基于Adams和Matlab的輪轂電機建模與聯合仿真

張瑞軍

（九江職業技術學院，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環境造成的污染加重，國內外的專家學者逐漸把眼光聚焦在電動輪電動汽車上。采用電動輪驅動的電動汽車，不但減少了化石燃料的燃燒，優化了機械傳動機構，提高了傳動效率，還簡化了底盤結構，拓寬了乘客的使用空間，提高了汽車的舒適性，同時，還可以對每個車輪的驅動電機實現單獨控制，方便轉換驅動形式，充分利用驅動電機的性能來延長使用壽命。

采用電動輪驅動的電動汽車，輪轂電機的性能將直接影響電動輪電動汽車的性能。本研究以某型號電動輪輪轂電機為例，運用多體運動學分析軟件Adams，建立了輪轂電機的虛擬樣機模型，并且根據直流電機的數學模型，在Matlab/Simulink仿真平臺上搭建了聯合仿真模型，對電機的性能進行了仿真研究。

1 輪轂電機模型

根據基爾霍夫電壓定律：

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，與電機轉速成正比，即：

式中，θ為電機軸的角位移，i為電流，J為轉動慣量，c為常數。現在，根據電樞電流和電機轉速，寫出電壓降的表達式：

整理公式得出：

2 輪轂電機結構虛擬樣機仿真

2.1 輪轂電機結構虛擬樣機建模

本研究以某型號電動輪輪轂電機為例[1]，輪轂電機端蓋的結構尺寸如表1所示。按照表1中的尺寸，在Adams/view中建立輪轂電機模型，并給建立的模型指定材料屬性，添加相應的驅動力、載荷以及約束。在Adams中建立的輪轂電機三維模型如圖1所示，該輪轂電機為外轉子直流電機。為了使制動盤、輪轂電機有效集成在輪轂內，輪轂電機的兩端端蓋都設計了螺栓，左端端蓋的螺栓用來連接制動盤，右端端蓋的螺栓用來連接輪轂，將制動盤、輪轂電機、輪轂有效集成在一起，充分利用了輪轂的空間。

表1 輪轂電機端蓋的結構尺寸

2.2 輪轂電機結構控制系統建模

Adams/view模塊支持Easy5、Matlab等控制分析軟件進行聯合分析，在Matlab/Simulink仿真平臺建立了輪轂電機控制仿真模型[2]。在進行Adams和Matlab聯合仿真之前，先繪制了基于輪轂電機控制系統的樣機模型控制圖，如圖2所示。從圖2可以看出，輪轂電機輸入一個控制力矩，輪轂電機則向控制系統輸出轉速和角位移。

圖1 輪轂電機三維模型

圖2 輪轂電機控制系統的樣機模型控制

3 虛擬樣機聯合仿真分析

在進行Adams與Matlab聯合仿真之前，筆者對兩款軟件的數據接口進行了相關設置。

（1）Adams輪轂電機狀態變量確定。此模型建立輪轂電機控制力矩輸入變量、電機轉速和角位移輸出變量，分別對輪轂電機控制力矩輸入motor_torque、電機繞Z軸的角速度（motor_omega）WZ以及電機繞Z軸的角位移（motor_theta）AZ進行關聯。

（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）為電機轉速和角位移輸出變量。

（3）Matlab仿真環境建模處理。在Matlab中，利用Adams_sys處理命令，通過系統模塊的方式，引入Adams導出的輪轂電機虛擬樣機模型，然后在Simulink環境中，根據輪轂電機的數學模型建立輪轂電機聯合仿真模型，設置相關參數，運行仿真，可以得出電機的輸出轉速和角位移（見圖3～4）。可以看出，電機的轉速從0開始逐漸加快，直至穩定在260 rad/min；電機的角位移隨著時間的延長一直增加，從電機的輸出轉速和輸出角位移可知，所設計的輪轂電機性能良好，可以滿足使用要求，研究結果可為輪轂電機設計提供可靠的參考依據。

圖3 電機的輸出轉速

圖4 電機的輸出角位移

4 結語

為了提高輪轂電機的設計效率、降低輪轂電機開發成本，基于Adams和Matlab/Simulink仿真平臺，開展輪轂電機機械與控制聯合數字化虛擬樣機構建技術研究，得到輪轂電機虛擬樣機模型。結合Matlab/Simulink仿真平臺，建立了輪轂電機控制仿真模型，并對電機轉速和角位移進行了仿真研究。