轮毂电机电动汽车空气悬架阻尼GA-LQR控制研究

针对轮毂电机驱动电动汽车因电机内部不平衡电磁力引起的负面振动加剧等问题,提出一种基于遗传算法的线性二次型调节器(GA-LQR)的空气悬架阻尼控制方法。建立包含轮毂电机和空气悬架系统的轮毂电机驱动电动汽车8自由度半车动力学模型,并进行实车试验验证模型;仿真分析路面激励和不平衡电磁力两者对电动汽车垂向振动的影响;根据最优控制理论提出LQR控制策略,并通过遗传算法对LQR控制中的加权矩阵Q和R进行全局搜索优化,构建了GA-LQR阻尼控制器。仿真结果表明：相较于被动悬架和LQR控制的空气悬架,基于GA-LQR控制的空气悬架对电动汽车各评价指标的改善效果明显,可有效抑制轮毂电机因偏心引起的不良振动,极大地提高车辆的乘坐舒适性。     

轮毂驱动电动车的电磁混合悬架控制研究

轮毂驱动电动车由于采用电机分布式的布置形式,造成整车非簧载质量增加,会引起车辆安全性和整车平顺性的恶化。为此,提出一种基于电磁混合控制方式的电磁悬架。以直线电机为作动器,采用主动控制与半主动控制相结合方法对整车平顺性进行改善。系统中轮毂电机采用悬置式结构,相当于一个动力吸振器,能有效分担轮胎受到的路面垂向激励。仿真分析各质量系之间的传递特性和各性能指标(车身加速度、轮胎动载荷)的幅频特性。仿真结果表明:采用悬置式结构的悬架系统在频域内能够有效抑制车轮型共振峰,并使车轮型共振频率延后至12.8 Hz附近,避免落在人体最敏感区段4~12.5 Hz,同时轮胎动载荷均方根值下降13%。在此结构基础上,以改善车辆平顺性为目标,对直线电机采用天棚控制策略。结果表明:与传统悬架相比,车身加速度降低19.8%,改善了车辆平顺性。最后,在单通道台架上进行了试验,验证了悬置式结构和天棚控制策略的可行性。     

轮毂电机驱动汽车半主动悬架自适应最优控制

针对轮毂电机驱动汽车非簧载质量增加和轮毂电机不平衡电磁力带来的振动负效应,提出了一种自适应线性二次型调节器(LQR)半主动悬架控制策略,以提升轮毂电机驱动汽车的性能。考虑路面随机激励与轮毂电机不平衡电磁力的耦合作用,建立了轮毂电机驱动汽车系统的垂向、纵向与扭转振动的动力学模型。以垂向振动性能最优为目标,提出了LQR最优控制策略,将自适应遗传算法应用于确定LQR最优控制权重矩阵,以获取控制器的最优反馈悬架控制力。仿真结果表明:带有自适应LQR控制器的系统能有效提高系统的垂向与纵向性能,对簧载质量垂向与纵向振动加速度均方根值、悬架动行程均方根值、轮毂电机偏心距均方根值、轮胎动载荷均方根值和纵向驱动力波动的改善效果明显,有效提高了车辆的行驶平顺性与乘坐舒适性。     

非簧载质量和轮毂电机偏心对轮毂电机驱动电动汽车平顺性的影响

以某电动汽车(EV)为研究对象,构建了8自由度车辆动力学模型,并通过频域及时域分析探究非簧载质量增加对车辆平顺性评价指标的影响。考虑到轮毂电机因制造安装误差等原因而产生不平衡磁拉力,为探究其对车辆平顺性的影响,在ANSYS Maxwell软件中分别建立外转子永磁无刷直流轮毂电机静态偏心和动态偏心的模型,研究轮毂电机偏心情况下不平衡磁拉力特性,并在时域内分析轮毂电机驱动电动汽车在路面及轮毂电机不平衡磁拉力耦合激励下的平顺性。分析结果表明:非簧载质量增加和不平衡磁拉力导致轮胎动载荷明显增加,但座椅垂向加速度没有明显变化。     

开关磁阻式轮毂电机驱动电动汽车悬架系统振动抑制

针对开关磁阻式轮毂电机驱动电动车非簧载质量大幅增加,以及开关磁阻电机转矩波动产生垂向振动,与路面激励一起影响车辆的平顺性及车轮抓地性能等问题,提出频率滤波加权控制算法以改善车辆平顺性及车轮动载荷。建立了同时考虑电机转矩波动及路面不平度双重激励的动力学模型,分别以Sky-hook和Ground-hook为平顺性及车轮动载荷控制理想参照,设计频率滤波加权函数,使系统在激振频率接近车身固有频率的频带内以改善平顺性为主,而激振频率在接近车轮固有频率的频带内以提高车辆附着安全性为主。仅电机转矩波动、电机转矩波动与路面不平度双重激励等工况下的仿真结果表明:所提出的频率滤波加权控制算法具有良好的路面适应性,能有效降低车身加速度及车轮动载荷,改善车辆的行驶平顺性及附着安全性。     

基于滑模控制的三轴重型汽车平顺性优化研究

建立了基于半主动悬架的9自由度三轴重型汽车垂向动力学模型,为提升其平顺性,针对该重型汽车模型设计了滑模控制系统,对悬架阻尼力进行控制。该控制器以天棚阻尼系统为参考,使重型汽车振动响应跟随参考系统。基于Matlab/Simulink软件对滑模控制系统进行验证,在B级路面不同车速工况下进行响应分析。结果表明,所建立的控制器在不同车速下,均能有效改善车辆垂向加速度、俯仰角速度和侧倾角加速度。     

车身姿态补偿半主动控制

基于某矿用自卸车,建立了非线性半主动油气悬架三轴9自由度整车模型,以天棚控制算法和模糊控制算法为基础,设计了车身姿态补偿控制策略,对半主动油气悬架的阻尼力进行控制。在Matlab/Simulink中对控制策略的效果进行仿真验证。仿真结果表明:当车辆在D级路面以36 km/h的速度行驶时,相比于传统被动油气悬架,所设计的车身姿态补偿控制策略使车身垂向加速度优化了22. 89%,俯仰角加速度优化了20. 46%,侧倾角加速度优化了18. 87%,车身俯仰角优化了19. 61%,车身侧倾角优化了15. 66%,达到了较好的车身姿态控制效果。硬件在环仿真试验结果与Simulink仿真结果一致,验证了车身姿态补偿控制策略的实际可行性。     

四轮毂电机电动车对开路面制动能量回收策略研究

以对开路面下四轮毂电机电动汽车制动能量回收控制策略为研究对象,以提高对开路面下的制动能量回收效率和制动能量回收时的制动稳定性为目标,考虑制动强度对制动能量回收效率的影响及对开路面对制动稳定性的影响,提出了当两前轮轮毂电机制动力大于制动需求时,仅由两前轮轮毂电机提供制动力,反之,由4个轮毂电机共同提供制动力,对开路面下制动时,依据两侧路面附着系数分配左、右轮制动力的控制策略;基于Matlab/Simulink搭建了制动能量回收控制模型,基于FTP-75工况及对开路面工况,分别对制动能量回收有效性及制动稳定性进行验证,仿真结果表明:一次FTP-75工况下,采用所提的控制策略能够回收0.132kW·h的能量,相对于2个轮毂电机、4个轮毂电机按固定比例提供制动力的控制策略分别提高23.3%、7.3%;在对开路面制动时能够缩小两侧车轮地面制动力的差值,减小车辆横摆力矩,有效提高汽车制动稳定性。     

电动汽车电驱动系统机电耦合动态特性研究

为研究典型工况下电动汽车电驱动系统机电耦合作用机理,考虑永磁同步电机动态特性及齿轮传动系统非线性时变啮合特性,建立包括永磁同步电机动态模型和齿轮传动系统动力学模型的电动汽车电驱动系统机电耦合动力学模型。在此基础上,仿真分析稳态工况、冲击载荷工况、起伏路面工况等典型工况下电动汽车电驱动系统齿轮系统扭转特性和电机定子电流的动态响应特性。仿真结果表明:驱动电机与传动系统之间存在明显的机电耦合效应;电机定子电流会受到机械传动系统啮频和转频的调制;可以通过电机定子电流监测电驱动系统齿轮传动系统的啮合振动状态。研究结果可为电动汽车电驱动系统主动减振控制策略研究提供参考。     

基于重构控制分配的分布式电动车容错控制方法

针对分布式驱动电动车过驱动系统存在的冗余现象,以带有主动前轮转向系统的四轮轮毂电机驱动电动汽车为研究对象,设计了执行器故障后的容错控制算法。容错控制器采用集成控制结构,上层为运动跟踪层,基于模型预测控制算法,得到车辆跟踪期望状态所需总的力与力矩;下层为重构控制分配器,针对驱动电机的多种故障情况,以整车稳定性和安全性为目标制定重构控制分配率。通过实验表明,在高速高附的仿真工况下,面临多种执行器故障模式时,相比无控制的车辆,处于容错控制算法控制下的车辆横摆角速度最大值由0.3 rad/s降低到0.1 rad/s,质心侧偏角由0.03 rad降低到0.015 rad,显著提高了车辆的横摆稳定性与安全性能。     

四轮独立驱动电动汽车直接横摆力矩控制

为提高四轮独立驱动电动汽车横摆稳定性,在考虑纵向车速控制的基础上设计了直接横摆力矩控制策略。该控制策略由上下两层组成,上层控制器为基于车辆运行状态反馈的附加横摆力矩控制器,其控制方式为通过实际反馈的车辆状态参数与参考值对比,设计线性二次型调节器(LQR)计算目标附加横摆力矩。下层控制器为基于路面附着条件及前后轴荷比的轮毂电机转矩分配控制器。通过CarSim与Simulink建立联合仿真模型,选择双移线和正弦输入2种工况进行仿真试验。结果表明:所设计的控制策略能够使车辆质心侧偏角和横摆角速度较好地跟随参考值,可有效避免车辆侧滑失稳,提高车辆横摆稳定性和行驶安全性;与PID控制相比,LQR控制能够更有效地抑制横摆角速度振荡峰值。     

分布式驱动电动汽车多电机系统改进型环形耦合控制

采用轮毂电机驱动的电动汽车,多电机协同控制是车辆安全行驶的重要因素。基于目前多电机控制系统跟踪误差和同步误差较高的问题,为提高控制精度及四轮独立驱动电动汽车的行驶稳定性,结合傅里叶级数循环学习法提出了一种改进型的环形耦合控制方法。该方法通过循环学习有效地提高了控制方法的控制精度,明显降低了多电机运行时的跟踪误差和同步误差。通过Matlab/Simulink搭建了四轮毂电机同步控制模型,验证了所提控制方法的可行性。基于CARSIM与Matlab/Simulink联合仿真平台模拟实车运行,进一步验证了所提多电机协同控制方法能够有效降低四轮电机运行的同步误差和跟踪误差,有助于提高车辆的运行稳定性。     

汽车发动机主动悬置振动控制策略研究

为解决发动机振动和路面激励引起的整车振动,提出了一种包含压电陶瓷主动悬置的双环控制。外环控制器主要用来控制发动机的垂直、俯仰与侧倾运动,从而稳定发动机的姿态;内环控制是采用4个独立的控制器分别控制每个压电悬置产生主动控制力,从而抑制路面不平度对车身的干扰。通过逻辑控制器实现内外环的有效连接。仿真结果表明:相比于传统模糊控制和被动悬置系统,主动悬置的双环控制方法能抑制发动机振动和车身振动,提高汽车行驶平顺性。     

轮毂电机电动汽车再生-液压复合制动系统协调控制策略

为保证制动过程中轮毂电机电动汽车的制动控制效果,充分利用电机再生制动控制精准高、响应迅速的优势,对再生-液压复合制动系统的制动性能进行了数学建模与仿真分析。首先,建立了包含再生-液压制动复合制动系统的单轮纵向动力学模型;其次,考虑驾驶员制动需求和路面条件,提出可用于3种典型制动工况(轻度、中度和重度制动工况)下的复合制动系统协调控制策略;最后,在Matlab/Simulink软件中模拟3种典型制动工况下采用所提出协调控制策略的汽车制动过程。仿真结果表明:所提出的控制策略能满足驾驶员制动意图,在充分利用电机控制精度高和响应时间短的优势的前提下,保证轮毂电机电动汽车的制动控制效果。     

分布式驱动电动汽车横摆稳定性控制策略研究

针对某型纯电动汽车进行轮毂电机参数匹配设计,建立整车参数化模型;以横摆角速度和质心侧偏角偏差作为控制目标,基于滑模控制理论及罚函数法,提出整车横摆稳定性控制和轮毂电机转矩分配控制策略;选取双移线和鱼钩试验2种典型工况,与无控制和模糊PID控制策略进行对比分析,对控制策略进行仿真验证。结果表明:采用积分滑模控制策略后,双移线试验工况下,车辆横摆角速度最大值为0.17 rad/s,质心侧偏角最大值为-0.038 rad;鱼钩试验工况下,车辆横摆角速度最大值为0.23 rad/s,质心侧偏角最大值为0.049 rad,均小于未加控制时车辆的状态参数,所提出的整车横摆稳定性控制策略能够有效对车辆进行横摆稳定性控制,降低车辆失稳机率。     

车辆双磁流变阻尼器座椅悬架的建模及控制

采用双磁流变阻尼器提高车辆半主动座椅悬架的减振效果,建立了包括变阻尼Vogit单元、附加调节质量和弹簧的串联支路和可变阻尼并联构成的3自由度半主动座椅悬架模型。推导了该模型的动力学方程,进一步采用改进的Bouc-Wen模型建立了磁流变阻尼器的数学模型。根据悬架动力学方程给出了基于分层的控制策略,在Simulink中搭建了相应仿真模型,取人体易发生共振的3个频率信号以及随机激励信号进行测试。仿真结果表明:所提出的半主动悬架机构及其控制策略具有较好的减振效果,为半主动悬架的设计和控制提供了参考。     

基于转速信号的旋转机械故障诊断方法研究

轮毂电机作为电动汽车四轮独立驱动系统的动力源,其运行状态直接关系着整车安全。为了逐步实现对轮毂电机运行状态的监测,提出一种新的方法——阶次自分离方法,以适应其复杂多变的行驶工况。本方法克服了传统阶次跟踪方法需同时采集转速信号和振动信号的局限性,仅针对转速信号进行研究,并提取其中蕴藏的非正常波动成分,同时借鉴传统阶次跟踪方法对时域非平稳信号的处理方式,对波动成分进行角域重采样和傅里叶变换,凸显出蕴藏于转速信号中的故障特征,进而实现对轮毂电机的故障诊断。结合Matlab仿真分析和轮毂电机漏电故障实验,结果表明:阶次自分离方法可有效识别轮毂电机漏电故障特征。     

结合遗传算法的四轮毂电机电动汽车制动能量回收控制策略

以四轮毂电机电动汽车制动能量回收控制策略为研究对象,提高其制动能量回收效率为目标,确定其动力系统参数,建立四轮毂电机制动能量回收发电模型,并利用遗传算法求解多约束函数,根据遗传算法求解的发电效率模型结果以及轮毂电机制动能量回收影响因素制定能量回收控制策略;基于AVL cruise与Matlab/Simulink搭建制动能量回收控制策略联合仿真模型并区分不同的制动强度,分别在NEDC与CLTCP工况下对制动能量回收控制策略进行仿真分析。结果表明:在NEDC工况下,基于遗传算法的制动能量回收控制策略比AVL cruise的前后电机转矩平均分配控制策略多节约能量28 kJ;在CLTCP工况下,制动能量回收控制策略比AVL cruise控制多节省了3.15%的SOC。     

分布式电动车转向横向稳定性力矩适应性分配策略

为了提高分布式驱动电动汽车转向行驶的横向稳定性,基于Matlab/Simulink和CarSim建立了分布式驱动电动汽车二自由度动力模型,并设计了车辆的横向稳定性控制策略。控制系统由上下两部分组成：上层力矩计算控制器,主要基于PID控制策略计算车辆所需的附加横摆力矩;下层力矩分配控制器,根据车辆转向行驶时所需附加横摆力矩的大小,在差动驱动、差动制动、摩擦制动3种力矩分配方式中选取相适应的分配方式将力矩合理分配到各个轮毂电机上。研究结果表明：所设计的横向稳定性控制系统最大能够使车辆横摆角速度减小58%,并且可以良好地追踪理想质心侧偏角,且波动减少,有效提高了车辆转向行驶时的横向稳定性。在差动驱动分配方式控制下车辆对追踪期望速度具有良好的效果;车辆所需附加横摆力矩较大时,下层力矩分配控制器采用差动制动、摩擦制动分配方式将牺牲对期望速度的追踪。     

电动汽车电驱动系统起步工况台架模拟试验与性能评价

为了对电动汽车起步工况下电驱动系统的性能进行评价,给出了起步时间、驱动电机电压电流和冲击度3个评价指标;然后在试验台架上模拟电动汽车起步工况,对台架的摩擦阻尼、转动惯量和联轴器刚度进行了辨识,设计了基于转速预测控制的负载模拟控制算法,并在汽车起步工况模拟台架上进行了试验,分析了不同坡度下(0%、10%、20%)的不同油门开度(10%、30%、50%)的试验结果,提出的台架试验模拟和评价方法为电动汽车驱动系统的试验研究提供了重要参考。