轮毂电机驱动电动汽车主动悬架最优控制研究

范珍珍

摘 要：为解决轮毂电机驱动电动汽车因非簧载质量的增加而导致行驶平顺性降低的问题，在轮辋内安装电磁式主动悬架。建立1/4车辆悬架模型，采用二次型最优控制策略，获得电磁作动器最优控制力。利用MATLAB软件搭建悬架仿真模型，结果表明对轮毂电机驱动电动汽车主动悬架采用最优控制策略能较好地改善汽车的平顺性。

关键词：轮毂电机;电动汽车;主动悬架;电磁作动器;最优控制

中图分类号：U463.33  文献标识码：A  文章编号：1671-7988（2020）17-29-04

Research on Optimal Control of Active Suspension for Electric Vehicle

Driven by Hub Motor*

Fan Zhenzhen

（ Jiangxi Institute of Science and Technology， Jiangxi Nanchang 330098 ）

Abstract： In order to improve the problem of ride comfort of electric vehicles driven by hub motor due to the increase of unsprung mass， electromagnetic active suspension is installed in the rim. The Model of 1/4 vehicle suspension is established， and the quadratic optimal control strategy is adopted to obtain the optimal control force of electromagnetic actuator. The suspension model is simulated using MATLAB software. The simulation results show that the optimal control of the active suspension can improve the vehicle ride comfort.

Keywords： Hub motors; Electric vehicles; Active suspension; Electromagnetic actuator; Optimal control

CLC NO.： U463.33  Document Code： A  Article ID： 1671-7988（2020）17-29-04

引言

随着世界各国对能源和环保问题的重视，以电动车为代表的新能源汽车成为发展趋势。其中，轮毂电机驱动电动汽车因传动系统结构简化、整车质量降低且分布均衡、传动效率高等优点，成为电动汽车的发展方向。虽然轮毂电机驱动形式具有众多优点，但由于轮毂电机的引入，增加了汽车的非簧载质量，引起汽车垂向振动幅度增大，并影响轮胎的接地性能，降低了汽车行驶平顺性和操纵稳定性。为解决以上问题，轮毂电机驱动电动汽车的主动悬架研究成为热点，其中具有响应迅速、控制精度高、能量消耗低等优点的电磁悬架逐渐受到重视[1]。

近年来，针对轮毂电机驱动电动汽车以上问题，国内外学者开展了一系列的研究，主要集中在悬架阻尼调节及主动悬架控制算法等方面。赵艳娥等[2]提出了一种轮毂电机结构改进方案，通过在车轮内增加动力减振机构，优化弹簧刚度和阻尼参数，减小了行驶过程中的垂向振动。梁锐[3]等提出在车轮转向节上加装动力吸振器，以车轮相对动载荷最小为优化目标，实现了对轮毂电机驱动电动车垂向振动负效应的抑制。马英[4][5]等提出了一种利用直线电机取代轮内由弹簧和阻尼器组成的被动减振器的新型电动轮结构，实现了电动轮轮内主动减振功能。来飞[6]设计了一款车辆主动悬架用圆筒型电磁直线作动器，进行了外环最优控制和内环矢量控制的研究，仿真及试验测试结果表明所采用的控制方式能有效降低车身垂向振动加速度、悬架动挠度以及车轮动载荷。孙伟[7]开展了基于主动轮的电动汽车整车动力学分析及集成控制研究，采用直线电机作为电磁主动悬架的作动器，使用LQR前馈控制加自适应补偿反馈控制的联合控制策略，结果表明能有效提高悬架的主要控制目标。裴金顺[8]等提出一种采用电磁直线电机的新型主动悬架，基于LQR控制策略设计了包含能量管理单元的能量回收控制器，研究结果表明能改善汽车的操稳性和平顺性，且能有效回收汽车悬架的振动能量。

基于以上研究背景，本文采用一种基于电磁作动器的轮毂电机驱动电动汽车主动悬架构型，对该主动悬架实施二次型最优控制策略，分析轮毂电机驱动电动汽车主动悬架的减振性能。

1 轮毂电机驱动电动汽车悬架模型

本文选择两种主动悬架构型进行研究，一种是将电磁作动器置于车身悬架中（简称为主动悬架1），一种是将电磁作动器置于车轮悬架中（简称为主动悬架2），通过比较及分析，确定性能更優的悬架构型。以上两种主动悬架构型的动力学模型分别简化为下图1、2所示。

其中：mb为簧载质量、mt为簧下质量、mm为轮毂电机质量。xb为车身垂向位移、xt为车轮垂向位移、xm为轮毂电机垂向位移。kb及cb为悬架系统刚度及阻尼， km及cm为轮毂电机支撑刚度及阻尼，kt及ct为轮胎垂向刚度及阻尼。x0为路面激励，u悬架作动器输出力。

两种悬架的动力学模型建立思路是一致的，都是基于牛顿第二定律推导的，以下仅给出主动悬架2的1/4车辆垂向动力学方程：

（1）

选取状态变量 ， 和输入向量 及输出向量 ，可建立轮胎、车身和电机位移的状态方程：