輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車主動(dòng)懸架最優(yōu)控制研究

范珍珍

摘 要：為解決輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車因非簧載質(zhì)量的增加而導(dǎo)致行駛平順性降低的問題，在輪輞內(nèi)安裝電磁式主動(dòng)懸架。建立1/4車輛懸架模型，采用二次型最優(yōu)控制策略，獲得電磁作動(dòng)器最優(yōu)控制力。利用MATLAB軟件搭建懸架仿真模型，結(jié)果表明對(duì)輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車主動(dòng)懸架采用最優(yōu)控制策略能較好地改善汽車的平順性。

關(guān)鍵詞：輪轂電機(jī);電動(dòng)汽車;主動(dòng)懸架;電磁作動(dòng)器;最優(yōu)控制

中圖分類號(hào)：U463.33? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? 文章編號(hào)：1671-7988（2020）17-29-04

Research on Optimal Control of Active Suspension for Electric Vehicle

Driven by Hub Motor*

Fan Zhenzhen

（ Jiangxi Institute of Science and Technology， Jiangxi Nanchang 330098 ）

Abstract： In order to improve the problem of ride comfort of electric vehicles driven by hub motor due to the increase of unsprung mass， electromagnetic active suspension is installed in the rim. The Model of 1/4 vehicle suspension is established， and the quadratic optimal control strategy is adopted to obtain the optimal control force of electromagnetic actuator. The suspension model is simulated using MATLAB software. The simulation results show that the optimal control of the active suspension can improve the vehicle ride comfort.

Keywords： Hub motors; Electric vehicles; Active suspension; Electromagnetic actuator; Optimal control

CLC NO.： U463.33? Document Code： A? Article ID： 1671-7988（2020）17-29-04

引言

隨著世界各國對(duì)能源和環(huán)保問題的重視，以電動(dòng)車為代表的新能源汽車成為發(fā)展趨勢(shì)。其中，輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車因傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化、整車質(zhì)量降低且分布均衡、傳動(dòng)效率高等優(yōu)點(diǎn)，成為電動(dòng)汽車的發(fā)展方向。雖然輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)形式具有眾多優(yōu)點(diǎn)，但由于輪轂電機(jī)的引入，增加了汽車的非簧載質(zhì)量，引起汽車垂向振動(dòng)幅度增大，并影響輪胎的接地性能，降低了汽車行駛平順性和操縱穩(wěn)定性。為解決以上問題，輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車的主動(dòng)懸架研究成為熱點(diǎn)，其中具有響應(yīng)迅速、控制精度高、能量消耗低等優(yōu)點(diǎn)的電磁懸架逐漸受到重視[1]。

近年來，針對(duì)輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車以上問題，國內(nèi)外學(xué)者開展了一系列的研究，主要集中在懸架阻尼調(diào)節(jié)及主動(dòng)懸架控制算法等方面。趙艷娥等[2]提出了一種輪轂電機(jī)結(jié)構(gòu)改進(jìn)方案，通過在車輪內(nèi)增加動(dòng)力減振機(jī)構(gòu)，優(yōu)化彈簧剛度和阻尼參數(shù)，減小了行駛過程中的垂向振動(dòng)。梁銳[3]等提出在車輪轉(zhuǎn)向節(jié)上加裝動(dòng)力吸振器，以車輪相對(duì)動(dòng)載荷最小為優(yōu)化目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)車垂向振動(dòng)負(fù)效應(yīng)的抑制。馬英[4][5]等提出了一種利用直線電機(jī)取代輪內(nèi)由彈簧和阻尼器組成的被動(dòng)減振器的新型電動(dòng)輪結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了電動(dòng)輪輪內(nèi)主動(dòng)減振功能。來飛[6]設(shè)計(jì)了一款車輛主動(dòng)懸架用圓筒型電磁直線作動(dòng)器，進(jìn)行了外環(huán)最優(yōu)控制和內(nèi)環(huán)矢量控制的研究，仿真及試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果表明所采用的控制方式能有效降低車身垂向振動(dòng)加速度、懸架動(dòng)撓度以及車輪動(dòng)載荷。孫偉[7]開展了基于主動(dòng)輪的電動(dòng)汽車整車動(dòng)力學(xué)分析及集成控制研究，采用直線電機(jī)作為電磁主動(dòng)懸架的作動(dòng)器，使用LQR前饋控制加自適應(yīng)補(bǔ)償反饋控制的聯(lián)合控制策略，結(jié)果表明能有效提高懸架的主要控制目標(biāo)。裴金順[8]等提出一種采用電磁直線電機(jī)的新型主動(dòng)懸架，基于LQR控制策略設(shè)計(jì)了包含能量管理單元的能量回收控制器，研究結(jié)果表明能改善汽車的操穩(wěn)性和平順性，且能有效回收汽車懸架的振動(dòng)能量。

基于以上研究背景，本文采用一種基于電磁作動(dòng)器的輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車主動(dòng)懸架構(gòu)型，對(duì)該主動(dòng)懸架實(shí)施二次型最優(yōu)控制策略，分析輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車主動(dòng)懸架的減振性能。

1 輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車懸架模型

本文選擇兩種主動(dòng)懸架構(gòu)型進(jìn)行研究，一種是將電磁作動(dòng)器置于車身懸架中（簡(jiǎn)稱為主動(dòng)懸架1），一種是將電磁作動(dòng)器置于車輪懸架中（簡(jiǎn)稱為主動(dòng)懸架2），通過比較及分析，確定性能更優(yōu)的懸架構(gòu)型。以上兩種主動(dòng)懸架構(gòu)型的動(dòng)力學(xué)模型分別簡(jiǎn)化為下圖1、2所示。

其中：mb為簧載質(zhì)量、mt為簧下質(zhì)量、mm為輪轂電機(jī)質(zhì)量。xb為車身垂向位移、xt為車輪垂向位移、xm為輪轂電機(jī)垂向位移。kb及cb為懸架系統(tǒng)剛度及阻尼， km及cm為輪轂電機(jī)支撐剛度及阻尼，kt及ct為輪胎垂向剛度及阻尼。x0為路面激勵(lì)，u懸架作動(dòng)器輸出力。

兩種懸架的動(dòng)力學(xué)模型建立思路是一致的，都是基于牛頓第二定律推導(dǎo)的，以下僅給出主動(dòng)懸架2的1/4車輛垂向動(dòng)力學(xué)方程：

（1）

選取狀態(tài)變量 ， 和輸入向量 及輸出向量 ，可建立輪胎、車身和電機(jī)位移的狀態(tài)方程：