基于電動汽車主動輪的電磁懸架控制研究*

陳正科，易 星

（1.江西科技學院人工智能學院，江西 南昌 330098；2.江西科技學院協同創新中心，江西 南昌 330098）

由于能源缺乏和環境污染，電動汽車已經成為各個國家發展汽車產業的重點所在，而輪轂電機技術是發展電動汽車的關鍵之一。其主要原因是輪轂電機驅動省去了諸多的動力—傳動系統，如變速器、減速器、傳動軸等。相對于傳統的集中電機驅動，有效提高了空間利用和傳動的效率，更容易實現復雜的運動和動力學控制。因此，輪轂電機在電動汽車上的研究與應用也得到了長足的發展，尤其是主動輪的研究，更是得到了廣大學者的重視。主動輪將車輛的動力、轉向和減震裝置集中于一體，有效提高了電動汽車的控制精度，同時還節省了空間。

由于輪轂電機特有的獨特動力布置形式，使得裝載該電機的車輛在行駛過程中的安全性會下降。同時又因為引入了輪轂電機，使得汽車整車的車輪轉動慣性和非簧載質量有了明顯上升，這也加大了車輛的加速性能的影響，使得輪胎抓地能力下降和載荷增大，汽車在比較差的路面上行駛時，增加了側翻的風險，從而導致汽車的行駛穩定性和安全性降低。

國內外不少專家、學者圍繞輪轂電機驅動系統存在的此類問題開展了相關研究，其中比較常見的就是汽車動力學方面的研究[1-3]。文獻[4]利用汽車均方根值分析和振動頻率域傳遞函數分析方法，研究了車身非簧載質量對車輛垂向振動運動的影響。而許多國外的著名公司（如Protean Electric 公司）則從多個方面進行了實驗驗證和仿真分析、實地檢測等[5]。NAGAYA等利用電機質量構造吸振器，分析非簧載質量的增大對汽車振動系統產生的不利影響。相關研究表明，由于輪轂電機具有特殊且獨有的驅動結構，合理的布置行駛對于提高汽車的行駛安全性具有重要的作用，相對其在汽車行駛平順性方面的影響更需要受到關注[6]。SCHALKWYK 等針對安裝了輪轂電機的電動汽車，研究了輪轂電機的固有頻率以及其隨載荷的變化，其研究改善了車輛的垂向動力學性能。其研究團隊認為：對于輪轂電機驅動式電動車的操縱穩定性以及在路面上行駛的平順性，動力集中驅動的電動汽車在此方面的不足是要加以優化的[7]。

針對上述存在的問題，也只有很少的文獻中提出過解決方法，但這些解決方法也只能從某一方面來解決輪胎接地性惡化和車輛在較差路面上行駛平順性的問題，無法同時兼顧，也沒有從頻域角度給出理論依據[8-9]。綜合上述研究背景，本文主要圍繞基于電動汽車主動輪的電磁懸架控制開展研究，考慮輪胎動態性能與車身的完美構造類型[10]，重點對主動懸架中電磁作動器的結構進行設計，然后建立1/4 的主動懸架系統動力學模型，設計一種模型預測控制器，通過MATLAB仿真研究所設計控制器的控制效果，從而提高電動汽車的操縱穩定性和平順性。

1 四輪獨立驅動電動汽車電磁主動懸架設計控制方案

車輛的四輪獨立驅動系統是一個完全高度集成的驅動系統，其主要結構組成包括驅動系統、制動系統及懸架系統，本系統的主要功能和優點在于能夠實現電動汽車的高度可控性，但同時也存在一些不足，比如在控制過程中會導致有較多的部件集中在驅動輪中，從而增加車輛底盤的非簧載質量，因此給車輛動力學系統帶來了新的難題，電動汽車如何合理地布置驅動輪中的電磁主動懸架，才能有效地降低對整個底盤動力學的影響。

法國研發的“主動輪”技術包括制動、轉向和差動控制，以及將懸架集成到科爾布發電機中，以克服驅動汽車懸架、發動機系統復雜和離合器振動等缺點。基于這一思想，可以將電機的旋轉運動轉化為直線運動，并且本文采用了電磁直線電機，在完全獨立電機的模式下設計了電磁懸架。在驅動輪的設計過程中，重點是提供縱向的驅動和垂向的減振運動，為了有效地集成各種系統，使結構足夠緊湊。主動輪結構如圖1所示，采用交叉幻燈片結構、連接軸和驅動機，以便在扭轉過程中完成車輪和發動機之間的能量傳輸，使用懸浮彈簧將操作系統支架連接到電機定子部分，實現了車輪和電機的柔性連接，同時將電機的質量與車輪的質量分開，使車輛底部的彈簧質量集成在主動輪中，采用直線電機作為汽車懸架的作動器，將主動懸架和轉向裝置安裝在主動輪的中心位置，其一端連接軸支架，另一端連接車身支架，與被動彈簧、線性減振器并聯，采用主力微分法在套管內安裝主動懸架。

圖1 主動輪結構圖

基于輪轂電機結構參數和電動汽車結構參數，結合上述設計的主動輪組成結構和工作原理，使用MATLAB 優化算法作為主動懸架系統的控制算法，分析路面激勵模型和直線電機的電磁鐵模型，使得主動懸架作動器的作動力可以滿足﹣450～450 N 的懸架控制要求，考慮到主動輪的綜合內部尺寸，并確定產生直線運動作動器的設計目標，如表1 所示。

表1 作動器設計目標

為了提升行駛過程中的安全性和平順性，主動懸架技術得以迅速發展，并且逐漸應用在了一些品牌汽車的轎車中，但是隨著油壓技術和電動技術的廣泛應用，各種控制技術和主動懸架技術也相繼產生，因此這種系統特性受到了廣泛關注。近年來，無論在理論方面還是試驗方面，主動懸架技術的可行性都得到了驗證，通過有關的理論研究成果進行了相關控制方案的設計，提高了汽車行駛時的機動性，同時還能夠實現對路面振動能量的回收。由于電磁作動器的作動力輸出存在一定范圍，該控制方案在這方面有所欠缺，存在相應的不足，因此容易導致車輛懸架系統在運行過程中達不到最優控制效果。

本文針對作動器輸出存在飽和非線性問題，研制出一種電磁作動器，對作動器控制電路模型進行簡化和分析，可以得到作動器往返運動時控制電流的可實現范圍。

為了提高主動懸架允許的行程范圍，有效控制電磁作動器的電流，根據模型預測控制理論，設計1/4汽車主動懸架系統控制器。在MATLAB/Simulink 軟件環境下，將其控制效果與傳統的無控制源的被動懸架進行了模擬比較，結果表明，所設計的模型可以使控制器的懸架性能更好。

2 車輛動力學模型與控制器設計

2.1 1/4 車輛主動懸架數學建模

本文利用車輛垂向動力學相關理論，建立1/4 車輛主動懸架系統動力學模型，如圖2 所示。

圖2 1/4 車輛主動懸架模型

根據圖2，結合牛頓力學定律，得到如下主動懸架動力學方程：

式（1）中：mb為車身簧上質量；ks、kt均為彈簧的彈性系數；Fc為阻尼力；Fi為電磁作動器作動力；mw為車輪簧下質量。

2.2 PID 模型預測控制器設計

隨著世界科學技術和全國經濟的不斷發展，計算機仿真技術也已經被廣泛應用于各行各業，并且能夠為一些機械系統的建模提供一種方向，而使用這種技術不但節約成本，并且可以縮短研發周期。

目前，用于計算機輔助設計或仿真的軟件有很多，其中，MATLAB 計算機輔助軟件應用最為廣泛，也深受歡迎。該軟件提供了一種可視化的界面窗口，可視化的工作界面能夠更好地輔助編程人員使用，該軟件還可以實現數學建模、運算、數據處理、編寫代碼等常用功能，當下許多的控制算法都是在該輔助軟件環境下建立的，不僅如此，這款計算機輔助軟件還可以通過擴展接口實現與其他軟件的聯合仿真控制。

其實，控制系統的仿真都是建立在Simulink 模塊以及MATLAB 基礎上的，而該模塊總是能夠為用戶提供更加簡單方便的快捷界面，同時該組模塊可以用于連續系統與離散系統的控制仿真，還可以用于動態系統與靜態系統的建模，在使用MATLAB/Simulink 時，可以從軟件系統的模塊庫中直接調用相關的模塊，通過設置仿真步長，還能夠實時查看模型的運行情況，同時，在仿真過程中，還能夠中途中斷程序的運行，修改相關的仿真參數，這樣能夠有效提高仿真的效率。

一般的，主動懸架系統控制與仿真的步驟如下：①確定主動懸架系統的控制變量；②設計主動懸架系統的控制方案；③建立1/4 車輛主動懸架系統動力學模型；④利用MATLAB 建立主動懸架系統仿真模型；⑤對主動懸架控制系統進行仿真，在仿真過程中，實時調整仿真參數，使得仿真結果有效且符合實際。

本文在仿真研究中，路面采用隨機激勵，所設計的主動懸架系統采用PID 控制，并于被動懸架系統進行仿真對比分析。通過利用MATLAB/Simulink 軟件建立模糊PID 控制器子模塊模型，如圖3 所示。

圖3 模糊PID 控制器子模塊模型

本文研究采用PID 模型預測控制下的電磁主動懸架的控制效果，選取車身垂向加速度、車身垂向位移為評價指標，并通過與被動懸架系統的響應進行對比。通過仿真，得到如下的結果，其中，圖4 和圖5 分別為被動懸架和模糊PID 控制主動懸架的車身垂向加速度響應曲線、車身垂向位移響應曲線。

圖4 車身垂向加速度響應曲線

圖5 車身垂向位移響應曲線

由圖4 可知，在隨機激勵路面輸入下，與被動懸架對比，采用模糊PID 控制的主動懸架車身垂向加速度的振動幅值在﹣1～1 m/s2之間變化，而被動懸架在﹣2～2 m/s2之間變化，主動懸架車身垂向加速度的幅值變化范圍明顯小于被動懸架，由此表明，所設計的模糊PID 控制器可以有效控制車身的振動加速度，提高車輛的乘坐舒適性。

由圖5 可知，在隨機激勵路面輸入下，與被動懸架對比，采用模糊PID 控制的主動懸架車身垂向位移的振動幅值在﹣0.1～0.1 m 之間變化，而被動懸架在﹣0.2～0.2 m 之間變化，主動懸架車身垂向位移的幅值變化范圍明顯小于被動懸架，由此進一步表明，所設計的模糊PID 控制器不但可以有效控制車身的振動加速度，還能夠改善車輛的車身振動位移，進一步提升了車輛的平順性。

3 結論

本文以基于電動汽車主動輪的電磁主動懸架為研究對象，分析了主動輪系統與輪轂電機、主動懸架的關系及其應用前景，搭建了四輪獨立驅動電動汽車電磁主動懸架控制方案，建立了1/4 車輛主動懸架系統動力學模型，設計了基于PID 的主動懸架模型預測控制器，采用MATLAB/Simulink 進行了仿真研究。研究結果表明，所設計的基于PID 的主動懸架模型預測控制器能夠有效減小車輛車身的垂向加速度和垂向位移的幅值變化范圍，有效提高了懸架的輸出響應，改善了電動汽車的乘坐舒適性。