基于电动汽车主动轮的电磁悬架控制研究*

陈正科，易 星

（1.江西科技学院人工智能学院，江西 南昌 330098；2.江西科技学院协同创新中心，江西 南昌 330098）

由于能源缺乏和环境污染，电动汽车已经成为各个国家发展汽车产业的重点所在，而轮毂电机技术是发展电动汽车的关键之一。其主要原因是轮毂电机驱动省去了诸多的动力—传动系统，如变速器、减速器、传动轴等。相对于传统的集中电机驱动，有效提高了空间利用和传动的效率，更容易实现复杂的运动和动力学控制。因此，轮毂电机在电动汽车上的研究与应用也得到了长足的发展，尤其是主动轮的研究，更是得到了广大学者的重视。主动轮将车辆的动力、转向和减震装置集中于一体，有效提高了电动汽车的控制精度，同时还节省了空间。

由于轮毂电机特有的独特动力布置形式，使得装载该电机的车辆在行驶过程中的安全性会下降。同时又因为引入了轮毂电机，使得汽车整车的车轮转动惯性和非簧载质量有了明显上升，这也加大了车辆的加速性能的影响，使得轮胎抓地能力下降和载荷增大，汽车在比较差的路面上行驶时，增加了侧翻的风险，从而导致汽车的行驶稳定性和安全性降低。

国内外不少专家、学者围绕轮毂电机驱动系统存在的此类问题开展了相关研究，其中比较常见的就是汽车动力学方面的研究[1-3]。文献[4]利用汽车均方根值分析和振动频率域传递函数分析方法，研究了车身非簧载质量对车辆垂向振动运动的影响。而许多国外的著名公司（如Protean Electric 公司）则从多个方面进行了实验验证和仿真分析、实地检测等[5]。NAGAYA等利用电机质量构造吸振器，分析非簧载质量的增大对汽车振动系统产生的不利影响。相关研究表明，由于轮毂电机具有特殊且独有的驱动结构，合理的布置行驶对于提高汽车的行驶安全性具有重要的作用，相对其在汽车行驶平顺性方面的影响更需要受到关注[6]。SCHALKWYK 等针对安装了轮毂电机的电动汽车，研究了轮毂电机的固有频率以及其随载荷的变化，其研究改善了车辆的垂向动力学性能。其研究团队认为：对于轮毂电机驱动式电动车的操纵稳定性以及在路面上行驶的平顺性，动力集中驱动的电动汽车在此方面的不足是要加以优化的[7]。

针对上述存在的问题，也只有很少的文献中提出过解决方法，但这些解决方法也只能从某一方面来解决轮胎接地性恶化和车辆在较差路面上行驶平顺性的问题，无法同时兼顾，也没有从频域角度给出理论依据[8-9]。综合上述研究背景，本文主要围绕基于电动汽车主动轮的电磁悬架控制开展研究，考虑轮胎动态性能与车身的完美构造类型[10]，重点对主动悬架中电磁作动器的结构进行设计，然后建立1/4 的主动悬架系统动力学模型，设计一种模型预测控制器，通过MATLAB仿真研究所设计控制器的控制效果，从而提高电动汽车的操纵稳定性和平顺性。

1 四轮独立驱动电动汽车电磁主动悬架设计控制方案

车辆的四轮独立驱动系统是一个完全高度集成的驱动系统，其主要结构组成包括驱动系统、制动系统及悬架系统，本系统的主要功能和优点在于能够实现电动汽车的高度可控性，但同时也存在一些不足，比如在控制过程中会导致有较多的部件集中在驱动轮中，从而增加车辆底盘的非簧载质量，因此给车辆动力学系统带来了新的难题，电动汽车如何合理地布置驱动轮中的电磁主动悬架，才能有效地降低对整个底盘动力学的影响。

法国研发的“主动轮”技术包括制动、转向和差动控制，以及将悬架集成到科尔布发电机中，以克服驱动汽车悬架、发动机系统复杂和离合器振动等缺点。基于这一思想，可以将电机的旋转运动转化为直线运动，并且本文采用了电磁直线电机，在完全独立电机的模式下设计了电磁悬架。在驱动轮的设计过程中，重点是提供纵向的驱动和垂向的减振运动，为了有效地集成各种系统，使结构足够紧凑。主动轮结构如图1所示，采用交叉幻灯片结构、连接轴和驱动机，以便在扭转过程中完成车轮和发动机之间的能量传输，使用悬浮弹簧将操作系统支架连接到电机定子部分，实现了车轮和电机的柔性连接，同时将电机的质量与车轮的质量分开，使车辆底部的弹簧质量集成在主动轮中，采用直线电机作为汽车悬架的作动器，将主动悬架和转向装置安装在主动轮的中心位置，其一端连接轴支架，另一端连接车身支架，与被动弹簧、线性减振器并联，采用主力微分法在套管内安装主动悬架。

图1 主动轮结构图

基于轮毂电机结构参数和电动汽车结构参数，结合上述设计的主动轮组成结构和工作原理，使用MATLAB 优化算法作为主动悬架系统的控制算法，分析路面激励模型和直线电机的电磁铁模型，使得主动悬架作动器的作动力可以满足﹣450～450 N 的悬架控制要求，考虑到主动轮的综合内部尺寸，并确定产生直线运动作动器的设计目标，如表1 所示。

表1 作动器设计目标

为了提升行驶过程中的安全性和平顺性，主动悬架技术得以迅速发展，并且逐渐应用在了一些品牌汽车的轿车中，但是随着油压技术和电动技术的广泛应用，各种控制技术和主动悬架技术也相继产生，因此这种系统特性受到了广泛关注。近年来，无论在理论方面还是试验方面，主动悬架技术的可行性都得到了验证，通过有关的理论研究成果进行了相关控制方案的设计，提高了汽车行驶时的机动性，同时还能够实现对路面振动能量的回收。由于电磁作动器的作动力输出存在一定范围，该控制方案在这方面有所欠缺，存在相应的不足，因此容易导致车辆悬架系统在运行过程中达不到最优控制效果。

本文针对作动器输出存在饱和非线性问题，研制出一种电磁作动器，对作动器控制电路模型进行简化和分析，可以得到作动器往返运动时控制电流的可实现范围。

为了提高主动悬架允许的行程范围，有效控制电磁作动器的电流，根据模型预测控制理论，设计1/4汽车主动悬架系统控制器。在MATLAB/Simulink 软件环境下，将其控制效果与传统的无控制源的被动悬架进行了模拟比较，结果表明，所设计的模型可以使控制器的悬架性能更好。

2 车辆动力学模型与控制器设计

2.1 1/4 车辆主动悬架数学建模

本文利用车辆垂向动力学相关理论，建立1/4 车辆主动悬架系统动力学模型，如图2 所示。

图2 1/4 车辆主动悬架模型

根据图2，结合牛顿力学定律，得到如下主动悬架动力学方程：

式（1）中：mb为车身簧上质量；ks、kt均为弹簧的弹性系数；Fc为阻尼力；Fi为电磁作动器作动力；mw为车轮簧下质量。

2.2 PID 模型预测控制器设计

随着世界科学技术和全国经济的不断发展，计算机仿真技术也已经被广泛应用于各行各业，并且能够为一些机械系统的建模提供一种方向，而使用这种技术不但节约成本，并且可以缩短研发周期。

目前，用于计算机辅助设计或仿真的软件有很多，其中，MATLAB 计算机辅助软件应用最为广泛，也深受欢迎。该软件提供了一种可视化的界面窗口，可视化的工作界面能够更好地辅助编程人员使用，该软件还可以实现数学建模、运算、数据处理、编写代码等常用功能，当下许多的控制算法都是在该辅助软件环境下建立的，不仅如此，这款计算机辅助软件还可以通过扩展接口实现与其他软件的联合仿真控制。

其实，控制系统的仿真都是建立在Simulink 模块以及MATLAB 基础上的，而该模块总是能够为用户提供更加简单方便的快捷界面，同时该组模块可以用于连续系统与离散系统的控制仿真，还可以用于动态系统与静态系统的建模，在使用MATLAB/Simulink 时，可以从软件系统的模块库中直接调用相关的模块，通过设置仿真步长，还能够实时查看模型的运行情况，同时，在仿真过程中，还能够中途中断程序的运行，修改相关的仿真参数，这样能够有效提高仿真的效率。

一般的，主动悬架系统控制与仿真的步骤如下：①确定主动悬架系统的控制变量；②设计主动悬架系统的控制方案；③建立1/4 车辆主动悬架系统动力学模型；④利用MATLAB 建立主动悬架系统仿真模型；⑤对主动悬架控制系统进行仿真，在仿真过程中，实时调整仿真参数，使得仿真结果有效且符合实际。

本文在仿真研究中，路面采用随机激励，所设计的主动悬架系统采用PID 控制，并于被动悬架系统进行仿真对比分析。通过利用MATLAB/Simulink 软件建立模糊PID 控制器子模块模型，如图3 所示。

图3 模糊PID 控制器子模块模型

本文研究采用PID 模型预测控制下的电磁主动悬架的控制效果，选取车身垂向加速度、车身垂向位移为评价指标，并通过与被动悬架系统的响应进行对比。通过仿真，得到如下的结果，其中，图4 和图5 分别为被动悬架和模糊PID 控制主动悬架的车身垂向加速度响应曲线、车身垂向位移响应曲线。

图4 车身垂向加速度响应曲线

图5 车身垂向位移响应曲线

由图4 可知，在随机激励路面输入下，与被动悬架对比，采用模糊PID 控制的主动悬架车身垂向加速度的振动幅值在﹣1～1 m/s2之间变化，而被动悬架在﹣2～2 m/s2之间变化，主动悬架车身垂向加速度的幅值变化范围明显小于被动悬架，由此表明，所设计的模糊PID 控制器可以有效控制车身的振动加速度，提高车辆的乘坐舒适性。

由图5 可知，在随机激励路面输入下，与被动悬架对比，采用模糊PID 控制的主动悬架车身垂向位移的振动幅值在﹣0.1～0.1 m 之间变化，而被动悬架在﹣0.2～0.2 m 之间变化，主动悬架车身垂向位移的幅值变化范围明显小于被动悬架，由此进一步表明，所设计的模糊PID 控制器不但可以有效控制车身的振动加速度，还能够改善车辆的车身振动位移，进一步提升了车辆的平顺性。

3 结论

本文以基于电动汽车主动轮的电磁主动悬架为研究对象，分析了主动轮系统与轮毂电机、主动悬架的关系及其应用前景，搭建了四轮独立驱动电动汽车电磁主动悬架控制方案，建立了1/4 车辆主动悬架系统动力学模型，设计了基于PID 的主动悬架模型预测控制器，采用MATLAB/Simulink 进行了仿真研究。研究结果表明，所设计的基于PID 的主动悬架模型预测控制器能够有效减小车辆车身的垂向加速度和垂向位移的幅值变化范围，有效提高了悬架的输出响应，改善了电动汽车的乘坐舒适性。