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原文传递磁阻电机式车辆横向稳定杆耦合特性及其控制研究

论文题名：	磁阻电机式车辆横向稳定杆耦合特性及其控制研究
关键词：	车辆主动横向稳定杆;机电复合传动系统;非线性特性;自适应控制;抗侧倾性能
摘要：	为提高车辆的抗侧倾性能，主动横向稳定杆技术已成为研究的热点。磁阻电机式主动横向稳定杆采用磁阻电机作为驱动装置，与无刷直流电机和液压泵驱动的主动横向稳定杆相比，具有结构简单、无退磁、响应快及良好的抗堵转能力的优点。然而，磁阻电机式主动横向稳定杆是由机械、电磁和电气控制参数多参量耦合的典型机电复合传动系统。针对系统存在多参量耦合特性，本文从机电耦合角度出发，开展机械-电磁耦合下系统的非线性振动和电气-电磁耦合下功率变换器的非线性特性及其控制研究。本文的主要研究内容如下：　　（1）设计了应用于车辆主动横向稳定杆的磁阻电机。通过建立车辆侧倾平衡方程，计算出适用于车辆的磁阻电机目标转矩。根据目标转矩，间接计算出磁阻电机的额定功率，并基于经验法设计了相应的磁阻电机。最后采用有限元和加载实验对电机进行性能验证，得出转速运行在1500r/min时，电机能获得3Nm的平均转矩，验证了所设计的磁阻电机满足车辆横向稳定杆系统抗侧倾力矩的需求。　　（2）磁阻电机非线性磁链曲线建模。磁场是机械系统与电磁系统耦合的桥梁，获得磁链模型是分析系统机电耦合特性的基础。为研究磁阻电机式主动横向稳定杆机电复合传动系统的机电耦合特性，设计了反馈层含logistics映射的CDRNN网络，基于该网络对磁阻电机非线性指数磁链模型的参数进行估计，获得了磁阻电机非线性磁链解析模型。将解析模型计算的磁链值与实验数据进行比较，得出磁链误差不超过0.015Wb，验证了提出的解析磁链模型的有效性。　　（3）机械-电磁耦合下系统非线性特性分析。基于拉格朗日-麦克斯韦方程建立了磁阻电机式主动横向稳定杆机电复合传动系统的机电耦合动力学模型，利用多尺度法对其进行求解，获得了系统在稳态运动时的主共振振幅方程以及系统稳定性的确定方程，并进一步采用数值和实验法分别对系统在负载激励下的非线性特性进行了研究，通过对系统的加速度及其单位频谱采集计算，得出系统在负载低频激励时不仅存在基频分量的振动，还存在非整数倍谐波振动分量，表明系统在低频负载激励下会产生相应的非线性振动。　　（4）电机功率变换器的电气-电磁耦合特性研究。在磁阻电机不对称半桥功率变换器的工作状态分析基础上，建立了其励磁、续流和退磁三状态的时域模型，并考虑控制系统参数的影响，基于电流的边界特性获得了功率变换器的分段离散模型。通过不动点稳定性理论对功率变换器的分段离散模型进行了周期1下的稳定性分析，得到了控制与电磁参数耦合下系统临界稳定的边界条件。采用数值和实验法对磁阻电机功率变换器存在电气-电磁参数耦合下的动力学特性进行了研究，得出当系统参数进入特定区域时电机电流功率谱出现连续性，表明系统存在复杂的非线性特性。　　（5）基于反演滑模的自适应控制系统设计及实现。考虑系统存在外部干扰的情况，设计了自适应反演滑模控制器以提高车辆抗侧倾性能，并基于CarSim和MATLAB/Simulink联合仿真平台对车辆在双移线工况下进行仿真验证。在考虑不平路面干扰下，相比于被动稳定杆和滑模控制法，提出的自适应反演滑模法能有效降低车辆的侧倾角。为进一步验证控制方法的有效性，设计了控制系统的软硬件，并搭建了可模拟不平路面激励的试验台架。通过实验得出在不平路面激励下，所设计的控制器使车辆的侧倾角得到了控制，验证了本文提出的自适应反演滑模控制方法的有效性。　　综上所述，本文建立了磁阻电机式主动横向稳定杆机电复合传动系统的机电耦合动力学模型，进行了相关参数激励下的非线性动态特性研究。开发了基于反演滑模的车辆侧倾自适应控制系统及模拟不平路面激励下的性能试验平台。论文的研究工作为提高车辆机电传动部件的可靠性和改善车辆抗侧倾性能提供了参考。
作者：	王立标
专业：	机械工程
导师：	孟婥
授予学位：	博士
授予学位单位：	东华大学
学位年度：	2021