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原文传递车载控制力矩陀螺系统动态特性研究

论文题名：	车载控制力矩陀螺系统动态特性研究
关键词：	两轮自平衡汽车;控制力矩陀螺;无刷直流电机;动态特性;坐标变换
摘要：	汽车工业的迅速发展引发了城市道路拥挤、道路利用率低、资源浪费严重、停车难等一些列问题，使得城市道路压力大与出行不便。因此，未来城市车辆将会向着小型化、轻量化，智能化与多功能化方向发展。目前，搭载控制力矩陀螺的两轮自平衡汽车受到越来越多的关注，其控制力矩陀螺作为车身姿态调整的核心部件，是一个复杂的机电耦合系统。在运行过程中，将会受到结构自激振动与电驱激励下的干扰振动，从而引起系统输出不稳定、噪声大、最高转速受到限制等一系列问题，同时降低了使用安全性、工作效率及工作寿命。因此，开展两轮车载控制力矩陀螺转子-轴承-框架耦合系统在不同转子电驱工况下的动态特性响应研究，对实现两轮车载控制力矩陀螺的小型化、轻量化、高速化具有实用价值与工程意义。本文主要研究内容如下：　　1) 控制力矩陀螺相关理论介绍及建模。根据本款两轮车载控制力矩陀螺转子驱动电机的选型，介绍无刷直流电机的工作原理且建立对应数学模型；分析在控制力矩陀螺系统中存在的坐标变换，及陀螺力矩的输出原理；阐述耦合模型有限元分析的理论基础。　　2) 转子无刷直流驱动电机建模与分析。建立了无刷直流电机Simulink仿真模型，在不同稳态工况下研究了控制力矩陀螺转子惯量对电机相电流、输出转矩、输出转速的影响，提取了无刷直流电机在考虑转子惯量影响下的稳态转速数据（2000~5000r/min）。结果表明：稳态工况下，电机相电流与转矩波动受转子惯量影响较小，电机输出转速受转子惯量影响较大。　　3) 控制力矩陀螺-子系统动态响应分析。建立了控制力矩陀螺-子系统（转子、转子-轴承）Hypermesh-Ansys联合仿真分析模型，考虑陀螺效应下用坎贝尔图法分析了子系统的固有频率与临界转速。在转子不同稳态电驱工况下，研究了子系统转子的位移、加速度、轴心轨迹。结果表明：在考虑轴承刚度时转子模态频率及临界转速下降，子系统在平面XZ内的振动主要受转频影响为主，受电驱系统激励影响较小，在Y方向的窜动与结构固有频率相关性较大。随着电驱转速工况的升高转子轴心轨迹规律性变差且轨迹包络半径增大。　　4) 控制力矩陀螺转子-轴承-框架耦合系统动态响应分析。建立了控制力矩陀螺转子-轴承-框架耦合Hypermesh-Ansys联合仿真分析模型，考虑陀螺效应下用坎贝尔图法分析了转子-轴承-框架的固有频率与临界转速。在转子不同稳态电驱转速激励下，研究了转子-轴承-框架耦合系统中框架与转子体的位移振动和加速度振动、上下框架和转子体中心的运动轨迹、转子轴承受力特性、耦合系统应力分布。结果表明：框架柔性对耦合系统一阶临界转速影响较大。且耦合系统的主要振动部件是框架，其振动幅值随转子电驱工况升高呈现线性增大趋势。转子主动轴承的受力受转子电驱工况影响较大。耦合系统最大应力出现在转子动力输入端的轴肩处。
作者：	王林
专业：	车辆工程
导师：	石晓辉;葛帅帅
授予学位：	硕士
授予学位单位：	重庆理工大学
学位年度：	2023