基于Adams和Matlab的轮毂电机建模与联合仿真

2021-05-14张瑞军

现代盐化工 2021年2期

张瑞军

（九江职业技术学院，江西九江 332007）

近年来，随着汽车保有量的迅速增加以及化石燃料的燃烧对环境造成的污染加重，国内外的专家学者逐渐把眼光聚焦在电动轮电动汽车上。采用电动轮驱动的电动汽车，不但减少了化石燃料的燃烧，优化了机械传动机构，提高了传动效率，还简化了底盘结构，拓宽了乘客的使用空间，提高了汽车的舒适性，同时，还可以对每个车轮的驱动电机实现单独控制，方便转换驱动形式，充分利用驱动电机的性能来延长使用寿命。

采用电动轮驱动的电动汽车，轮毂电机的性能将直接影响电动轮电动汽车的性能。本研究以某型号电动轮轮毂电机为例，运用多体运动学分析软件Adams，建立了轮毂电机的虚拟样机模型，并且根据直流电机的数学模型，在Matlab/Simulink仿真平台上搭建了联合仿真模型，对电机的性能进行了仿真研究。

1 轮毂电机模型

根据基尔霍夫电压定律：

式中，vi是输入电压；vL和vR分别是电感和电阻两端的电压；vb是反向电压，与电机转速成正比，即：

式中，θ为电机轴的角位移，i为电流，J为转动惯量，c为常数。现在，根据电枢电流和电机转速，写出电压降的表达式：

整理公式得出：

2 轮毂电机结构虚拟样机仿真

2.1 轮毂电机结构虚拟样机建模

本研究以某型号电动轮轮毂电机为例[1]，轮毂电机端盖的结构尺寸如表1所示。按照表1中的尺寸，在Adams/view中建立轮毂电机模型，并给建立的模型指定材料属性，添加相应的驱动力、载荷以及约束。在Adams中建立的轮毂电机三维模型如图1所示，该轮毂电机为外转子直流电机。为了使制动盘、轮毂电机有效集成在轮毂内，轮毂电机的两端端盖都设计了螺栓，左端端盖的螺栓用来连接制动盘，右端端盖的螺栓用来连接轮毂，将制动盘、轮毂电机、轮毂有效集成在一起，充分利用了轮毂的空间。

表1 轮毂电机端盖的结构尺寸

2.2 轮毂电机结构控制系统建模

Adams/view模块支持Easy5、Matlab等控制分析软件进行联合分析，在Matlab/Simulink仿真平台建立了轮毂电机控制仿真模型[2]。在进行Adams和Matlab联合仿真之前，先绘制了基于轮毂电机控制系统的样机模型控制图，如图2所示。从图2可以看出，轮毂电机输入一个控制力矩，轮毂电机则向控制系统输出转速和角位移。

图1 轮毂电机三维模型

图2 轮毂电机控制系统的样机模型控制

3 虚拟样机联合仿真分析

在进行Adams与Matlab联合仿真之前，笔者对两款软件的数据接口进行了相关设置。

（1）Adams轮毂电机状态变量确定。此模型建立轮毂电机控制力矩输入变量、电机转速和角位移输出变量，分别对轮毂电机控制力矩输入motor_torque、电机绕Z轴的角速度（motor_omega）WZ以及电机绕Z轴的角位移（motor_theta）AZ进行关联。

（2）Adams模型输出。确定输入变量（Input Signal）为控制力矩、控制输出变量（Output Signal）为电机转速和角位移输出变量。

（3）Matlab仿真环境建模处理。在Matlab中，利用Adams_sys处理命令，通过系统模块的方式，引入Adams导出的轮毂电机虚拟样机模型，然后在Simulink环境中，根据轮毂电机的数学模型建立轮毂电机联合仿真模型，设置相关参数，运行仿真，可以得出电机的输出转速和角位移（见图3～4）。可以看出，电机的转速从0开始逐渐加快，直至稳定在260 rad/min；电机的角位移随着时间的延长一直增加，从电机的输出转速和输出角位移可知，所设计的轮毂电机性能良好，可以满足使用要求，研究结果可为轮毂电机设计提供可靠的参考依据。