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声音与振动杂志
道路励磁与车轮开关磁阻电动机对车辆平顺性和主动悬架控制的耦合效应
澳大利亚新南威尔士州伍伦贡北菲尔德大道伍伦贡大学电气、计算机与通信工程学院，邮编2522
北京理工大学机械工程学院，北京，中华人民共和国
文章信息
文章历史：
2017年10月28日收到
2018年12月4日收到订正表格
2018年12月8日接受
2018年12月11日可在网上查阅
处理编辑： I. Lopez Arteaga
关键字:
容错Hinfin;控制 轮式开关磁阻电动机 主动悬架控制 混合控制方法
理论
数值分析了道路励磁与车轮开关磁阻电动机(SRM)对汽车平顺性的耦合效应。一种由容错Hinfin;构成的混合控制系统，为了提高电动汽车的平顺性和电机的运行性能，提出了一种基于旋转电机驱动电动汽车的伸缩控制器和SRM控制器。通过数值模拟，在所建立的四节汽车主动悬架模型和开关磁阻电机模型的基础上，发现路面不平度与SRM气隙偏心和区域不平衡垂直力高度耦合。SRM气隙偏心受道路激励的影响而成为时变的，从而产生残余不平衡的径向力，这是造成SRM气隙偏心的主要原因之一。为了抑制SRM的振动，延长SRM的使用寿命，同时提高车辆的平顺性，提出了一种基于输出反馈Hinfin;的容错控制器。该方法是为了减小弹簧质量加速度。此外，还利用电流斩波控制(CCC)和脉宽调制控制(PWM)对SRM控制器进行了进一步的调整,提高SRM的性能。被动悬架与混合控制方法在随机道路激励和碰撞激励下的车辆和SRM动态响应比较 。结果表明，所提出的混合控制方法能有效地减小SRM气隙偏心、残余不平衡径向力，实现更好的车辆平顺性。
1. 介绍
近年来，在环境问题和能源约束的驱动下，电动汽车成为众多研究的热点。与传统的内燃机车辆相比，电动汽车在先进的电动机和电池技术的支持下，可以提供更好的驾驶性能和提高效率。考虑在电动汽车中部署的一种新方法是轮内电机(in-wheel motor, IWM)，因为它提供更快的电机响应，产生精确的扭矩，并且可以产生正向和反向扭矩[1]。然而，轮内马达是直接连接到车轮，并可导致车辆的未伸缩质量增加，悬架的乘坐舒适性和道路保持稳定性显著下降[2]。此外，承载车身重量的电机轴承，由于负载大，电机转子与定子间隙小，磨损速度快。轮内电机的振动和施加在电机上的重负荷很容易造成噪声和轴承磨损，降低电机轴承的使用寿命。电动汽车可配置感应电机、永磁同步电机、开关磁阻电机等多种电机。开关磁阻电机(SRM)具有结构简单、成本低[3]、鲁棒性好、效率高等内在优点，是电动汽车的首选配置方案[4]。与其他类型电机相比，SRM的缺点是产生磁阻转矩，不可避免地存在较大的转矩脉动、振动和噪声问题[5]。传统的控制方法有CCC、角位置控制(APC)、PWM等[6,7]。这些可用于控制斩波电流和开关角度。
在实际中，转子偏心是由转子轴承磨损、电机公差和静摩擦引起的。转子偏心产生的残余径向不平衡力会显著降低车辆的乘坐舒适性和SRM性能，增加车辆的振动和噪声。在空转、路面激励和不平衡载荷条件下，残余不平衡径向力增大。这种情况在轮内SRM电动汽车中尤为严重，因为SRM不平衡径向力的垂直分量直接作用在车轮上，可以改变轮胎的受力[8]。Wei Sun等人[9]分析了轮内SRM对车辆动力学的影响，提出了几种控制方法来降低SRM对车辆产生的残余力和起动冲击。YanyangWang et al.[9]分析了车轮内SRM不平衡垂直力对电动汽车平顺性、横向稳定性和抗侧翻稳定性的影响。RCF (rollover critical factor)用于评估车辆的侧翻。结果表明，在鱼钩操纵下，轮内SRM的RCF比基准车辆增加了17.80%。车轮内SRM偏心量不是恒定的，它受路面激励的影响。在文献[10]中，研究了路面激励、SRM气隙偏心和垂直力不平衡之间的耦合效应，并讨论了这些效应对IWM-EV行驶舒适性和道路保持稳定性的影响。针对电动汽车非簧载质量增加和垂直力不平衡带来的不利影响，摘要提出了一种基于动态吸振结构的减振方案。车轮内安装的永磁同步电机(PMSM)电动汽车也会产生不平衡的垂直力[11]。永磁同步电动机的磁隙不均匀会导致电磁力不平衡，对车辆行驶性能和道路保持能力产生不利影响。DiTanetal.[12]研究了永磁同步电动机不平衡电磁力对电动汽车侧翻特性的影响，研究了道路影响因素对汽车侧翻的影响。这些趋势清楚地表明电动汽车需要主动悬架，这有助于提高车辆的行驶舒适性和动态性能。
由于乘客健康和安全对主动悬架设计的要求越来越高，近年来电动汽车悬架系统的相关研究受到了广泛关注。在这些研究中，主动悬架和优化被动悬架被认为是提高电动汽车轮式电机行驶舒适性和安全性的潜在方法。主动悬架系统包括电液悬架和电磁悬架，在转向和制动过程中通过主动横摇和俯仰控制提高操纵稳定性，消除路面励，许多研究所对其进行了探索[13]。许多控制算法，例如模糊逻辑控制[14-16]，skyhook控制[17，18]，线性二次高斯(LQG)[19]，滑动控制[20，21]，最优控制[22，23]和Hinfin;控制[24-26]提出了主动悬架系统，以解决平顺性、悬架挠度与道路保持之间的矛盾要求。本文提出的变阻尼刚度半主动悬架与行程速度阈值刚度控制器(SSTSC)相结合，在文献[27,28]综述中得到了较好的应用。Sergio M. Savaresi等[29-31]提出了一种新的半主动悬架系统控制方法——加速驱动阻尼(ADD)，以提供准最优性能。Elbeheiry和Karnopp基于文献[32]中的有限状态反馈方法设计了主动悬架的随机LQG。Hrovat等分析了主动悬架系统最优控制技术在参考文献[22,23]中的应用。摘要针对文献[33]中存在参数不确定性、外部干扰和非理想(死区和滞后)执行机构的主动悬架系统，提出了一种自适应跟踪控制方法。在这些控制算法中，Hinfin;控制被证明克服了平衡，并提供了良好的性能。根据文献，Hinfin;控制策略可以处理以下复杂问题：参数不确定性，执行器故障，阻尼器时滞和外部干扰。
执行机构故障和延迟的存在会使控制性能恶化，如果在控制器设计中不加以考虑，甚至会导致控制系统不稳定，导致车辆动态不可靠，降低行驶平顺性。系统摩擦、系统不确定性和外部干扰等对控制系统的性能和稳定性有负面影响。主动悬架系统采用故障检测和容错控制方法进行故障检测，以保证被控悬架系统性能较好[34,35]。摘要针对具有执行机构故障和外部干扰的网络控制系统，提出了一种基于等效输入扰动的自适应可靠控制方法。该控制器克服了外部干扰和执行器故障的影响，提高了跟踪性能。在参考文献中[37]，不确定主从系统在非线性扰动和混合中立和离散时变下的鲁棒同步与故障检测问题在Hinfin;控制方法的基础上，对其进行了研究。在参考文献中[25]，针对具有执行器不确定性约束的半车主动悬架系统，提出了一种非脆弱Hinfin;控制器。一个输出反馈Hinfin;鲁棒控制器,采用递归导数是非奇异终端滑模方法,提出了非线性季度汽车悬架系统驱动非线性液压致动器[24]。在参考文献中。[38]针对带有执行器时滞的主动悬架，提出了一种动态输出反馈Hinfin;控制方法。一个针对文献[39]中状态变量和信息结构约束的部分知识问题，提出了一种基于线性矩阵不等式方法的静态输出反馈控制器。这些研究大多集中在传统车辆的主动悬架控制，而不是电动汽车。王荣荣等人在[40]上部署了一个动态减振器来解决电机轴承磨损和轮毂电机非簧载质量增加的问题。然而，对于轮式SRM电动汽车主动悬架控制和SRM控制相结合的控制系统还没有进行研究。
电动汽车的主动悬架控制由车轮内电机驱动，提高了车辆的行驶舒适性和操纵稳定性。研究表明，在该系统中，主动悬架力可应用于汽车簧载质量和轮毂电机定子，对SRM气隙偏心和SRM残余不平衡垂向力有一定影响。本文提出了一种主动悬架控制与SRM控制相结合的综合控制策略，最大限度地减小轮毂电机的振动，提高车辆的行驶平顺性。本文的主要贡献是: 1)开发了基于SRM的四分之一车型。2)研究了路面激励、气隙偏心和垂直力不平衡对车辆平顺性的耦合作用。3)为了抑制悬架和电机振动，提出了一种采用容错Hinfin;悬架控制和SRM控制相结合的混合控制方法。本文的其余部分结构如下。第二节阐述了四分之一轿车模型和SRM模型的发展。第三部分分析了道路类型、车速和SRM对车辆平顺性的影响。混合控制方法利用输出反馈Hinfin;控制和SRM控制设计在第四节。第5节给出了仿真结果，比较了被动悬架和主动悬架对车辆的影响以及SRM动态响应。最后，在第6节中得出结论，并讨论了未来的工作。
2. 轮内电机驱动电动汽车模型
如图1所示，轮内SRM电动汽车由两个子模型组成:1 / 4车悬架模型，用于研究轮内SRM对弹簧质量加速度、悬架挠度和轮胎挠度的影响;为电动汽车提供所需扭矩的SRM模型。
图1 轮式SRM驱动电动汽车悬架模型
2.1.车辆悬架模型
本文研制了一种常规的被动悬架车辆和一种采用主动悬架的轮内SRM驱动的电动汽车，如图2所示。四分之一车辆被动悬架模型有两个自由度，与弹簧质量和非弹簧质量的垂直运动有关。根据牛顿第二定律，被动悬架系统的运动方程可以写成
(1)
(2)
其中，和表示弹簧质量的垂直位移，非弹性质量和道路扰动。弹簧质量和非弹簧质量分别用和来表示。悬架刚度、阻尼系数、轮胎刚度系数分别用、、表示。
图2.四分之一车辆悬架模型。(a)常规车辆；(b)装有车轮的电动车辆。
为了分析道路激励对SRM性能和车辆平顺性的影响，建立了非簧载质量、SRM定子和簧载质量三个垂直运动自由度的四分之一车模型，如图2-(b)所示。在轮内SRM电动汽车中，将SRM定子固定在轴上，将SRM转子固定在轴上的中心。SRM转子和轮毂通过SRM轴承和轮毂轴承安装在轴上。因此，车辆车轮质量可分为两部分:轮胎、轮辋和SRM转子的总质量，记为; SRM定子和壳体的质量，记为。它们通过SRM轴承和轮毂轴承相互连接，其中刚度为。SRM转子与定子之间的气隙由转子偏心产生，转子偏心产生不平衡的径向力。垂直力不平衡的垂直分量，用表示，直接作用于质量和。气隙偏心量不是恒定的，它受路面激励的影响。在建立车辆模型时，考虑了不同路面激励方式对电机转子、车辆动态响应和SRM定子垂直运动的影响。根据牛顿第二定律，主动悬架系统的运动方程可以写成
(3)
(4)
(5)
其中、、为簧载质量、非簧载质量和电机定子质量的垂直位移。和分别表示道路扰动和致动器力。簧载质量用表示，悬架刚度系数用表示，阻尼系数用表示。轮胎刚度为。本研究使用的参数值如表1所示。
表1 车辆参数值
|
传统的汽车标志 |
数值 |
电动汽车标志 |
数值 |
轮胎标志 |
数值 |
2.2.开关磁阻电动机模型
本文采用带外子的8/6四相轮内SRM，如图3所示。SRM驱动系统包括SRM、变频器和相关的控制系统。
图3 8/6四相SRM结构与SRM垂直力
2.2.1.电磁方程
我们使用傅立叶级数的方法来获得磁链和电感[41,42]。在感应电流剖面上使用了三点。三个系数可以由对齐位置电感、未对齐位置电感和从对齐位置到中间位置电感的函数得到，
(
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