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新型永磁同步电动机,可用于提高电动汽车的整体性能!

2020-11-21 07:10:56

在研究永磁同步轮毂电机耦合效应的基础上,研究人员提出了一种针对轮毂驱动电动汽车主动悬架的鲁棒控制方法,以提高轮毂驱动电动汽车的轮毂电机和整车的性能。基于解决永磁同步电机电磁激励与电动汽车暂态动力学耦合效应的电动汽车模型,分析了耦合效应对电机和车辆性能的影响。结果表明,轮毂内电机的耦合效应加剧了磁力振荡,加剧了转子的偏心,恶化了电机的运行性能,降低了平顺性。为了抑制电机磁振振荡,提高车辆的舒适性,研究人员从悬架性能的五个方面对主动悬架系统进行了介绍。同时,基于李雅普诺夫稳定性理论,一个可靠的鲁棒Hꝏ控制器考虑模型的不确定性,执行器故障和电磁力干扰设计。仿真结果反映出鲁棒Hꝏ反馈控制器不仅能实现更好的平顺性,但也抑制电机的耦合效应。
相关论文以题为“Robust Control for Active Suspension of Hub-Driven Electric Vehicles Subject to in-Wheel Motor Magnetic Force Oscillation”发表在《Applied Sciences》上。


研究背景
由于环境污染和能源危机的加剧,国家对汽车产品提出了节能、高效、环保的要求。与传统的柴油机车相比,电动汽车(ev)具有无CO2排放、节能等优点,近年来受到广泛关注。电动汽车的推进布局可分为分布式电机驱动布局和集中式驱动布局。与集中式驱动布局电动汽车相比,轮毂电机推进电动汽车作为分布式推进系统,具有各种附加结构和控制优点。由于在IWM中刹车和减速器集成在轮辋中,毂驱动电动汽车的机械传动系统更加简单和高效。此外,中心驱动电动汽车通过精确独立地控制各电机的转矩,对提高现有车辆稳定/运动控制系统的性能,如电子稳定控制系统(ESC)和牵引控制系统(TCS)发挥了重要作用。然而,随着中心驱动电动汽车的发展,也引入了一些新的技术问题。将驱动系统集成到轮辋中会导致非簧载质量的增加,从而降低道路处理能力和车辆的乘坐舒适性。此外,磁悬浮系统中路面的粗糙度激励和耦合效应导致磁隙变形。磁体间隙的变形导致磁力振荡,这是车辆动力学的一个重要振动源。
历史研究
此外,主动悬架系统中电气元件、传感器和执行机构的故障也比较常见,这将导致系统不稳定、性能下降等一系列问题,甚至会出现灾难性的交通事故。因此,考虑执行机构失效的主动悬架的设计具有重要的意义。Choi等人针对执行器饱和的半主动悬架系统提出了一种鲁棒控制器。研究了磁流变阻尼器无执行机构故障和有基础油泄漏两种情况下的车辆减振问题。Liu等人采用自适应反馈步进技术,提出了一种新的自适应容错控制方案,保证了所考虑系统的概率有界性。Alain等人提出了一种应用于主动悬架系统的诊断和容错控制方法。该方法通过识别执行器故障并对控制器进行重新配置,可以提高车辆在道路干扰下的性能。研究人员针对执行器故障的主动悬架系统提出了容错控制。结果表明,在不考虑执行器失效的情况下,主动悬架系统的控制效果会下降。同样,如果忽略模型参数的不确定性,控制效果也会不理想。通过仿真比较,验证了所设计控制器在考虑模型不确定性时的有效性。此外,一些其他的控制方法提出了抑制系统的干扰和获得更好的性能,如u-synthesis,神经网络方法,混合Hꝏ/ H2,滑模控制,自适应控制,非线性控制。然而,大多数的控制策略都是针对传统汽车提出的,很少有针对pmsm驱动的电动汽车的。从已有的研究来看,基于永磁同步电机的IWM中主动悬架系统的执行器容错、模型参数不确定性、耦合效应等问题在以往的研究中并没有得到很好的研究成果。
轮毂驱动的电动汽车建模
为了得到更精确的计算结果,本文建立了考虑耦合效应的电动汽车模型。由UEF模型、永磁无刷直流(PMBDC)电机模型、驱动模型和垂直振动模型四个子模型组成。它们之间的信息交换如图1所示,并在下面的子模型中详细描述。
图1.轮毂驱动电动汽车模型。
该电动汽车模型由两个控制器组成:一个是PMBDC电机比例积分微分(PID)控制器,另一个是垂直振动模型中的主动悬架控制器。主动悬架控制器的设计是为了提高电机和车辆的性能。利用PID控制器根据当前车速与参考值之间的误差来计算脉宽调制(PWM)占空比。然后,基于PWM占空比调整IWM的驱动转矩。
不平衡电磁力模型
由UEF模型计算的车辆和UEF的动态振动会引起磁隙变形,导致磁力振荡,如图2a所示,其中Os和Or分别为定子和转子的几何中心。在本文中,研究人员主要研究转子在垂直方向上的偏心。
图2.(a)轮胎式电机(IWM)的磁隙变形(气隙增大)和(b)永磁无刷直接接触(PMBDC)电机绕组分布情况。
垂直振动模型
图3a显示了IWM驱动系统的主要结构。根据结构,采用四分之一车辆模型分析IWM中磁力振荡的影响,如图3b所示。
在模型中,轮毂和电机轴承连接定子和转子。将其简化并等效为垂直方向上的等效弹簧km,如图3b所示。Fr和F a分别表示UEF和执行力。
图3.iwm驱动系统,无减速机。(a)主要结构。(b)四分之一车型。
如图4a所示,主动悬架系统由电磁执行机构和机械弹簧组成。故障安全被动阻尼是提供的手段涡流电流。直线电机作动器为峰值力为2000 n的管状槽三相永磁作动器,作动器如图6b所示,轴向推力如图4c所示。
图4.(a)电磁悬挂系统;(b)直线电机执行机构结构;(c)按轴向的推力。
结论
基于电磁场理论,研究人员建立了考虑耦合效应的轮毂驱动电动汽车的数学模型,分析了耦合效应对车辆性能的影响。然后,设计了一种考虑模型不确定性,执行器故障和电磁力干扰的可靠鲁棒Hꝏ控制器。结果如下:
(1)电机中的垂直UEF与转子旋转位置,相电流和转子偏心率紧密相关。耦合效应促进了高相电流和大转子偏心率,引起了电动机的UEF。相互促进现象(即转子偏心引起UEF;同步,UEF加剧转子偏心)加剧了电磁耦合效应,从而使电动机的运行性能变差。此外,这种现象加剧了车身加速度,从而降低了车辆的乘坐舒适性;
(2)基于李雅普诺夫稳定性理论,他们研究了一种可靠的鲁棒Hꝏ控制器,用于主动悬挂的轮毂驱动电动汽车,与模型不确定性,致动器故障和电磁力干扰相关。控制目标是增强行驶舒适性并限制IWM中的耦合效果,同时满足硬约束,例如道路保持能力,悬架挠度限制,执行器故障和参数变化。在频域和时域的仿真结果表明了可靠的鲁棒Hꝏ控制器方法的鲁棒性和优越的性能。该研究可为研究带有PMSM的轮毂驱动电动汽车的振动性能以及振动性能的优化,控制和改进提供实用的模型参考。在将来,科学家将会研究轴承非线性力和轴承游隙对乘坐舒适性和电动机运行性能的影响。
论文链接:https://www.mdpi.com/2076-3417/10/11/3929/htm

转载:贤集网-电工小二

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