輪轂電機驅動電動汽車主動懸架最優控制研究

范珍珍

摘 要：為解決輪轂電機驅動電動汽車因非簧載質量的增加而導致行駛平順性降低的問題，在輪輞內安裝電磁式主動懸架。建立1/4車輛懸架模型，采用二次型最優控制策略，獲得電磁作動器最優控制力。利用MATLAB軟件搭建懸架仿真模型，結果表明對輪轂電機驅動電動汽車主動懸架采用最優控制策略能較好地改善汽車的平順性。

關鍵詞：輪轂電機;電動汽車;主動懸架;電磁作動器;最優控制

中圖分類號：U463.33? 文獻標識碼：A? 文章編號：1671-7988（2020）17-29-04

Research on Optimal Control of Active Suspension for Electric Vehicle

Driven by Hub Motor*

Fan Zhenzhen

（ Jiangxi Institute of Science and Technology， Jiangxi Nanchang 330098 ）

Abstract： In order to improve the problem of ride comfort of electric vehicles driven by hub motor due to the increase of unsprung mass， electromagnetic active suspension is installed in the rim. The Model of 1/4 vehicle suspension is established， and the quadratic optimal control strategy is adopted to obtain the optimal control force of electromagnetic actuator. The suspension model is simulated using MATLAB software. The simulation results show that the optimal control of the active suspension can improve the vehicle ride comfort.

Keywords： Hub motors; Electric vehicles; Active suspension; Electromagnetic actuator; Optimal control

CLC NO.： U463.33? Document Code： A? Article ID： 1671-7988（2020）17-29-04

引言

隨著世界各國對能源和環保問題的重視，以電動車為代表的新能源汽車成為發展趨勢。其中，輪轂電機驅動電動汽車因傳動系統結構簡化、整車質量降低且分布均衡、傳動效率高等優點，成為電動汽車的發展方向。雖然輪轂電機驅動形式具有眾多優點，但由于輪轂電機的引入，增加了汽車的非簧載質量，引起汽車垂向振動幅度增大，并影響輪胎的接地性能，降低了汽車行駛平順性和操縱穩定性。為解決以上問題，輪轂電機驅動電動汽車的主動懸架研究成為熱點，其中具有響應迅速、控制精度高、能量消耗低等優點的電磁懸架逐漸受到重視[1]。

近年來，針對輪轂電機驅動電動汽車以上問題，國內外學者開展了一系列的研究，主要集中在懸架阻尼調節及主動懸架控制算法等方面。趙艷娥等[2]提出了一種輪轂電機結構改進方案，通過在車輪內增加動力減振機構，優化彈簧剛度和阻尼參數，減小了行駛過程中的垂向振動。梁銳[3]等提出在車輪轉向節上加裝動力吸振器，以車輪相對動載荷最小為優化目標，實現了對輪轂電機驅動電動車垂向振動負效應的抑制。馬英[4][5]等提出了一種利用直線電機取代輪內由彈簧和阻尼器組成的被動減振器的新型電動輪結構，實現了電動輪輪內主動減振功能。來飛[6]設計了一款車輛主動懸架用圓筒型電磁直線作動器，進行了外環最優控制和內環矢量控制的研究，仿真及試驗測試結果表明所采用的控制方式能有效降低車身垂向振動加速度、懸架動撓度以及車輪動載荷。孫偉[7]開展了基于主動輪的電動汽車整車動力學分析及集成控制研究，采用直線電機作為電磁主動懸架的作動器，使用LQR前饋控制加自適應補償反饋控制的聯合控制策略，結果表明能有效提高懸架的主要控制目標。裴金順[8]等提出一種采用電磁直線電機的新型主動懸架，基于LQR控制策略設計了包含能量管理單元的能量回收控制器，研究結果表明能改善汽車的操穩性和平順性，且能有效回收汽車懸架的振動能量。

基于以上研究背景，本文采用一種基于電磁作動器的輪轂電機驅動電動汽車主動懸架構型，對該主動懸架實施二次型最優控制策略，分析輪轂電機驅動電動汽車主動懸架的減振性能。

1 輪轂電機驅動電動汽車懸架模型

本文選擇兩種主動懸架構型進行研究，一種是將電磁作動器置于車身懸架中（簡稱為主動懸架1），一種是將電磁作動器置于車輪懸架中（簡稱為主動懸架2），通過比較及分析，確定性能更優的懸架構型。以上兩種主動懸架構型的動力學模型分別簡化為下圖1、2所示。

其中：mb為簧載質量、mt為簧下質量、mm為輪轂電機質量。xb為車身垂向位移、xt為車輪垂向位移、xm為輪轂電機垂向位移。kb及cb為懸架系統剛度及阻尼， km及cm為輪轂電機支撐剛度及阻尼，kt及ct為輪胎垂向剛度及阻尼。x0為路面激勵，u懸架作動器輸出力。

兩種懸架的動力學模型建立思路是一致的，都是基于牛頓第二定律推導的，以下僅給出主動懸架2的1/4車輛垂向動力學方程：

（1）

選取狀態變量 ， 和輸入向量 及輸出向量 ，可建立輪胎、車身和電機位移的狀態方程：