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基于負(fù)載電阻可調(diào)的電磁主動(dòng)懸架減振研究

2021-02-26 17:44:31·  來源：天津汽車研究所  作者：天津汽車研究所  
　
摘要為提高輪邊驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車動(dòng)力學(xué)性能和饋能特性，針對(duì)一種12 槽14極的徑向充磁式圓筒型饋能電磁懸架直線作動(dòng)器，使用有限元分析法驗(yàn)證了所推導(dǎo)的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)、
摘要

為提高輪邊驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車動(dòng)力學(xué)性能和饋能特性，針對(duì)一種12 槽14極的徑向充磁式圓筒型饋能電磁懸架直線作動(dòng)器，使用有限元分析法驗(yàn)證了所推導(dǎo)的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)、電磁力解析式的正確性；并建立電動(dòng)輪系統(tǒng)電磁主動(dòng)懸架饋能模型。在考慮非線性電磁力的前提下，設(shè)計(jì)了一種基于負(fù)載可調(diào)的饋能型電磁主動(dòng)懸架協(xié)同控制式。仿真結(jié)果顯示，與被動(dòng)懸架相比，所提出的饋能型電磁主動(dòng)懸架協(xié)同控制模式在提高輪邊驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車平順性的同時(shí)實(shí)現(xiàn)能量的回收，有效地改善了汽車動(dòng)力學(xué)性能。
針對(duì)輪邊驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)帶來的非簧載質(zhì)量增加、電機(jī)性能直接影響車輛動(dòng)力學(xué)性能等問題，兼具節(jié)能、響應(yīng)速度快和控制精度高等優(yōu)點(diǎn)的饋能型電磁主動(dòng)懸架帶來了新的解決方案。作為電磁主動(dòng)懸架核心部件的作動(dòng)器的研究必不可少，目前，針對(duì)電磁主動(dòng)懸架作動(dòng)器的研究主要集中在其結(jié)構(gòu)優(yōu)化上。在考慮端部效應(yīng)、齒槽結(jié)構(gòu)的影響因素下，對(duì)不同充磁方式的直線式作動(dòng)器進(jìn)行了較完善的理論分析。然而，如何從電磁主動(dòng)懸架控制模式入手，從根本上改善車輛動(dòng)力學(xué)性能的研究較少?；谝陨蠁栴}，文章提出一種基于負(fù)載電阻可調(diào)的電磁主動(dòng)懸架協(xié)調(diào)控制策略。仿真對(duì)比結(jié)果顯示，所提出的協(xié)調(diào)控制策略不僅在一定程度上提高了車輛平順性，還達(dá)到了能量回收的目的。

1 饋能型電磁主動(dòng)懸架作動(dòng)器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
  
圖1示出饋能型電磁主動(dòng)懸架結(jié)構(gòu)示意圖，整個(gè)電磁主動(dòng)懸架為直線式設(shè)計(jì)，作動(dòng)器定子與車身簧上質(zhì)量相連，動(dòng)子與輪轂和輪胎等簧下質(zhì)量相連，動(dòng)子繞組通電時(shí)，定子與轉(zhuǎn)子之間能實(shí)現(xiàn)縱向上的運(yùn)動(dòng)并產(chǎn)生電磁力。當(dāng)處于被動(dòng)工作模式時(shí)，動(dòng)子繞組在定子磁場(chǎng)中產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，通過調(diào)整電阻改變繞組中的電流給蓄電池充電，處于饋能模式。其中采用的12槽14級(jí)徑向磁化的圓柱形直線作動(dòng)器結(jié)構(gòu)示意圖，如圖2所示，主要包括次級(jí)動(dòng)子鐵芯、繞組、永磁體和初級(jí)定子外殼幾部分。作動(dòng)器主要結(jié)構(gòu)參數(shù)，如表1所示。

2 作動(dòng)器特性解析及驗(yàn)證
  
針對(duì)所采用的直線作動(dòng)器，基于麥克斯韋電磁場(chǎng)理論，對(duì)作動(dòng)器磁場(chǎng)分布進(jìn)行分析。其中作動(dòng)器的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)是衡量作動(dòng)器輸出電磁力和饋能特性的重要因素。繞組感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)（E/V）可由式（1）表示：
 



3 基于負(fù)載可調(diào)的饋能型電磁主動(dòng)懸架協(xié)調(diào)控制

3.1 饋能型電磁主動(dòng)懸架動(dòng)力學(xué)模型 

建立電動(dòng)汽車饋能型主動(dòng)懸架1/4動(dòng)力學(xué)模型，如圖4所示。主要具體參數(shù)取值，如表2所示。
由式（7）可知，饋能型電磁主動(dòng)懸架饋能功率除與作動(dòng)器極對(duì)數(shù)、線圈匝數(shù)等結(jié)構(gòu)參數(shù)有關(guān)外，還受懸架相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度和饋能電路負(fù)載電阻的影響，而在路面激勵(lì)一定的條件下，即電磁主動(dòng)懸架運(yùn)動(dòng)相對(duì)速度確定時(shí)，作動(dòng)器的饋能功率只取決于負(fù)載電阻的大小，則可通過調(diào)節(jié)負(fù)載電阻的大小來調(diào)節(jié)懸架饋能功率，實(shí)現(xiàn)對(duì)饋能電磁主動(dòng)懸架的饋能控制。結(jié)合式（3）和式（7）可以看出，電磁主動(dòng)懸架作動(dòng)器的電磁力也與懸架相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度和電路負(fù)載電阻有關(guān)，在電路負(fù)載電阻一定的條件下，電磁力大小與懸架相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度成正比關(guān)系，即懸架相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度越大，電磁力也越大。但在實(shí)際中，作動(dòng)器運(yùn)行過程中受磁飽和及溫升的影響，電磁力大小并不與激勵(lì)速度呈穩(wěn)定的線性增長(zhǎng)關(guān)系。通過測(cè)量得到的實(shí)際電磁主動(dòng)懸架電磁力，如圖5所示。
 
從圖5中可以看出，電磁主動(dòng)懸架電磁力在實(shí)際運(yùn)行過程中并非呈穩(wěn)定的線性增長(zhǎng)，在電流為0~4A的過程中，電磁力基本呈線性增加，其中試驗(yàn)測(cè)量值與理論值的偏差是由測(cè)試過程中的摩擦力造成的。在電流超過4A以后，電磁力的大小隨著電流幅值的增加而逐漸飽和。通過對(duì)4~12A的電磁力進(jìn)行二次項(xiàng)數(shù)據(jù)擬合，得到電磁力隨電流變化曲線的函數(shù)為：


3.2 協(xié)調(diào)控制策略

由電磁主動(dòng)懸架饋能特性可知，在懸架不受外界激勵(lì)影響的情況下，電磁主動(dòng)懸架饋能特性僅與電路負(fù)載電阻有關(guān)，通過調(diào)節(jié)負(fù)載電阻的大小即可達(dá)到對(duì)電磁主動(dòng)懸架的饋能控制，所以設(shè)計(jì)一種基于負(fù)載電阻可調(diào)的協(xié)調(diào)減振控制策略，其控制原理，如圖6所示。
由于很難實(shí)現(xiàn)饋能控制模式下的負(fù)載電阻實(shí)時(shí)連續(xù)可調(diào)，因此文章設(shè)計(jì)了分檔式負(fù)載電阻，對(duì)不同工況下不同負(fù)載電阻值工作概率進(jìn)行仿真分析，電阻取值范圍為[0，100]，不同負(fù)載電阻取值概率分布，如圖7所示，將整個(gè)電阻取值范圍劃分為5檔，每個(gè)區(qū)間內(nèi)選取平均電阻作為當(dāng)前狀態(tài)下電阻的取值，同時(shí)還需要對(duì)各檔范圍邊界進(jìn)行確定。
控制器得到最優(yōu)控制力，懸架系統(tǒng)相對(duì)運(yùn)行帶動(dòng)作動(dòng)器運(yùn)行，通過作動(dòng)器模型可計(jì)算得到作動(dòng)器感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。由電磁主動(dòng)懸架作動(dòng)器非線性電磁力及懸架輸出的最優(yōu)控制力，可得到最優(yōu)負(fù)載電阻控制模型，求出電路最優(yōu)負(fù)載電阻，調(diào)節(jié)懸架最優(yōu)控制力，進(jìn)而達(dá)到協(xié)調(diào)控制的目標(biāo)。
電磁主動(dòng)懸架系統(tǒng)最優(yōu)控制力隨著懸架系統(tǒng)的工作狀態(tài)而變化，當(dāng)電磁主動(dòng)懸架通入外部電流時(shí)，懸架處于主動(dòng)模式，懸架所需最優(yōu)控制力與作動(dòng)器輸出的電磁力方向相反，所消耗的電能全部來源于蓄電池。而當(dāng)懸架所需最優(yōu)控制力與作動(dòng)器輸出電磁力方向一致時(shí)，通過最優(yōu)電阻控制模型調(diào)節(jié)的負(fù)載電阻達(dá)到最優(yōu)電磁力的控制，懸架可將車輛振動(dòng)能量轉(zhuǎn)化為電能進(jìn)行儲(chǔ)存，進(jìn)行能量回收，處于懸架饋能模式。最優(yōu)控制負(fù)載電阻!2表示為：


3.3 仿真結(jié)果分析

對(duì)所建立的饋能型電磁主動(dòng)懸架動(dòng)力學(xué)模型進(jìn)行仿真分析，汽車以100km/h的速度在B級(jí)路面的隨機(jī)路面激勵(lì)下行駛。圖8示出主動(dòng)模式和所提出的協(xié)同控制模式下的電磁主動(dòng)懸架作動(dòng)器輸出的電磁作動(dòng)力對(duì)比圖，圖9示出主動(dòng)模式消耗的能量和半主動(dòng)模式饋能的能量。從圖8和圖9中可以看出，所提出的基于負(fù)載電阻可調(diào)的饋能型電磁主動(dòng)懸架協(xié)同控制比主動(dòng)控制模型所輸出的電磁作動(dòng)力明顯較大，在主動(dòng)模式處于消耗電能的同時(shí)，協(xié)同控制能夠?qū)崿F(xiàn)一定的能量回收，降低車輛電能的消耗。
圖10示出被動(dòng)模式、全主動(dòng)模式和協(xié)調(diào)控制模式下的懸架系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)性能對(duì)比圖。表3示出3種模式控制下的均方根值的對(duì)比。由表3中可以看出，協(xié)調(diào)控制模式下的車輛簧載質(zhì)量加速度、懸架動(dòng)行程、車輪跳動(dòng)均方根值分別由被動(dòng)模式的1.1882m/s2，0.0097m，0.0032m下降到了0.9180m/s2，0.0092m，0.0031m，下降幅度分別達(dá)到22.7!，5.2!，3.1!，車輛動(dòng)力學(xué)性能與全主動(dòng)模式相差不大。而從能量消耗!回收來看，協(xié)同控制相比于全主動(dòng)模式，所消耗的電能較小，同時(shí)還能實(shí)現(xiàn)一定量的能量回收。因此，所提出的饋能型電磁主動(dòng)懸架協(xié)調(diào)控制模式不僅改善了車輛動(dòng)力學(xué)性能，同時(shí)降低了對(duì)電動(dòng)汽車電能的消耗，實(shí)現(xiàn)了能量的回收。

4  結(jié)論
     
文章基于12槽14極的徑向充磁式圓筒型饋能電磁懸架直線作動(dòng)器，利用有限元分析驗(yàn)證了作動(dòng)器繞組磁鏈和感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)解析模型的有效性，并推導(dǎo)出作動(dòng)器電磁力解析式。設(shè)計(jì)了基于負(fù)載電阻分檔可調(diào)的饋能型電磁懸架協(xié)調(diào)控制模式，對(duì)電磁主動(dòng)懸架動(dòng)力學(xué)模型進(jìn)行仿真分析，仿真結(jié)果顯示，所設(shè)計(jì)的協(xié)同控制使車輛質(zhì)量振動(dòng)加速度、懸架行程以及輪胎位移分別下降了22.7%，5.2%，3.1%，并且降低了電磁懸架對(duì)電動(dòng)汽車電能的消耗，還實(shí)現(xiàn)了一定的能量回收。
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