轮毂驱动电动汽车动力学特性及控制研究

作     者：秦瀚笙 

作者单位：重庆交通大学 

学位级别：硕士

导师姓名：邓召学

授予年度：2024年

学科分类：08[工学] 0807[工学-动力工程及工程热物理] 

主      题：轮毂电机 气隙偏心 电流斩波控制 半主动悬架 负效应 

摘      要：随着汽车技术的发展,汽车领域不断变革,电动汽车已经成为各界研究的重要方向。按驱动形式的差别,电动汽车可归纳为集中驱动与分布驱动两种形式。采用分布驱动形式的轮毂电机(In-wheel Motor,IWM)驱动电动汽车具有各轮转矩独立、控制精准、响应迅速等优点。近年来,轮毂驱动技术更是成为了汽车企业开发新车型的关键技术。 然而,轮毂电机存在非常复杂的机电磁耦合效应,从而引发车辆动力学负效应。例如,在行驶过程中轮毂电机受到路面激励产生较大的振动,导致定、转子水平气隙偏心,致使电机凸极表面电磁力分布不均,产生不平衡电磁力,加剧电机振动,使其电磁场与机械场之间的耦合效应进入恶性循环,降低车辆乘坐舒适性。不平衡电磁力作用于轮胎时,直接影响轮胎动载荷,导致车辆侧倾甚至侧翻风险增加,降低行车安全性。 为改善轮毂电机耦合效应导致的电动汽车动力学负效应的新问题。本文以气隙偏心下的轮毂电机电磁特性为切入点,车辆动力学响应特性为落脚点,建立轮毂驱动电汽车动力学模型,研究电磁特性对电动汽车动力学特性的响应机理;为实现电动汽车动力执行器件-系统的优化匹配,以电机结构参数、控制参数为优化变量对轮毂驱动系统进行多目标优化设计;为改善车辆动力学特性,从车辆多维空间场的角度出发制定车辆动力学控制策略,抑制轮毂电机引发的车辆动力学负效应。主要内容如下: (1)以8/6外转子开关磁阻电机为研究对象,基于虚位移原理和麦克斯韦应力张量对气隙偏心下的电磁力进行计算表征,利用电机测试台架着重验证倾斜偏心下的径向电磁力;依据轮毂电机的结构特点,将7自由度的车辆动力学模型的簧下质量拆分,构建轮毂驱动电动汽车动力学模型;以路面激励、驾驶行为等外界扰动为输入,设定匀速、过减速带、起步、转角阶跃转向、蛇形行驶、鱼钩转向等工况全面探究轮毂电机气隙偏心对车辆平顺性和稳定性的影响规律。 (2)制定轮毂电机独立电流斩波控制策略,探究匀速、过减速带、起步三种工况下电机相关控制参数对电机不平衡电磁力与驱动转矩的影响;利用Isight多学科优化软件搭建轮毂电机驱动系统集成优化平台,通过将电机结构与控制参数集成进行优化,实现轮毂电机器件-系统的参数优化匹配,协同提升车辆的平顺性与动力性。 (3)利用连续阻尼可调(Continuous Damping Control,CDC)减振器测试台架获取的示功特性、速度特性曲线,基于查表法建立减振器正逆模型;在轮毂电机驱动系统独立电流斩波控制的基础上,引入CDC半主动悬架系统的鲁棒控制,制定考虑轮毂电机多场耦合效应的半主动悬架系统协调优化控制策略;以车辆动力性响应特性为目标,系统控制参数为变量制定优化函数;基于粒子群优化算法对系统控制参数进行筛选,使悬架系统与电机系统相互协调,综合提升车辆平顺性与侧翻稳定性。 (4)为抑制轮毂电机倾斜偏心对车辆横向动力学负效应,利用转向、驱动等系统制定主动后轮转向(Active Rear wheel Steering,ARS)和直接横摆力矩控制(Direct Yaw moment Control,DYC)的综合优化控制策略;基于滑膜算法对ARS控制器和DYC控制器进行设计;以常规工况下的横向位移误差、极限工况下的动态侧翻因子为优化目标,ARS、DYC控制器参数为变量,进行控制参数综合优化匹配,提升车辆动力学性能。