輪邊驅(qū)動電動車平順性和操穩(wěn)性分析與控制研究

夏國強　許向國

摘 要：為了解決能源危機，促進低碳節(jié)能的發(fā)展，在國際上很早就進行了對電動車的研究。但是因為很多技術(shù)的原因和成本的限制，電動車一直沒能進行普及。本文對于輪邊驅(qū)動車的平順性和操穩(wěn)性進行了深入的分析，探究怎么在這方面進行控制，加強電動車的普及和應(yīng)用，促進電動車在我國的普及。

關(guān)鍵詞：輪邊驅(qū)動電動車；平順性；操穩(wěn)性

1 前言

輪邊驅(qū)動電動車傳動效率高，對于能源的利用效率高，但是整車非簧載質(zhì)量的顯著增大和輪轂電機存在的特殊轉(zhuǎn)矩波動，會對車輛的平順性與操穩(wěn)性產(chǎn)生消極影響。所以，我們應(yīng)該加強這一方面的探索，盡快的完善相應(yīng)技術(shù)的革新。

2 當前輪邊驅(qū)動電動車的研究進展

對于輪邊驅(qū)動電動車的研究主要是因為在動力學(xué)上這一類型的電動車具有明顯的優(yōu)點，有可能成為未來世界交通工具的主流?；谶@一可能，世界各國推進了對于輪邊驅(qū)動電動車的研究，通用公司進行了雪佛蘭混合動力皮卡車的研制、法國TM4設(shè)計制造了制動鼓動一體性的電動驅(qū)動系統(tǒng)、標志公司開發(fā)了4輪驅(qū)動的電動車，英國的貝姆勒公司開發(fā)了四輪電動輪驅(qū)動的電動車等。最具前沿價值的是法國的米其林公司開發(fā)的主動輪技術(shù)，把動力裝置、懸架裝置、制動裝置、車輪本身構(gòu)架成了一個整體，不需要傳統(tǒng)動力就可以驅(qū)動汽車前進的智能化車輪，無論是理念、技術(shù)，還是傳動的構(gòu)思，都堪稱典范。輪邊驅(qū)動電動車示意圖如下：

3 對于輪邊驅(qū)動電動車平順性和穩(wěn)操性的研究

3.1 輪邊驅(qū)動電動車平順性和操穩(wěn)性的研究進展

輪邊驅(qū)動電動車的動力結(jié)構(gòu)相比于其他傳統(tǒng)電動車或者是驅(qū)動車來說，更為獨特，雖然在傳動和動力學(xué)上具有無可比擬的優(yōu)勢，但是同樣也造成了非簧載質(zhì)量的增大和電機的特殊轉(zhuǎn)矩波動問題，在平穩(wěn)性和操穩(wěn)性方面無法與其他類型的傳統(tǒng)車輛相比。所以我國的多所高校和企業(yè)在這一方面對于車輛著重進行了研究。同濟大學(xué)使用頻率域傳遞和均方根分析的方法，得出簧載質(zhì)量的增大是汽車平順性下降的一個主要原因。吉林大學(xué)研究得出，簧載質(zhì)量的增加不僅使車輛的平順性降低，同時輪胎的側(cè)向力也因為動載荷均方根值的增大而降低，繼而在穩(wěn)操性方面也對電動車造成了影響。武漢理工大學(xué)對于上述兩種結(jié)論進行了仿真驗證，證實了兩所大學(xué)的研究成果。

對于電機特殊轉(zhuǎn)矩波動的問題，同濟大學(xué)在整個輪邊驅(qū)動電動車的研究領(lǐng)域都比較有建樹，在這一方面通過對車輛傳動路徑和輪邊驅(qū)動電動車車內(nèi)噪聲的分析與研究，得出車輛總成振動的主要原因就是電機轉(zhuǎn)矩脈動形成了車輪軸向力矩波動。東北大學(xué)通過對電機徑向力和切向力的分析，得出了激振力與初相角的關(guān)系。針對上述問題，我國學(xué)者進行了深入的分析與研究，對于電機的設(shè)置以及控制方面進行了深入的鉆研，并取得了一定的成果。但是仍然不能徹底解決輪邊驅(qū)動電動車平順性和穩(wěn)操性的問題。

3.2 輪邊驅(qū)動電動車平順性和操穩(wěn)性的分析與控制

對于這一方面的研究主要分為四個方面，首先要分析非簧載質(zhì)量對于車輛平順性和操穩(wěn)性的影響，對于如何降低系統(tǒng)的能量消耗和垂向振動負效應(yīng)進行探討；其次，分析電機垂向激勵對車輛平順性和穩(wěn)操性的影響進行分析，根據(jù)FxLMS算法，對主動懸架控制進行分析，探討如何對車輛垂向振動進行有效的控制；再次，從整體上對電動車的平順性和操穩(wěn)性進行分析，從整體上對于車輛操作的平順性和操穩(wěn)性進行分析與探討，實現(xiàn)對于輪邊驅(qū)動電動車的進一步控制。

3.2.1 非簧載質(zhì)量

非黃載質(zhì)量主要受到路面的影響，在凸包路面，電動車的垂向加速度、懸架行動程、車輪動載荷都有所增大，車輪的轉(zhuǎn)彎性和橫向穩(wěn)定性下降，造成了車輛操穩(wěn)性和安全性的下降，同時平順性受到影響。但是當車輛以高速行駛過凸包路面時，平順性有所改善，但是穩(wěn)操性沒有改善。在10Hz低頻正弦路面的影響下，平順性和穩(wěn)操性也會下降。針對這一情況，我們可以采用主動被動聯(lián)合減震控制的方法。根據(jù)車輛的設(shè)計，電機定子固連于輪軸，不會隨車輪的轉(zhuǎn)動而轉(zhuǎn)動，可以把定子做成中空，安裝減震的裝置，輪轂電機的質(zhì)量與吸振器的質(zhì)量就進行了轉(zhuǎn)換，降低了非簧載的整體質(zhì)量，同時吸振器可以進行減震，減少了非簧載的負荷壓力。這一裝置與主動懸架天棚-地鉤聯(lián)合使用，可以降低整個頻率內(nèi)的1/4功率流，削弱了因非簧載質(zhì)量的增加而造成的電動車平順性和操穩(wěn)性的下降。非簧載質(zhì)量圖如下：

3.2.2電機垂向激勵

垂向激勵主要對車身的加速度和車輪的動載荷影響較大，兩者的波動加劇，就會引起車輛平順性和穩(wěn)操性的下降。當車輛的速度小于20m/h的時候，車輛的電機垂向性能指標會顯著的增大，當車速在10kn/h時，車身加速和車輪動載和的增大幅度到達了97.6%和111%，對于整個電動車的平順性和穩(wěn)操性造成了極大的破壞。也就是說，在低速行駛的過程中，電機垂向激勵對于車輛的平順性和穩(wěn)操性產(chǎn)生的破壞最大。

這一問題可以通過FxLMS算法的振動主動控制系統(tǒng)進行控制，對控制的信號進行推到，并對控制濾波器進行加權(quán)自適應(yīng)。這一算法使系統(tǒng)不會因為正弦周期信號的激勵頻率發(fā)生顯著的變化，對于電動車輛的穩(wěn)操性和平順性大大加強了。FxLMS算法如下：

y（n）=wT（n）x（n）

yk（n）=s（n）y（n）

e（n）=d（n）+yk（n）

X，（n）=x（n）*^s（n）

W（n+1）=w（n）-2 e（n）x，（n）

運行結(jié)構(gòu)如下圖：

從整體上來說電動車垂向運動、側(cè)傾運動、俯仰運動的固有頻率較低，影響車輛的平順性和操穩(wěn)性，這主要是因為電機的垂向激勵頻率與車輛固有頻率的接近會導(dǎo)致車輛的共振，從而使平順性降低。解決問題，可以在FxLMS算法的基礎(chǔ)上，把車身懸架端點和天棚-地鉤控制以及FxLMS控制相結(jié)合，控制主動懸架輸出作用力，加強車身的平順性和穩(wěn)操性。

4 結(jié)語

在輪邊驅(qū)動電動車的平順性和穩(wěn)操性方面，我國各高校以及企業(yè)都在進行研究，很快就能取得突破性的進展，這一研究結(jié)果也將對我國的傳統(tǒng)車輛產(chǎn)生一定的沖擊，但是，成本依然會成為車輛發(fā)展的主要限制因素。我們還不能放松，對輪邊驅(qū)動電動車進行更加深入的研究。

參考文獻：

[1] 熊璐，余卓平，姜煒，等.基于縱向力分配的輪邊驅(qū)動電動汽車穩(wěn)定性控制[J].同濟大學(xué)學(xué)報： 自然科學(xué)版.2010（03）：417-421.

[2] 余卓平，姜煒，張立軍.四輪輪轂電機驅(qū)動電動汽車扭矩分配控制[J].同濟大學(xué)學(xué)報： 自然科學(xué)版.2008（08）：1115-1119.

[3] 褚文強，辜承林.電動車用輪轂電機研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢[J].電機與控制應(yīng)用.2007（04）：1-5.

[4] 余卓平，左建令，陳慧.基于四輪輪邊驅(qū)動電動車的路面附著系數(shù)估算方法[J].汽車工程.2007（02）：141-145.

[5] 王玲瓏，黃妙華.輪轂式電動汽車驅(qū)動系統(tǒng)發(fā)展綜述[J].上海汽車.2007（01）：3-6.

[6] 王玲瓏，黃妙華.輪轂式電動汽車驅(qū)動系統(tǒng)發(fā)展綜述[J].北京汽車.2007（01）：35-38.

[7] 寧國寶.電動車輪邊驅(qū)動系統(tǒng)的發(fā)展[J].上海汽車.2006（11）：2-6.

[8] 余卓平，左建令，張立軍.路面附著系數(shù)估算技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀綜述[J].汽車工程.2006（06）：546-549.

[9] 葛英輝，倪光正.新型電動車電子差速控制策略研究[J].浙江大學(xué)學(xué)報： 工學(xué)版.2005（12）：1973-1978.

[10] 靳立強，王慶年，岳巍強，等.基于四輪獨立驅(qū)動電動汽車的動力學(xué)仿真模型[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報.2005（12）：3053-3055.

[11] 譚剛，陳韜，李軍，等.電傳動技術(shù)在工程機械中的應(yīng)用[J].電子測試.2014（13）：88-90.

[12] 賈勇.解析自卸車設(shè)計的基本原理[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用.2014（16）：105.

[13] 滿敏，陳凌珊，何志生.電動汽車動力測試平臺與整車模擬試驗[J].上海工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報.2014（01）：30-34.

[14] 吳曉歡，宋珂，章桐.基于ADAMS/Insight的懸架優(yōu)化設(shè)計[J].佳木斯大學(xué)學(xué)報： 自然科學(xué)版.2012（01）：33-37.

[15] 姬鵬.基于虛擬樣機的汽車操縱穩(wěn)定性評價分析[J].機械工程與自動化.2009（04）：8-10.

[16] 舒紅宇，馮彧，張偉偉，等.基于虛擬樣機技術(shù)的電動代步車平順性研究[J].上海工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報.2008（01）：18-21.

[17] 李松焱，閔永軍，王良模，等.輪胎動力學(xué)模型的建立與仿真分析[J].南京工程學(xué)院學(xué)報： 自然科學(xué)版.2009（03）：34-38.

[18] 張義民，薛玉春，賀向東，等.基于開關(guān)磁阻電機驅(qū)動系統(tǒng)的電動汽車振動研究[J].汽車工程.2007（01）：46-49.

[19] 靳立強，王慶年，宋傳學(xué).四輪獨立驅(qū)動電動汽車動力學(xué)控制系統(tǒng)仿真[J].吉林大學(xué)學(xué)報： 工學(xué)版.2004（04）：547-553.