新型輪轂電機(jī)懸架控制策略研究

史曉燕， 董明明， 丁 鵬， 何晨晨

(1.浙江工商職業(yè)技術(shù)學(xué)院,寧波 315012；2.北京理工大學(xué)機(jī)械與車(chē)輛學(xué)院，北京 100081)

輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)的電動(dòng)汽車(chē)總體布置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化，傳動(dòng)效率變高，開(kāi)發(fā)成本變低，是國(guó)內(nèi)外電動(dòng)汽車(chē)技術(shù)研究的重點(diǎn)和熱點(diǎn)之一[1-2].目前，許多著名的汽車(chē)集團(tuán)公司相繼推出輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)的概念車(chē).但是，輪轂電機(jī)的引入使得輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)的車(chē)輛非簧載質(zhì)量顯著增大，并且由于電機(jī)固聯(lián)在車(chē)輪上，使得路面激勵(lì)直接作用在電機(jī)上，影響電機(jī)的電磁效應(yīng)，這些都會(huì)增加了車(chē)身垂直振動(dòng)加速度和輪胎動(dòng)載荷，嚴(yán)重影響了車(chē)輛乘坐舒適性[3-4].一旦解決或改善了垂直負(fù)面效果，輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)將得到更廣泛的使用.為了解決這個(gè)問(wèn)題，提出了一種新型的動(dòng)態(tài)吸振結(jié)構(gòu)，并提出新的半主動(dòng)懸架控制策略.

1 新型輪轂電機(jī)模型

針對(duì)輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)車(chē)輛由輪轂電機(jī)引起非簧載質(zhì)量過(guò)大以及路面激勵(lì)和電磁力的耦合作用帶來(lái)的垂向負(fù)效應(yīng)[5]，設(shè)計(jì)了一套輪內(nèi)減振機(jī)構(gòu).如圖1所示.

1-制動(dòng)盤(pán)；2-減振器；3-輪軸；4-直線(xiàn)軸承；5-彈簧； 6-導(dǎo)向桿；7-定子；8-轉(zhuǎn)子；9-軸承；10-中間盤(pán)； 11-傳動(dòng)盤(pán)；12-輪輞；13-輪胎；14-制動(dòng)鉗； 15-連接裝置圖1 輪內(nèi)減振結(jié)構(gòu)

該動(dòng)力吸振器采用了一套類(lèi)似于十字聯(lián)軸器的裝置，即圖1中10和11來(lái)隔絕路面激勵(lì)對(duì)輪轂電機(jī)的影響，減少輪轂電機(jī)車(chē)輛在行駛過(guò)程中由于路面變化帶來(lái)的電機(jī)電磁效應(yīng)的變化,也能保證車(chē)輪和電機(jī)能有相同的轉(zhuǎn)速.同時(shí)該結(jié)構(gòu)為了解決輪轂電機(jī)在垂向的振動(dòng)負(fù)效應(yīng)問(wèn)題，在輪內(nèi)安裝了一套彈簧、阻尼結(jié)構(gòu)，即圖中的2、5，該裝置和十字連軸裝置構(gòu)成一套動(dòng)力吸振機(jī)構(gòu).

路面激勵(lì)影響輪轂電機(jī)的電磁作用主要表現(xiàn)在定轉(zhuǎn)子間隙變化引起的電磁擾動(dòng)力的變化[6-7]，且他們之間的變化成正相關(guān)的變化趨勢(shì)，使得振動(dòng)惡化.車(chē)輪與地面之間的接觸力采用線(xiàn)性模型描述，圖2是小轎車(chē)相應(yīng)的輪轂電機(jī)物理模型.其相應(yīng)的動(dòng)力學(xué)方程如式(1)所示.

圖2 新型輪轂電機(jī)物理模型

(1)

式中：mb為簧上質(zhì)量；ms1為轉(zhuǎn)向節(jié)和輪軸質(zhì)量；mw1為輪胎和輪輞質(zhì)量；mr為轉(zhuǎn)子質(zhì)量；ms為定子質(zhì)量；ks和cs為懸架剛度和阻尼；kb為傳動(dòng)盤(pán)和車(chē)軸之間的軸承剛度，kt為輪胎剛度；kd和cd為輪內(nèi)減振機(jī)構(gòu)剛度和阻尼；ksa為定轉(zhuǎn)子之間的剛度；Fd為電機(jī)由定轉(zhuǎn)子之間的間隙變化帶來(lái)的擾動(dòng)力.

2 半主動(dòng)懸架控制策略

對(duì)于被動(dòng)懸架來(lái)說(shuō)，安裝在車(chē)身質(zhì)量和車(chē)輪質(zhì)量之間的被動(dòng)彈簧和阻尼會(huì)對(duì)兩個(gè)質(zhì)量同時(shí)產(chǎn)生相反的作用，如果減振器阻尼較大，其動(dòng)載荷較小，那么其車(chē)身加速度會(huì)變大.所以對(duì)于被動(dòng)懸架系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，必須找到一個(gè)折中的方案[8].如果減振器的兩端不是固定在兩個(gè)質(zhì)量之間，而是將一端固定在慣性參考系上，就不會(huì)同時(shí)對(duì)兩個(gè)質(zhì)量塊產(chǎn)生作用.根據(jù)慣性參考系位置的不同，這樣的控制方式又分為“天棚控制”和“地棚控制”[9].

2.1 天棚控制模型

以二自由度懸架模型為例來(lái)闡述天棚、地棚控制原理.為了使減振器不同時(shí)對(duì)兩個(gè)質(zhì)量塊產(chǎn)生作用，可以將質(zhì)量塊的一端固定在慣性參考系上，另外一端固定在固定參考系，如圖3所示，此時(shí)稱(chēng)該控制策略為天棚控制策略.

圖3 天棚阻尼結(jié)構(gòu)示意圖

在實(shí)際應(yīng)用中，減振器只能安裝在兩個(gè)質(zhì)量塊之間，參考車(chē)輛懸架結(jié)構(gòu)，其等效模型如圖3(b)所示，動(dòng)力學(xué)方程為：

(2)

由式(2)可以得到等效的減振器系數(shù)usky：

等效的天棚系統(tǒng)減振器的阻尼力Fd可由式(3)表示.

(3)

2.2 混合控制模型

“地棚控制”思想和“天棚控制”思想相似，通過(guò)將減振器和慣性參考系連接來(lái)抑制車(chē)輪跳動(dòng).理想的地棚阻尼力可由公式(4)進(jìn)行模擬.

(4)

天棚控制是以簧載質(zhì)量的加速度為輸入，以抑制簧載質(zhì)量加速度為目的.地棚控制是以非簧載質(zhì)量的加速度為輸入，以抑制輪胎跳動(dòng)為目的.所以為了提高車(chē)輛整車(chē)平順性，需要將天棚控制和地棚控制結(jié)合起來(lái)，這就是混合控制[10].混合控制的結(jié)構(gòu)示意圖及其等效模型如圖4所示.

圖4 混合控制結(jié)構(gòu)示意圖

混合懸架天棚和地棚減振器阻尼的匹配，Ahmadian等人引入了權(quán)衡因子η來(lái)解決該問(wèn)題[11]，式(5)是其經(jīng)典的表達(dá)式.

Fd=ηFsky-(1-η)Fgrd.

(5)

則混合懸架的阻尼系數(shù)為

(6)

其中η∈[0,1]，表示由駕駛員決定的混合懸架的權(quán)重.如果駕駛員需要較高的平順性，那么就選擇較大的權(quán)衡因子，反之，選擇較小的權(quán)衡因子即可[12].

對(duì)于動(dòng)力吸振輪轂電機(jī)-懸架系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，除了懸架阻尼器，動(dòng)力吸振器中還存在一個(gè)阻尼器，因此其控制策略存在多種組合方式.圖5是其混合控制結(jié)構(gòu)示意圖和等效的混合控制系統(tǒng)模型.

圖5 新型輪轂電機(jī)-懸架混合控制系統(tǒng)示意圖

對(duì)于輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)車(chē)輛來(lái)說(shuō)，除了車(chē)輛操縱穩(wěn)定性和平順性外，定轉(zhuǎn)子之間的間隙同樣需要關(guān)注，定轉(zhuǎn)子間隙關(guān)系到電磁擾動(dòng)力的大小，進(jìn)而影響電機(jī)的工作條件.綜合上面3個(gè)目標(biāo)，經(jīng)過(guò)對(duì)多種控制方法的對(duì)比，最終選用最優(yōu)控制策略：即天棚1+地棚1+天棚2，通過(guò)控制車(chē)輪內(nèi)的減振器阻尼實(shí)現(xiàn)半主動(dòng)懸架控制.

3 仿 真

為了更直觀(guān)地顯示混合控制的控制效果，采用Matlab進(jìn)行建模仿真[13].對(duì)減速帶和隨機(jī)路面激勵(lì)下混合控制和被動(dòng)模型的動(dòng)態(tài)響應(yīng)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，對(duì)于csky和cgrd的選取，采用多目標(biāo)的求解方法PSO和多目標(biāo)解集的評(píng)價(jià)方法Pareto最優(yōu)解.系統(tǒng)仿真參數(shù)見(jiàn)表1.

表1 四分之一車(chē)輛模型參數(shù)

3.1 隨機(jī)路面激勵(lì)

車(chē)輛以60 km/h在ISO-B級(jí)路面上勻速行駛，路面生成方法采用諧波疊加法生成.

圖6、圖7分別是懸架構(gòu)型采用被動(dòng)動(dòng)力吸振和混合控制后的簧上加速度、輪胎動(dòng)撓度時(shí)域圖對(duì)比.表2是其均方根值的對(duì)比結(jié)果.由表2可知，采用混合控制的懸架系統(tǒng)在平順性方面有相應(yīng)的提升，其中簧上加速度衰減了12.3%，輪胎動(dòng)撓度衰減了5.5%.

圖6 簧上質(zhì)量加速度對(duì)比

圖7 輪胎動(dòng)撓度對(duì)比

表2 懸架響應(yīng)對(duì)比

3.2 減速帶激勵(lì)

減速帶激勵(lì)可由式(7)表示.其v=60 km/h，t1為減速帶激勵(lì)開(kāi)始時(shí)間，th為結(jié)束時(shí)間.

(7)

從圖8、圖9可以看出，采用混合控制后其簧上加速度和輪胎動(dòng)撓度在幅值和收斂時(shí)間上要明顯優(yōu)于被動(dòng)懸架，說(shuō)明采用混合控制的懸架能夠提升懸架的平順性.

圖8 簧上加速度對(duì)比

圖9 輪胎動(dòng)撓度對(duì)比

4 結(jié) 論

針對(duì)輪轂電機(jī)的振動(dòng)惡化問(wèn)題，提出了一種新型動(dòng)力吸振機(jī)構(gòu)，并針對(duì)此結(jié)構(gòu)提出一種半主動(dòng)懸架混合控制策略，最后通過(guò)Matlab建模仿真，結(jié)果顯示簧上加速度和輪胎動(dòng)撓度都有所衰減，表明采用混合控制策略的懸架系統(tǒng)在平順性方面有相應(yīng)的提升.目前已經(jīng)初步制作輪轂電機(jī)樣機(jī)，后續(xù)將結(jié)合四立柱道路模擬試驗(yàn)臺(tái)、單輪懸架試驗(yàn)臺(tái)、上位機(jī)測(cè)控系統(tǒng)，進(jìn)一步對(duì)懸架策略的控制效果和可靠性進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證.