基于Adams和Matlab的輪轂電機(jī)建模與聯(lián)合仿真

張瑞軍

（九江職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江西 九江 332007）

近年來，隨著汽車保有量的迅速增加以及化石燃料的燃燒對(duì)環(huán)境造成的污染加重，國內(nèi)外的專家學(xué)者逐漸把眼光聚焦在電動(dòng)輪電動(dòng)汽車上。采用電動(dòng)輪驅(qū)動(dòng)的電動(dòng)汽車，不但減少了化石燃料的燃燒，優(yōu)化了機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，提高了傳動(dòng)效率，還簡化了底盤結(jié)構(gòu)，拓寬了乘客的使用空間，提高了汽車的舒適性，同時(shí)，還可以對(duì)每個(gè)車輪的驅(qū)動(dòng)電機(jī)實(shí)現(xiàn)單獨(dú)控制，方便轉(zhuǎn)換驅(qū)動(dòng)形式，充分利用驅(qū)動(dòng)電機(jī)的性能來延長使用壽命。

采用電動(dòng)輪驅(qū)動(dòng)的電動(dòng)汽車，輪轂電機(jī)的性能將直接影響電動(dòng)輪電動(dòng)汽車的性能。本研究以某型號(hào)電動(dòng)輪輪轂電機(jī)為例，運(yùn)用多體運(yùn)動(dòng)學(xué)分析軟件Adams，建立了輪轂電機(jī)的虛擬樣機(jī)模型，并且根據(jù)直流電機(jī)的數(shù)學(xué)模型，在Matlab/Simulink仿真平臺(tái)上搭建了聯(lián)合仿真模型，對(duì)電機(jī)的性能進(jìn)行了仿真研究。

1 輪轂電機(jī)模型

根據(jù)基爾霍夫電壓定律：

式中，vi是輸入電壓；vL和vR分別是電感和電阻兩端的電壓；vb是反向電壓，與電機(jī)轉(zhuǎn)速成正比，即：

式中，θ為電機(jī)軸的角位移，i為電流，J為轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，c為常數(shù)?，F(xiàn)在，根據(jù)電樞電流和電機(jī)轉(zhuǎn)速，寫出電壓降的表達(dá)式：

整理公式得出：

2 輪轂電機(jī)結(jié)構(gòu)虛擬樣機(jī)仿真

2.1 輪轂電機(jī)結(jié)構(gòu)虛擬樣機(jī)建模

本研究以某型號(hào)電動(dòng)輪輪轂電機(jī)為例[1]，輪轂電機(jī)端蓋的結(jié)構(gòu)尺寸如表1所示。按照表1中的尺寸，在Adams/view中建立輪轂電機(jī)模型，并給建立的模型指定材料屬性，添加相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)力、載荷以及約束。在Adams中建立的輪轂電機(jī)三維模型如圖1所示，該輪轂電機(jī)為外轉(zhuǎn)子直流電機(jī)。為了使制動(dòng)盤、輪轂電機(jī)有效集成在輪轂內(nèi)，輪轂電機(jī)的兩端端蓋都設(shè)計(jì)了螺栓，左端端蓋的螺栓用來連接制動(dòng)盤，右端端蓋的螺栓用來連接輪轂，將制動(dòng)盤、輪轂電機(jī)、輪轂有效集成在一起，充分利用了輪轂的空間。

表1 輪轂電機(jī)端蓋的結(jié)構(gòu)尺寸

2.2 輪轂電機(jī)結(jié)構(gòu)控制系統(tǒng)建模

Adams/view模塊支持Easy5、Matlab等控制分析軟件進(jìn)行聯(lián)合分析，在Matlab/Simulink仿真平臺(tái)建立了輪轂電機(jī)控制仿真模型[2]。在進(jìn)行Adams和Matlab聯(lián)合仿真之前，先繪制了基于輪轂電機(jī)控制系統(tǒng)的樣機(jī)模型控制圖，如圖2所示。從圖2可以看出，輪轂電機(jī)輸入一個(gè)控制力矩，輪轂電機(jī)則向控制系統(tǒng)輸出轉(zhuǎn)速和角位移。

圖1 輪轂電機(jī)三維模型

圖2 輪轂電機(jī)控制系統(tǒng)的樣機(jī)模型控制

3 虛擬樣機(jī)聯(lián)合仿真分析

在進(jìn)行Adams與Matlab聯(lián)合仿真之前，筆者對(duì)兩款軟件的數(shù)據(jù)接口進(jìn)行了相關(guān)設(shè)置。

（1）Adams輪轂電機(jī)狀態(tài)變量確定。此模型建立輪轂電機(jī)控制力矩輸入變量、電機(jī)轉(zhuǎn)速和角位移輸出變量，分別對(duì)輪轂電機(jī)控制力矩輸入motor_torque、電機(jī)繞Z軸的角速度（motor_omega）WZ以及電機(jī)繞Z軸的角位移（motor_theta）AZ進(jìn)行關(guān)聯(lián)。

（2）Adams模型輸出。確定輸入變量（Input Signal）為控制力矩、控制輸出變量（Output Signal）為電機(jī)轉(zhuǎn)速和角位移輸出變量。

（3）Matlab仿真環(huán)境建模處理。在Matlab中，利用Adams_sys處理命令，通過系統(tǒng)模塊的方式，引入Adams導(dǎo)出的輪轂電機(jī)虛擬樣機(jī)模型，然后在Simulink環(huán)境中，根據(jù)輪轂電機(jī)的數(shù)學(xué)模型建立輪轂電機(jī)聯(lián)合仿真模型，設(shè)置相關(guān)參數(shù)，運(yùn)行仿真，可以得出電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)速和角位移（見圖3～4）?？梢钥闯觯姍C(jī)的轉(zhuǎn)速從0開始逐漸加快，直至穩(wěn)定在260 rad/min；電機(jī)的角位移隨著時(shí)間的延長一直增加，從電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)速和輸出角位移可知，所設(shè)計(jì)的輪轂電機(jī)性能良好，可以滿足使用要求，研究結(jié)果可為輪轂電機(jī)設(shè)計(jì)提供可靠的參考依據(jù)。

圖3 電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)速

圖4 電機(jī)的輸出角位移

4 結(jié)語

為了提高輪轂電機(jī)的設(shè)計(jì)效率、降低輪轂電機(jī)開發(fā)成本，基于Adams和Matlab/Simulink仿真平臺(tái)，開展輪轂電機(jī)機(jī)械與控制聯(lián)合數(shù)字化虛擬樣機(jī)構(gòu)建技術(shù)研究，得到輪轂電機(jī)虛擬樣機(jī)模型。結(jié)合Matlab/Simulink仿真平臺(tái)，建立了輪轂電機(jī)控制仿真模型，并對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速和角位移進(jìn)行了仿真研究。