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原文传递轮毂直驱与空气悬架系统特性及控制研究

论文题名：	轮毂直驱与空气悬架系统特性及控制研究
关键词：	电动汽车;轮毂电机;空气悬架;自适应最优控制
摘要：	随着能源短缺和环境污染问题的日益严重，电动汽车的研究引起了社会的广泛关注，采用轮毂电机直接驱动（轮毂直驱）系统的电动汽车，具有控制灵活、传动效率高、结构紧凑等优点，被认为是未来电动汽车的理想构型。轮毂直驱与悬架系统是由车轮、轮毂电机和悬架系统组成的复杂机电耦合系统。然而，将轮毂电机集成至车轮会增加非簧载质量，同时车辆在不平整路面产生的轮毂电机偏心会诱发轮毂电机不平衡电磁力，传递到车轮和车身，导致汽车平顺性和操纵稳定性的恶化。为此，本文以轮毂直驱与空气悬架（HubDirectDrive-AirSuspension，简称HDD-AS）系统为研究对象，通过建立HDD-AS系统垂纵向耦合模型，分析系统在垂向和纵向上受半主动空气悬架系统敏感参数、路面与不平衡电磁力激励的影响规律，基于可调阻尼减振器设计了自适应最优控制策略，解决由轮毂电机的引入导致的HDD-AS系统负面的垂纵向振动负效应问题，主要研究内容如下：　　首先，参考轮毂直驱与悬架系统和空气悬架相关的研究成果，基于电力学、电磁学、流体力学和车辆动力学，建立了PMBLDC轮毂电机模型、轮毂电机不平衡电磁力模型、线性的空气弹簧模型、可调阻尼减振器模型、凸包路面和随机路面激励模型；依据HDD-AS系统的垂纵向耦合关系的模型架构，完成HDD-AS系统模型的构建；搭建轮毂直驱与悬架系统试验台架，通过对比轮毂电机单相电流以及轮毂电机定子垂向加速度试验与仿真结果，验证了所构建HDD-AS系统模型的准确性。　　其次，根据HDD-AS系统的垂纵向耦合特性，提出了能够体现轮毂直驱电动汽车行驶平顺性和动力性的评价指标；比较了HDD-AS系统模型与传统三质量系统和双质量系统模型在垂向振动特性的区别；基于HDD-AS垂纵向耦合模型，分析了不同轮毂电机转速下空气弹簧刚度和可调阻尼减振器阻尼系数、路面激励和轮毂电机不平衡电磁力对HDD-AS系统模型垂纵向特性的影响。　　最后，基于最优控制理论和遗传算法，围绕HDD-AS系统垂向振动模型，设计了LQR控制器，通过遗传算法对LQR控制器最优控制权重矩阵进行优化；基于多个典型随机路面工况下最优控制权重矩阵分布范围，确定自适应最优控制器控制权重系数初筛范围，结合遗传算法，设计了在线调节的HDD-AS系统自适应最优控制器，并与LQR控制器控制效果进行了对比分析。　　研究表明，可调阻尼减振器阻尼系数变化与路面激励对HDD-AS系统垂纵向评价指标的影响远大于空气弹簧刚度变化和不平衡电磁力激励输入。同时，在可接受的控制器切换时间内，基于HDD-AS系统设计的自适应最优控制器能有效降低HDD-AS系统在不同随机路面输入下的悬架动行程、轮毂电机偏心距、轮胎动载荷和负载转矩波动，提高车辆的行驶平顺性和轮毂电机的使用寿命。
作者：	宋鑫炎
专业：	车辆工程
导师：	李仲兴
授予学位：	硕士
授予学位单位：	江苏大学
学位年度：	2021