邵 凯，汪若尘，孟祥鹏，丁仁凯

(江苏大学 汽车与交通工程学院， 江苏 镇江 212013)

迫于环境和能源的压力，电动汽车的发展正受到国内外研究机构的高度重视。轮毂电机驱动省去了变速器、传动轴、减速器等动力-传动系统，与集中电机驱动相比，提高了传动效率和空间利用率，更易于实现动力学控制和复杂的运动。得益于其独特的技术优势，轮毂电机驱动车获得了前所未有的重视和发展，已然成为国内外电动车技术研究的重点和热点之一，并成为电动车发展的一个独特方向，业界亦将轮毂电机称为电动车辆的最终驱动形式[1-3]。

由于轮毂电机分布式的动力布置形式，整车的非簧质量增加，会引起车辆轮胎接地性恶化和行驶安全性下降。由于引入轮毂电机，整车的非簧载质量及车轮转动惯量显著增加，这不但会影响车辆的加速性能，而且导致轮胎动载荷增大，抓地能力下降，汽车在较差路况上的侧倾甚至侧翻风险增大，降低了整车的行驶安全性。

针对以上问题，国内外专家学者[4-6]围绕轮毂电机驱动系统对车辆动力学性能的影响进行了研究，并提出非簧载质量的增加会影响车辆安全性的结论。宁国宝等[7]采用频率域传递函数分析和均方根值分析方法，研究了非簧载质量对车辆垂向性能的影响，认为非簧载质量增加和轮毂电机垂向激励导致电动车舒适性和安全性变差。Protean Electric公司[8]从主观评价、数值仿真分析和实验验证等多个方面对非簧载质量增大对车辆性能造成的影响进行了全面的分析研究，认为轮毂电机驱动结构布置形式对车辆主动安全造成的影响比对平顺性的影响更需要关注。Nagaya等[9]利用电机质量构造吸振器对非簧载质量引发的垂向振动进行控制，从而改善了车辆的垂向动力学性能。D.J.van Schalkwyk等[10]分析了轮毂电机驱动电动车的固有频率及其随载荷的变化关系，认为轮毂电机驱动电动车的平顺性和操稳性比集中驱动电动车差，需要进行优化。

对于上述问题，仅有少量文献[11-12]提出过解决方案，也仅单一地解决了车辆平顺性或轮胎接地性恶化的问题，并未兼顾两者性能，也都没有从频域角度给出理论依据。为此，本方案从轮毂电机-悬架构型方面考虑，设计了一种兼顾车身和车轮动态性能的构型，作动器为直线电机，采用天棚控制策略，从时域与频域两个方面考虑，抑制系统高频与低频段共振，从而减小对人体舒适性的不利影响，并改善车辆的行驶平顺性和轮胎接地性[13-14]。

1 直线电机控制方式

直线电机能以发电机和电动机两种形式工作。当直线电机用作发电机时，直线电机充当一个电磁阻尼器，永磁体的铁芯和绕有绕组线圈的导体管分别与车轮轴和车身相连接，随着车轮和车身的相对运动，永磁体在线圈中做往复运动。根据电磁感应定律，线圈中将产生感应电流，感应电流产生的磁场会阻碍永磁体的继续运动，从而形成了电磁阻尼力，抑制车身与车轮的垂向相对运动，此时为电磁半主动悬架，图1为混合电磁悬架系统构成三维示意图。而当直线电机用作电动机时，车内电源会向直线电机提供电能，通过电机驱动器控制电机向悬架输出主动控制力，进而对悬架进行控制，抑制车内垂向振动，此时为电磁主动悬架，图2为混合电磁悬架系统零件。

图1 混合电磁悬架系统构成三维示意图

图2 混合电磁悬架系统零件

电磁半主动悬架与电磁主动悬架的作动力输出范围存在较大不同，图3为直线电机在半主动控制和主动控制2种模式下输出减振力的范围。

在电磁半主动悬架中，采用半主动控制方式，直线电机用作发电机，输出电磁阻尼力。受限于直线电机内部参数不能过大，只能在一定范围内提供电磁阻尼力，如图3中深色部分所示，此时电机输出的最大控制力为

Feq max=kfImax

(1)

式中：kf为电机推力系数；Imax为直线电机以发电机模式运作时回路中能输出的最大电流，与电机反电动势系数ke和车身与车轮的相对速度vrel有关。

(2)

F=C·Vrel

(3)

式(2)中Rm为直线电机内阻。由式(1)(2)和式(3)可以求出半主动控制下直线电机以发电机工作时的最大等效阻尼系数为

(4)

当控制单元根据控制策略得到的理想阻尼系数Cgoal

在电磁主动悬架中采用主动控制方式，直线电机用作电动机，如图3所示，根据控制策略，可在任意区间内提供减振力，可控力范围广，远超出了半主动控制力可提供的区域，如图3中淡色区域。直线电机输出作动力为

Fa=kfI

(5)

式中：I为电机绕组电流；kf为直线电机推力系数。

图3 电磁主动悬架与电磁半主动悬架电机输出力范围

综上所述，电磁半主动悬架与电磁主动悬架由于特性不同均存在各自优缺点：电磁半主动悬架不需要外部电源提供能量，根据电磁感应定律可提供电磁阻尼力起到减振作用，且可以通过改变回路中开关信号占空比提供可调节的电磁阻尼力，在提供减振力的同时还能回馈部分振动能量，控制方法简易稳定，但是受限于电机内部参数不能过大，所以输出的作动力只能在一定范围内；电磁主动悬架提供的可控力范围广，对悬架控制效果优越，但外部控制电路相对复杂，而且需要外部电源对系统供电，能量消耗过大。

本方案采用半主动控制与主动控制相结合的混合控制方式，结合了2种控制方式的优点，在提升系统可控性与控制效果的同时尽可能地减少了电机内部能量消耗。

2 控制策略设计

由以上分析可知，轮毂电机悬置式结构能抑制车轮动态性能恶化，提升轮毂驱动电动车的轮胎接地性，但对车辆的平顺性并无改善。为此，本方案采用天棚控制策略，旨在提高车身的隔振性，改善车辆的平顺性。理论模型如图4(a)所示，原理是假设将减振器安装在簧载质量上，以抑制车身的振动。但该结构形式是无法实现的，其实际等效模型如图4(b)所示，通过实时采集车身的垂向速度信息控制作动器输出理想作动力，从而达到理想的控制效果，提高车辆乘坐舒适性。但由于车身平顺性和轮胎接地性存在矛盾，在改善车身平顺性的同时势必会对轮胎接地性造成一定影响。而本方案采用的是轮毂电机悬置的结构，不仅抵消了天棚控制策略对接地性造成的不利影响，而且有效抑制了车轮在高频段的共振。

图4 天棚控制策略原理

直线电机可产生的天棚作动力为

(6)

因为系统采用直线电机作为作动器，因此在半主动控制可控力范围之内，以节能为原则优先采用半主动控制。下面详细分析具体的控制方式。

根据理想天棚主动力可得目标阻尼数为

(7)

悬架控制器通过采集车身动态信息，得到理想天棚控制力，计算可得出目标阻尼系数Cgoal。

当目标阻尼系数Cgoal在可调阻尼系数范围之内且阻尼力方向与相对运动速度方向相反时(如图3上Cgoal 1)，理想天棚阻尼力在直线电机可提供的电磁阻尼力范围之内，相当于Cgoal

当目标阻尼系数Cgoal不在可调阻尼系数范围之内时(如图3上Cgoal 2、Cgoal 3)，所需阻尼力大于电机可提供最大电磁阻尼力，Fgoal>Feq max，或者簧载质量与非簧载质量相对运动与阻尼力方向相同时，直线电机为电动机模式，采用主动控制，此时会消耗能量。

混合电磁悬架中，直线电机可以工作在发电机和电动机状态，能提供半主动力或主动力，混合控制能结合主动控制与半主动控制的优点，以节能和提高动力学性能为目标实现两者的切换。混合控制系统框图如图5所示。

图5 混合控制系统框图

当直线电机处于发电机模式时，调节可变阻尼系数相当于采用半主动控制，用加速度传感器测得悬架的车身垂向加速度，通过积分电路得到车身垂向速度并传给控制单元，根据天棚控制策略计算出理想天棚力Fgoal，从而得到控制电流Igoal。半主动回路控制器通过调节控制电路中开关信号的占空比，使回路中电流Ireal跟踪理想控制电流Igoal，从而使实际半主动控制力即电磁阻尼力Fact接近于理想天棚力Fgoal，控制系统框图如图6所示。

图6 半主动控制系统框图

当电机处于电动机模式即主动控制时，由车载电源向直线电机供电，输出主动控制力，控制系统如图7所示。本方案设计了双环控制系统，外环为悬架控制器，用于根据系统状态变量(由传感器测得)通过天棚控制策略得到理想天棚力，从而得到理想控制电流。内环为电机控制器，采用电流跟踪控制，跟踪理想控制电流，以此控制直线电机跟随理想天棚力输出实际作动力，使车辆保持良好的行驶平顺性。

图7 主动控制系统框图

3 动力学模型建立

结合上述分析， 由于非簧载质量增加引起的轮胎动载荷增大会造成轮胎接地性的恶化，从而影响车辆安全性。为解决由于非簧载质量增加造成的不利影响，提出轮毂电机悬置式结构。

悬置式轮毂电机结构在车轮支承轴与轮毂电机定子之间安装有压缩型橡胶衬套，其中橡胶材料的弹性模量相比金属要小，具有隔振性。在此种结构下，轮毂电机相当于一个动力吸振器，能有效分担车轮在高频共振区的振动。同时，在簧载质量与非簧载质量之间安装直线电机，直线电机与传统阻尼器采用一体式结构。以直线电机为作动器，输出作动力，并采用天棚策略对输出作动力进行控制，抑制系统的轮胎型共振峰，防止系统由于非簧载质量的增加造成的轮胎动载荷增大。此外，由于系统装有传统阻尼器，悬架具有Fail-safe特性，即当电磁作动器出现故障时，悬架系统仍可正常工作。

本文方案将轮毂电机作为一个独立的质量系统，并且通过橡胶衬套与车轮支承轴连接。由于结构中橡胶衬套存在阻尼和刚度，将其等效为弹簧-阻尼系统，建立1/4车辆悬架模型，其等效动力学结构如图8所示。

图8 轮毂电机悬置的电磁悬架结构

根据图8，系统振动微分方程为：

(8)

式中：ms为簧载质量；mt为非簧载质量；mv为轮毂电机质量；Ks为悬架弹簧刚度；Kv为橡胶衬套等效刚度；Kt为轮胎刚度；Cs为悬架阻尼系数；Cv为橡胶衬套等效阻尼；q为路面不平度输入；Zs为车身垂向位移；Zt为轮胎垂向位移；Zv为电机垂向位移；Fa为直线电机输出作动力。具体系统参数如表1所示。

表1 悬置式悬架模型参数

路面输入采用

(9)

式中：G0为路面不平度；u为车速;f0为下截止频率，值为0.062 8；ω(t)为高斯白噪声，可生成随机路面。路面等级设置为C级，因此路面不平度G0=256×10-6m3，车速设置为20 m/s。

4 仿真分析

为验证所提出悬置式轮毂电机结构和天棚控制策略的可行性与有效性，本节在随机路面激励工况下，针对表1提供的模型参数，分别对以下3种结构在频域和时域内进行对比分析。

1) 传统式轮毂电机结构的被动悬架(记为传统式)，结构示意如图9(a)所示。

2) 采用悬置式轮毂电机结构的被动悬架(记为悬置式)，结构示意如图9(b)所示。

3) 采用悬置式轮毂电机结构的电磁主动悬架(记为悬置电磁式)，其中直线电机采用天棚控制策略，结构示意如图8所示。

图9 轮毂电机悬置悬架结构

仿真中各悬架类型系统参数保持一致。

利用表1所示系统参数，仿真得出车身加速度和轮胎动载荷幅频特性曲线，如图10、11所示。依据悬架动力学方程，仿真得出各悬架车身加速度、轮胎动载荷频域内表现，如图10、11所示。

图10 车身加速度频域仿真对比

图11 轮胎动载荷频域仿真对比

如图10所示，相比悬置式结构，悬置电磁式结构激振频率在1 Hz附近，能有效抑制车身型共振，这是因为悬置电磁式结构中直线电机作为作动器，输出天棚控制力抑制了车身型共振。

如图11所示，相比传统式结构，悬置式结构激振频率在车轮型共振频率附近，共振峰幅值明显减小，轮胎接地性得到提高。由表2和图11可知：传统式结构车轮型共振峰频率在9.3 Hz附近，而悬置式结构车轮型共振频率在1 Hz附近，人体对车身振动频率最敏感范围为4～12.5 Hz，在4～8 Hz频率范围内，人的内脏器官产生共振，而8～12.5 Hz频率范围的振动对人的脊椎系统影响很大。这表明，悬置式悬架结构能使轮胎型共振区域延后，有效避免车身垂向振动对人体产生的不利影响。这是因为悬置式轮毂电机相当于一个动力吸振器，能分担轮胎受到的路面垂向激励。

表2 频域仿真结果

由图11同样可知:在轮胎动载荷增益的表现上，悬置电磁式结构和悬置式结构并无太大差异。此外，从图11可以看出:悬置式结构由于轮毂电机的振动会在3.5 Hz时存在另一个共振峰，但其峰值较小，并且不在人体对车身最敏感的4～12.5 Hz范围内，所以可以不计其影响。

综合而言，悬置电磁式结构不仅能抑制高频轮胎型共振，而且在低频车身型振动频段也有良好的性能，有效提高了车身和车轮的动态性能。

如图12和表3所示，悬置电磁式结构相比传统式和悬置式结构车身加速度均方根值有明显减小，分别下降24.7%、23.2%，这是因为悬置电磁式结构采用天棚控制策略，能有效抑制车身振动。

图12 车身加速度时域仿真对比

在时域内，由图13和表3可知:悬置式结构相比传统式结构轮胎动载荷均方根值下降15.5%，可以看出轮毂电机悬置的结构布置能有效分担轮胎承受的垂向动载。

由图12和表3可以得出:悬置电磁式结构相比传统式结构轮胎动载均方根值下降13.0%，相比仅有悬置式结构的轮胎动载稍有增加，但悬置电磁式有效减小了车身加速度。这是因为车身隔振性和轮胎接地性存在矛盾，在采用天棚控制策略改善车身隔振性的同时，会对轮胎动态性能产生不利影响。

综合而言，相较于传统的带有轮毂电机的悬架，悬置电磁式结构不仅能降低车轮动载荷，还能抑制车身垂向振动。其中：采用悬置式结构抑制了轮胎接地性的恶化，采用天棚控制改善了车辆的平顺性。

图13 轮胎动载荷时域仿真对比

悬架类型车身加速度/(m·s-2)轮胎动载荷/N传统式0.912582.5悬置式0.895492.3悬置电磁式0.687506.8

5 试验

试验在数控液压伺服单通道试验台上进行。为验证轮毂电机悬置的电磁混合悬架的可行性，研制了直线电机样机，按照图14所示进行台架试验整体布局。试验通过dSPACE快速控制原型验证控制器效果，传感器采集悬架的车身加速度、车身速度、轮胎位移等信号，经滤波变压处理后传输至dSPACE。dSPACE对悬架的动态参数分析处理后，计算得到理想控制力，发出信号控制电机驱动器使直线电机输出推力控制悬架。试验台架及控制系统设备如图14所示。

为验证直线电机控制效果，对传统式结构和电磁悬置式结构分别进行试验并对比。试验环境是C级路面，车速设置为20 m/s，试验时间设置为10 s。试验相关参数见表1，试验结果如图15所示。

图14 单通道试验

图15 试验结果

由图15和表4可以看出，电磁悬置式结构相比传统式结构车身加速度下降23.1%，轮胎动载荷下降16.6%，由此可得电磁悬置式结构无论是在车身平顺性还是车身加速度方面都优于传统式结构。试验结果表明：悬置电磁式结构能改善车身平顺性和轮胎接地性。

表4 试验结果

6 结论

1) 提出电磁混合悬架结构，基于天棚控制策略设计了混合控制方式，从能耗和动力学性能方面考虑，采用半主动控制与主动控制相结合的协调控制方式能提升车辆的平顺性；从时域和频域方面分析了系统的高频和低频共振特性。

2) 提出一种轮毂电机悬置的布置方式。悬置式轮毂电机相当于一个动力吸振器，能有效分担轮胎受到的垂向动载荷，以此来抑制由于轮毂驱动电动车非簧载质量增大引起的垂向振动负效应。

3) 仿真与试验结果表明：采用轮毂电机悬置的悬架系统在频域内能有效抑制车轮型共振峰，并使车轮型共振频率避免落在人体最敏感 4～12.5 Hz区段；直线电机采用天棚控制策略的电磁悬架能对车辆车身型共振起到削峰作用。采用电磁悬架的系统与传统悬架相比，车身加速度降低24.7%，轮胎动载荷下降13%，改善了轮毂电机驱动电动车的平顺性和轮胎接地性。

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