分布式电驱动车辆垂向振动系统优化及控制研究.docx

? ? 分布式电驱动车辆垂向振动系统优化及控制研究 ? ? 孙晋伟,胡晓燕 (1.“运输车辆检测、诊断与维修技术”交通行业重点实验室， 济南 250357；2.西安航空学院 车辆工程学院， 西安 710077) 0 引言 分布式电驱动车辆以其传递效率高、节约空间、控制性能优越和响应速度快等优点在近年来得到了广泛研究[1-2]。但电机引入导致的非簧载质量增加、定转子间隙变化产生的不平衡径向力均对车辆垂向性能产生影响[3-4]。 目前，国内外对轮毂电机驱动车辆垂向振动研究主要集中在结构改进和主动控制2个方面。在结构改进方面，罗玉涛等[5]提出了一种新型内置橡胶悬置的拓扑构型来减小路面与电机耦合振动对平顺性的影响。Nagaya等[6]设计了一种可用于电机和轮毂之间的动力吸振结构，将电机质量由簧下转移至簧上，同时吸收路面传递至电机的振动能量。针对轮毂电机不平衡径向力产生的垂向振动负效应，Qin等[4]研究了不同路面等级、不同车速下“车身向”和“车轮向”动力吸振器对垂向性能的改善程度，并通过多体动力学仿真验证了所提出方案的有效性。尽管采用隔振结构可显著提升电动车垂向振动性能，但现有研究主要以结构设计为主，未考虑多工况下系统参数的优化匹配。 在主动控制方面，Katsuyama等[7]利用非簧载质量负天棚阻尼控制器来提升乘坐舒适性，改善车身在中频附近的振动。Shao等[8]提出了一种输出反馈控制器来提升轮毂电机驱动车辆垂向性能，但该方法以传统主动悬架控制为主。Ma等[9]在动力吸振结构的基础上增加了轮内主动减振器来消除簧下质量增加对平顺性的影响，但忽视了电机的不平衡径向力与路面输入之间的耦合关系。此外，现有主动控制以悬架或隔振器单独控制为主，对二者综合控制的相关研究较少。考虑到实际轮毂电机-悬架系统为复杂的非线性系统，且不同路面输入对系统性能影响较大。为减少非簧载质量增加及路面和电机耦合带来的垂向负效应，可在系统参数优化匹配的基础上进行主动控制来提升垂向性能。 针对轮毂电机悬架与吸振器参数匹配和主动振动控制的问题，基于布谷优化搜索典型路面激励下的最优参数，并结合天棚和地棚阻尼，提出了一种适用于轮毂电机悬架系统的混合控制方法，实现分布式电驱动车辆垂向振动系统参数优化及振动抑制的目标。 1 系统模型 1.1 悬架模型 轮内动力吸振器由电机定子与车辆轴承之间布置的弹簧和阻尼组成，该结构可同时将电机质量和制动器质量转化为轮内悬浮质量。带有动力吸振器的轮毂电机悬架模型如图1所示。 图1 轮毂电机-悬架系统模型示意图 分布式电驱动车辆垂向动力学模型可表示为 (1) 式中：mb、mk和mw表示簧载质量、车轴质量和非簧载质量；xb、xk、xw及其一阶、二阶导数分别表示簧载质量、车轴质量和非簧载质量的垂向位移、垂向速度及垂向加速度；mr和ms为电机定子和转子质量，xs、xr及其一阶和二阶导数分别为电机定转子的垂向位移、垂向速度及垂向加速度；xz为路面不平度输入；ks、ksa和kt分别表示悬架刚度、轴承刚度以及轮胎刚度；kd和kb分别为吸振器刚度和轮毂轴承刚度；cs和Cd为悬架与吸振器阻尼；Fd为定转子间隙变化产生的垂向不平衡径向力。 1.2 开关磁阻电机模型 采用四相8/6极开关磁阻电机，为表示开关磁阻电机的动态特性，需要对电机的电流、电感及位置进行准确描述。假设开关磁阻电机各相电磁参数及结构对称，则电机第k相的电动势平衡方程为 (2) 式中：uk、ik、Rk分别表示k相绕组电压、电流和电阻。ψk为k相磁链，可表示绕组电流与转子位移角的函数。 ψk=ψ(i1,i2,…,iq;θ) (3) 式中:q为定子相数。开关磁阻电机各相间互感远小于自感，忽略相间互感可得k相磁链方程 (4) 式中:Lk(ik,θ)是由转子位置θ和绕组电流ik所表示的定子相自感，则式(2)可展开为 (5) 式中，ω表示转子旋转角速度。由式(5)可得定子绕组电流 (6) 由于每相电感是周期性的，且相电感的谐波分量远小于基波分量，因此可采用傅里叶级数的前3项来表示与转子位置相关的相自感[10]。 L0(i)+L1(i)cos(Nrθ+φ1)+ L2(i)cos(2Nrθ+φ2) (7) 式中：Nr为转子极数，φn代表第n次谐波量的相角且φn=nπ。L0(i)、L1(i)及L2(i)可表示为 (8) 式中:La(i)=L(0,i)表示极对齐位置电感，Lu(i)=L(π/Nr,i)表示未对齐电感，Lm(i)=L(π/2Nr,i)表示中间位置电感。由于在非对齐位置不存在饱和现象，因此Lu(i)可看作与电流无关的常数，La(i)和Lm(i)可拟合为如下多项式[11]： (9) 将式(8)和(9)代入式(7)中可得第k相电感 (10) 将式(10)代入式(4)可得到k相磁链方程 (11) 开关磁