電動汽車主動懸架最優(yōu)控制淺析

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摘要:為提高輪轂電機驅(qū)動電動汽車行駛的平順性，在輪輞內(nèi)安裝3組對稱彈簧—阻尼裝置，并建立輪轂電機懸架。在此基礎(chǔ)上，輪轂電機驅(qū)動電動汽車主動懸架最優(yōu)控制，以二次型最優(yōu)控制為主要手段，并獲得直線電機最優(yōu)輸出力，并利用內(nèi)環(huán)推力滯環(huán)控制、外環(huán)速度PID控制的雙閉環(huán)控制方式，獲得最優(yōu)力，可實現(xiàn)輪轂電機驅(qū)動電動汽車主動懸架最優(yōu)控制效果提升。

關(guān)鍵詞:輪轂電機驅(qū)動;電動汽車;主動懸架;最優(yōu)控制

輪轂電機驅(qū)動電動汽車的主動懸架控制對電動汽車的運行狀態(tài)以及穩(wěn)定性等會產(chǎn)生直接的影響，所以，在對輪轂電機驅(qū)動電動汽車主動懸架最優(yōu)控制進行研究中，可對懸架架構(gòu)、電流流動變化、轉(zhuǎn)矩波動狀態(tài)等方面進行綜合分析，在主動懸架最優(yōu)控制與分析的基礎(chǔ)上，可對輪轂電機驅(qū)動電動汽車的運行狀態(tài)進行控制，從而保證電動汽車的平衡性與運行狀態(tài)。電動汽車在運行過程中，電機的運行會出現(xiàn)電流波動、轉(zhuǎn)矩波動的情況，這會增加電動汽車的振動，對車輛行駛的平順性、舒適性等會產(chǎn)生直接的影響［1］。結(jié)合輪轂電機振動問題，在對主動懸架進行控制的過程中，則可以通過二次最優(yōu)控制理論，改進輪轂電機結(jié)構(gòu)，優(yōu)化動力減振機構(gòu)，并對彈簧剛度、阻尼參數(shù)等進行控制，減小垂直振動對電動汽車行駛所產(chǎn)生的影響［2］。

1電動汽車主動懸架的數(shù)學模型

電動汽車主動懸架可利用三個120°的等分彈簧阻尼裝置進行構(gòu)建，電機與電動汽車的車身相連接，車身與電動汽車輪胎之間可以利用直線電機作動器進行連接。其模型如圖1所示:電動汽車主動懸架最優(yōu)控制中，利用電極懸架進行平衡控制。彈簧剛度與阻尼系數(shù)的控制有助于對輪轂電機驅(qū)動的周期性變化進行控制［3］。在輪轂電機驅(qū)動電極懸架模型中，可利用彈簧阻尼的夾角，對彈簧阻尼的位移變化進行控制，如果出現(xiàn)了位移變化，則可以對懸架合力進行計算。在建立測量垂向振動模型的過程中，則需要對輪外懸架彈簧、車身懸架彈簧剛度之間的關(guān)系進行分析，其中，kt、kmb以及kb為車輪、輪外懸架彈簧、車身懸架阻尼系數(shù)，mt為車輪，mm為輪轂電機，mb為電動汽車的質(zhì)量，xt為車輪，xm為輪轂電機，xb為車身垂向位移。X0為路面輸入狀態(tài)，F(xiàn)m為輪轂電機的振動輸入，F(xiàn)e為車身懸架作動器輸入。所建立的振動模型如圖2所示:本次建立的多閉環(huán)控制框架，重點通過1/4車輛振動模型對作動器、LQR空氣的運行狀態(tài)進行控制。在搭建1/4車輛振動模型，可對LQR控制器的最優(yōu)控制進行優(yōu)化，并幅度比較小，所以可將其看為常量。在車輛垂向振動模型中，輸入的彈簧阻尼為三個，在實際運行的過程中，可對輪轂電機驅(qū)動過程進行轉(zhuǎn)換，并對電機輸出過程中的作用力進行計算［4］。輪轂電機驅(qū)動電動汽車主動懸架計算可忽略三種輸入之間的耦合關(guān)系，并利用PWM波對作用力進行調(diào)節(jié)與控制。通過電機變化頻率，對輪轂電機驅(qū)動的作用力進行調(diào)整，達到控制的目的。本次研究選擇三相8極48槽永磁同步電機進行控制，根據(jù)輪轂電機自身振動所產(chǎn)生的電磁力波，對振動過程及規(guī)律進行控制［5］。

2直線電機主動懸架的多閉環(huán)控制策略

輪轂電機驅(qū)動電動汽車主動懸架的多閉環(huán)控制是利用直線電機的動子與定子，對永磁同步電機進行操作控制，為提高控制的穩(wěn)定性，可對鐵心飽和狀態(tài)以及渦流磁滯的損耗進行計算，建立直交軸的電壓方程(ud，uq)以及磁鏈方程，其表達式如下:在對電磁推力進行計算的過程中，電磁推力方程如下:在對主動懸架進行控制中，采用二次型最優(yōu)控制策略進行控制，并建立評價函數(shù)。因此，建立電動汽車主動懸架的多閉環(huán)控制框架，其框架如圖3所示:對負載阻力FLoad的變化進行計算。直線電機作動器可以利用FL跟蹤電磁推力Fe的變化，對輪轂電機驅(qū)動電動汽車主動懸架的電磁變化、動力傳輸過程等進行閉環(huán)控制，滿足輪轂電機驅(qū)動電動汽車主動懸架最優(yōu)控制的需求。直線電機的兩端可以與車身、輪轂等連接在一起，并對電動汽車的懸架減震器參數(shù)進行調(diào)整，從而滿足電磁滯環(huán)的控制需求。輪轂電機的輸出速度與輪轂電機驅(qū)動電動汽車主動懸架的最優(yōu)控制參數(shù)有直接關(guān)系，所以，在對輸出的作用力與懸架控制力之間的關(guān)系進行分析中，可利用滯環(huán)控制器，對動態(tài)的數(shù)字信號進行傳輸，將其傳輸?shù)捷嗇炿姍C驅(qū)動電動汽車主動懸架的控制模型中，形成PWM波，生成有效的信息數(shù)據(jù)，并對逆變器的通斷變化進行控制，提高多閉環(huán)控制模型在輪轂電機驅(qū)動電動汽車主動懸架控制中的應(yīng)用效果［6］。

3實例仿真分析

在對多閉環(huán)控制框架進行分析中，方針所選擇的模型參數(shù)如表1所示，永磁同步直線電機作用器的仿真參數(shù)如表2所示。在進行仿真分析的過程中，可通過matlab中l(wèi)qr函數(shù)進行計算，加權(quán)矩陣q=diag(2000，5000，2500，250)，r的數(shù)值為0．01因此，K的最佳表達公式如下:K=［－12217，7537，4227，－273，765，756］在對仿真系統(tǒng)的動態(tài)模擬進行分析中，對矩陣特征值以及特征向量進行計算，從而反映系統(tǒng)振動模態(tài)。在對系統(tǒng)模態(tài)參數(shù)進行分析中，其參數(shù)狀態(tài)如下:輪轂電機驅(qū)動電動汽車主動懸架最優(yōu)控制的數(shù)據(jù)分析是通過模態(tài)頻率的計算與分析，對控制模型的特征向量進行計算，在這一過程中，整個系統(tǒng)為垂向移動，而且可以通過振動狀態(tài)控制，實現(xiàn)輪轂電機驅(qū)動電動汽車主動懸架的控制效果提升。為檢驗輪轂電機驅(qū)動電動汽車主動懸架最優(yōu)控制模型的實際應(yīng)用，以B級路面為研究對象，并對主動懸架的變化過程以及車速變化狀態(tài)等方面進行分析，將電動汽車的車速控制在30km/h的狀態(tài)，并對輪轂電機、車身、電機位移狀態(tài)之間的關(guān)系進行分析，從而獲得主動懸架最優(yōu)控制點。其均方根差值如下:從主動懸架與被動懸架對比的角度進行分析，主動懸架下，車身垂向加速度均方根的數(shù)值減小了45%以上。而且，其最大數(shù)值出現(xiàn)大幅度降低的情況，可以提高電動汽車的平順性。車輪相對動載荷均方根增加了4%以上，可以認為其基本保持不變。瞬時狀態(tài)下，輪轂電機—車輪的懸架振動差值基本不變，所以，主動懸架在大幅度提高平順性的同時，對電動汽車的操縱性并沒有產(chǎn)生明顯的影響。車身—車輪、輪轂電機—車輪相對位移的均方根值出現(xiàn)了增大的變化，其分別增加了37%、16%以上。車身—車輪相對位移的最大數(shù)值為8mm，輪轂電機—車輪的相對位移最小數(shù)值為4mm，可以滿足電動汽車車身與電機懸架的行程要求。因此，兩個數(shù)值相比較，主動懸架可保持其自身的優(yōu)越性能［7］。從車身垂向加速度與車輪的相對動載荷變化角度進行分析，在Matlab下，F(xiàn)FT函數(shù)處理所獲得幅頻曲線變化差異比較明顯［8］。通過頻域仿真分析可以發(fā)現(xiàn)，在LQR控制的永磁同步電機的主動懸架下，其可以將幅值控制在0～5Hz頻段，在1～2Hz頻段內(nèi)降低的比較明顯，與模態(tài)分析的結(jié)果基本保持一致。在5～15Hz頻段的狀態(tài)下，其會產(chǎn)生一定的削弱作用，可進一步提高電動汽車的平順性。B級路面，車速的不同，其所產(chǎn)生的結(jié)果基本相同，這說明B級路面下，30km/h時的作動器輸出推力與LQR控制力的變化基本保持一致，說明電動汽車的永磁同步直線電機輸出推力可以達到保持基本一致的狀態(tài)。從不同路面、不同車速的角度，對電動汽車主動懸架性能進行分析。本次研究是在B、C、D級路面下，將車速控制在10～90km/h，并對車身垂向加速度均方根值進行計算，其結(jié)果如下:在對上述結(jié)果進行分析中，隨著路面的使用性能逐漸惡化，垂向加速度的均方根的數(shù)值會逐漸增大，電動汽車的平順性逐漸降低。隨著車速逐漸增大到60km/h的狀態(tài)下，均方根也會隨之增大，隨車速增加會逐漸減小。直線電機在實際應(yīng)用的過程中，其整個頻率變化對電動汽車的平順性會產(chǎn)生直接的影響。因此，在對振動幅值的變化進行分析的過程中，則需要對振動幅值變化進行控制，這對電動汽車的平順性會產(chǎn)生直接的影響。因此，在對頻率變化進行分析的過程中，其頻率變化分別為1～2Hz和7～9Hz。在此前提下，1～2Hz頻率內(nèi)，所產(chǎn)生振動間隔時間的差值比較大。在7～9Hz頻段內(nèi)，則產(chǎn)生的振幅最大狀態(tài)下，所對應(yīng)的頻率數(shù)值為8Hz，在這一狀態(tài)下，會出現(xiàn)共振的情況。從系統(tǒng)參數(shù)的角度進行分析，則需要從輪胎、輪轂電機等方面進行綜合分析，本次研究的輪胎規(guī)格為215/50R18，在8Hz頻率下，可以將電動汽車的速度控制在60km/h左右，從而保證電動汽車行駛過程中的平順性。本次輪轂電機驅(qū)動電動汽車主動懸架最優(yōu)控制，在路面變化的狀態(tài)下，電動汽車的平穩(wěn)性并不會受到太大的影響。隨著車速的變化，車身、車輪、輪轂電機的位移變化在可控范圍。從路面不平的角度進行分析，則輪轂電機驅(qū)動電動汽車主動懸架的控制過程，其位移為1．2cm，基本可以達到對電動汽車進行減振的目的。

4結(jié)論

以直線電機作為動器的輪轂電機電動汽車主動懸架構(gòu)型，并建立主動懸架的動力模型，利用主閉環(huán)LQR控制器調(diào)節(jié)直線電機的最佳電磁推力，從而建立多閉環(huán)控制模式。在實際研究與分析中，輪轂電機驅(qū)動電動汽車主動懸架最優(yōu)控制的優(yōu)化，可通過輸出跟蹤控制，對多閉環(huán)控制模式進行優(yōu)化，從而實現(xiàn)電動汽車的減振性能提升。

作者:黃立君 高志剛 單位:江西科技學院智能工程學院 華教教育科技(江西)有限公司