史晓燕， 董明明， 丁 鹏， 何晨晨

(1.浙江工商职业技术学院,宁波 315012；2.北京理工大学机械与车辆学院，北京 100081)

轮毂电机驱动的电动汽车总体布置结构简化，传动效率变高，开发成本变低，是国内外电动汽车技术研究的重点和热点之一[1-2].目前，许多著名的汽车集团公司相继推出轮毂电机驱动的概念车.但是，轮毂电机的引入使得轮毂电机驱动的车辆非簧载质量显著增大，并且由于电机固联在车轮上，使得路面激励直接作用在电机上，影响电机的电磁效应，这些都会增加了车身垂直振动加速度和轮胎动载荷，严重影响了车辆乘坐舒适性[3-4].一旦解决或改善了垂直负面效果，轮毂电机驱动系统将得到更广泛的使用.为了解决这个问题，提出了一种新型的动态吸振结构，并提出新的半主动悬架控制策略.

1 新型轮毂电机模型

针对轮毂电机驱动车辆由轮毂电机引起非簧载质量过大以及路面激励和电磁力的耦合作用带来的垂向负效应[5]，设计了一套轮内减振机构.如图1所示.

1-制动盘；2-减振器；3-轮轴；4-直线轴承；5-弹簧； 6-导向杆；7-定子；8-转子；9-轴承；10-中间盘； 11-传动盘；12-轮辋；13-轮胎；14-制动钳； 15-连接装置图1 轮内减振结构

该动力吸振器采用了一套类似于十字联轴器的装置，即图1中10和11来隔绝路面激励对轮毂电机的影响，减少轮毂电机车辆在行驶过程中由于路面变化带来的电机电磁效应的变化,也能保证车轮和电机能有相同的转速.同时该结构为了解决轮毂电机在垂向的振动负效应问题，在轮内安装了一套弹簧、阻尼结构，即图中的2、5，该装置和十字连轴装置构成一套动力吸振机构.

路面激励影响轮毂电机的电磁作用主要表现在定转子间隙变化引起的电磁扰动力的变化[6-7]，且他们之间的变化成正相关的变化趋势，使得振动恶化.车轮与地面之间的接触力采用线性模型描述，图2是小轿车相应的轮毂电机物理模型.其相应的动力学方程如式(1)所示.

图2 新型轮毂电机物理模型

(1)

式中：mb为簧上质量；ms1为转向节和轮轴质量；mw1为轮胎和轮辋质量；mr为转子质量；ms为定子质量；ks和cs为悬架刚度和阻尼；kb为传动盘和车轴之间的轴承刚度，kt为轮胎刚度；kd和cd为轮内减振机构刚度和阻尼；ksa为定转子之间的刚度；Fd为电机由定转子之间的间隙变化带来的扰动力.

2 半主动悬架控制策略

对于被动悬架来说，安装在车身质量和车轮质量之间的被动弹簧和阻尼会对两个质量同时产生相反的作用，如果减振器阻尼较大，其动载荷较小，那么其车身加速度会变大.所以对于被动悬架系统来说，必须找到一个折中的方案[8].如果减振器的两端不是固定在两个质量之间，而是将一端固定在惯性参考系上，就不会同时对两个质量块产生作用.根据惯性参考系位置的不同，这样的控制方式又分为“天棚控制”和“地棚控制”[9].

2.1 天棚控制模型

以二自由度悬架模型为例来阐述天棚、地棚控制原理.为了使减振器不同时对两个质量块产生作用，可以将质量块的一端固定在惯性参考系上，另外一端固定在固定参考系，如图3所示，此时称该控制策略为天棚控制策略.

图3 天棚阻尼结构示意图

在实际应用中，减振器只能安装在两个质量块之间，参考车辆悬架结构，其等效模型如图3(b)所示，动力学方程为：

(2)

由式(2)可以得到等效的减振器系数usky：

等效的天棚系统减振器的阻尼力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，通过将减振器和惯性参考系连接来抑制车轮跳动.理想的地棚阻尼力可由公式(4)进行模拟.

(4)

天棚控制是以簧载质量的加速度为输入，以抑制簧载质量加速度为目的.地棚控制是以非簧载质量的加速度为输入，以抑制轮胎跳动为目的.所以为了提高车辆整车平顺性，需要将天棚控制和地棚控制结合起来，这就是混合控制[10].混合控制的结构示意图及其等效模型如图4所示.

图4 混合控制结构示意图

混合悬架天棚和地棚减振器阻尼的匹配，Ahmadian等人引入了权衡因子η来解决该问题[11]，式(5)是其经典的表达式.

Fd=ηFsky-(1-η)Fgrd.

(5)

则混合悬架的阻尼系数为

(6)

其中η∈[0,1]，表示由驾驶员决定的混合悬架的权重.如果驾驶员需要较高的平顺性，那么就选择较大的权衡因子，反之，选择较小的权衡因子即可[12].

对于动力吸振轮毂电机-悬架系统来说，除了悬架阻尼器，动力吸振器中还存在一个阻尼器，因此其控制策略存在多种组合方式.图5是其混合控制结构示意图和等效的混合控制系统模型.

图5 新型轮毂电机-悬架混合控制系统示意图

对于轮毂电机驱动车辆来说，除了车辆操纵稳定性和平顺性外，定转子之间的间隙同样需要关注，定转子间隙关系到电磁扰动力的大小，进而影响电机的工作条件.综合上面3个目标，经过对多种控制方法的对比，最终选用最优控制策略：即天棚1+地棚1+天棚2，通过控制车轮内的减振器阻尼实现半主动悬架控制.

3 仿 真

为了更直观地显示混合控制的控制效果，采用Matlab进行建模仿真[13].对减速带和随机路面激励下混合控制和被动模型的动态响应结果进行对比，对于csky和cgrd的选取，采用多目标的求解方法PSO和多目标解集的评价方法Pareto最优解.系统仿真参数见表1.

表1 四分之一车辆模型参数

3.1 随机路面激励

车辆以60 km/h在ISO-B级路面上匀速行驶，路面生成方法采用谐波叠加法生成.

图6、图7分别是悬架构型采用被动动力吸振和混合控制后的簧上加速度、轮胎动挠度时域图对比.表2是其均方根值的对比结果.由表2可知，采用混合控制的悬架系统在平顺性方面有相应的提升，其中簧上加速度衰减了12.3%，轮胎动挠度衰减了5.5%.

图6 簧上质量加速度对比

图7 轮胎动挠度对比

表2 悬架响应对比

3.2 减速带激励

减速带激励可由式(7)表示.其v=60 km/h，t1为减速带激励开始时间，th为结束时间.

(7)

从图8、图9可以看出，采用混合控制后其簧上加速度和轮胎动挠度在幅值和收敛时间上要明显优于被动悬架，说明采用混合控制的悬架能够提升悬架的平顺性.

图8 簧上加速度对比

图9 轮胎动挠度对比

4 结 论

针对轮毂电机的振动恶化问题，提出了一种新型动力吸振机构，并针对此结构提出一种半主动悬架混合控制策略，最后通过Matlab建模仿真，结果显示簧上加速度和轮胎动挠度都有所衰减，表明采用混合控制策略的悬架系统在平顺性方面有相应的提升.目前已经初步制作轮毂电机样机，后续将结合四立柱道路模拟试验台、单轮悬架试验台、上位机测控系统，进一步对悬架策略的控制效果和可靠性进行试验验证.