用于电动车型。
研究亮点
1. 方法创新：首次将Gerotor泵用于主动悬架，结合半主动阀实现全工况力控。
2. 工程实用性：通过四分之一车平台验证了算法鲁棒性，支持量产适配（表10）。
未来方向
作者建议结合数据驱动方法（如[28-30]）进一步优化上层控制逻辑，以适应自动驾驶场景下的多目标控制需求。
（注：全文术语如CDC阀、Gerotor泵等首次出现时标注英文，后续直接使用中文译名。）