基于线性二次调节器控制方法的轮毂电机质量对主动悬架系统性能影响的评价

阿布杜萨拉姆·阿里·艾哈迈德·奥马尔¹和BaÅ ar Özkan²

土耳其伊斯坦布尔，奥坎大学自然科学研究所的学生
土耳其伊斯坦布尔欧坎大学机械工程系副教授

摘要

本文采用线性二次调节器(LQR)作为一种比较常用的控制方法，评价了轮毂电机质量对主动悬架系统性能的影响。非簧载质量是影响车辆路面平顺性和平顺性的重要参数之一，本文通过比较标准轮胎和轮毂电机轮胎系统的性能得到了非簧载质量的影响。并对四分之一的汽车模型进行建模和仿真，利用MATLAB软件构建了系统的Simulink模型。研究总结了增加轮毂电机增加轮胎重量对路面牵引力和车辆驾驶舒适性的不良影响，同时与不增加轮毂电机的悬架系统相比，增加轮毂电机的悬架系统需要更高的作动器力才能工作

关键字

悬挂系统，非簧载质量，轮毂电机，四分之一汽车模型，线性二次调节器，Simulink模型。

介绍

多年来，汽车动力学工程师一直在努力在车辆操控性、乘坐舒适性和稳定性之间达成妥协。这样做的结果在我们今天看到的汽车上很明显。一般来说，一个极端是大型轿车和豪华轿车，它们拥有出色的乘坐质量，但只有足够的操纵性能。与之相对的是跑车，它的操控性非常好，但行驶质量非常稳定。介于两者之间的是由汽车制造商和目标客户需求决定的任意数量的变化，[2]。

每一个汽车悬架都有两个目标:乘客的舒适性和车辆的控制。舒适是通过将车辆的乘客与路面颠簸或坑洼等道路干扰隔离开来来提供的。控制是通过防止车身过度滚动和俯仰，并保持轮胎与道路之间的良好接触来实现的。雷竞技网页版

总的来说，今天的汽车悬架使用液压减震器(又名“减震器”)和弹簧，它们负责吸收颠簸，最大限度地减少汽车在加速、制动和转向时的身体运动，并保持轮胎与路面接触。雷竞技网页版通常情况下，这些目标在某种程度上相互矛盾。豪华车擅长承受颠簸，提供舒适的驾驶体验，但操控性通常会受到影响，因为汽车在加速和刹车时容易倾斜和俯冲，以及在过弯时身体倾斜(或“摇摆”)，比如林肯城市车。

另一方面，刚性弹簧跑车表现出最小的身体运动，因为汽车驾驶激烈，因为转弯平坦，但乘坐质量普遍受到影响，马自达Miata认为。是的，目前有许多车辆在提供舒适的驾驶和操纵平衡方面做得很好，例如宝马5系，C6克尔维特，甚至凯迪拉克SRV SUV。但博斯博士的目标是提供一种悬挂设计，它能提供比顶级豪华车(如雷克萨斯LS430轿车)更平稳的行驶体验，同时比顶级跑车(如保时捷911)提供更强的车身控制。

不幸的是，这些目标相互冲突。在豪华轿车中，悬架的设计通常强调舒适性，但结果是车辆在行驶时、转弯和制动时都能滚动和倾斜。在强调控制的跑车中，悬架的设计是为了减少侧倾和俯仰，但舒适性却被削弱了。

典型的汽车悬架由两个部件组成:弹簧和阻尼器。弹簧的选择完全基于车辆的重量，而减振器则是定义悬架在妥协曲线上位置的组件。根据车辆的类型，选择阻尼器以使车辆在其应用中表现最佳。理想情况下，阻尼器应该将乘客与低频道路干扰隔离开来，并吸收高频道路干扰。当阻尼较大时，乘客最好与低频干扰隔离。然而，高阻尼会导致较差的高频吸收。相反，当阻尼较低时，阻尼器可以提供足够的高频吸收，但代价是低频隔离。为了减少这种妥协的影响，汽车悬架领域出现了一些新的进展。三种类型的悬架，将在这里审查被动，完全主动和半主动悬架，[3]。

材料与方法

本研究采用四分之一汽车模型，主要由簧载质量、非簧载质量、阻尼器、弹簧和执行器组成，分析轮毂电机质量对主动悬架系统的影响。为了达到本工作的目标，将非簧载质量分为两种状态，一种是标准轮胎，另一种是轮毂电机轮胎。

本研究的分析需要通过对主动悬架系统进行建模与仿真，利用Matlab软件建立系统的Simulink模型，并采用线性二次控制方法(LQR)来获得轮毂电机质量对主动悬架系统的影响。

轮内电机结构

轮毂电机(也叫轮毂电机、轮毂驱动、轮毂电机或轮毂电机)是一种装在轮毂上并直接驱动的电动机。

在这项工作中，只考虑电动机质量的影响。图(1)是轮毂电机系统的截面图，该系统的结构是将轮毂、减速器部分和电机部分排列在一个串联配置中。图(2)和(3)。展示米其林主动轮胎与轮毂电机和普利司通的动态阻尼轮毂电机驱动系统。

主动悬架系统数学模型

设计悬架系统是一个有趣且具有挑战性的控制问题。同时，悬架系统建模有两个目的:理解系统动力学和制定控制策略。模型是物理系统的简化表示，允许关注重要的系统动力学。

在设计悬架系统时，采用四分之一汽车模型(四个车轮中的一个)将问题简化为一维多弹簧-阻尼系统。该系统的示意图如下图(4)所示。该模型适用于主动悬架系统，其中包括一个执行器，能够产生控制力F来控制车身的运动。

系统参数

系统的Simulink模型

图(5)为利用上述两个方程建立的四分之一车型主动悬架系统的Simulink模型。

上图(6)中Simulink模型的结果是主动悬架系统对0.1 m阶跃扰动的开环响应。

从图中可以看出，通过对悬架控制力f的控制来提高悬架系统的响应是很有必要的，本文中用来创建控制器的控制方法是线性二次调节器(linear Quadratic Regulator, LQR)。

线性二次控制(lqr)

最优控制理论是研究以最小代价运行动态系统的问题。系统动力学由一组线性微分方程描述，代价由二次函数描述的情况被称为theLQ问题。该理论的主要结果之一是由线性二次调节器(LQR)提供的解。LQR是解决lqg问题的重要组成部分。就像LQR问题本身一样，LQG问题是控制理论中最基本的问题之一。

为了设计系统的全状态反馈控制器，首先需要确定状态空间方程，然后用Matlab程序求出控制器的值。

要找到控制器矩阵K，需要在m-file末尾添加以下命令并运行MATLAB程序。

通过运行上述程序，我们可以得到K矩阵(矩阵增益)的值，用它来改善图(5)中的系统响应。对于没有轮毂电机(标准轮胎)的主动悬架系统，K的两个值K1=[-0.0000 1.0274 -41.1156 -2.1412]，对于有轮毂电机的主动悬架系统，K的值K2= 1.0e+03*[-0.0000 0.0989 -4.1495 -0.2158]。

仿真结果

图(8)至(13)显示了0.1 m减速带(步进输入)下四分之一车型主动悬架系统的分析结果及轮内电机质量对系统性能的影响。

图(8)显示了轮毂电机质量对系统悬架挠度的影响。采用轮毂电机明显增大了悬架挠度，对系统性能造成了不良影响。

结论

研究表明，轮毂电机质量对主动悬架系统性能有显著影响，其中簧载质量速度和悬架挠度分别代表驾驶员舒适性和道路牵引力，影响较为明显。同时研究表明，与无轮毂电机的主动悬架系统相比，采用轮毂电机的主动悬架系统需要更高的作动力。最后，在汽车上使用轮毂电机有各种各样的负面影响，导致使用可靠性低。

参考文献

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