转向悬架一体化作动器控制关键技术研究

In-wheel driven technology is one of the promising developing directions for electric vehicles. In order to alleviate the impact of the excessive unsprung mass on the vehicle performance and solve the conflict between small chassis space and multiple-function requirements, a dual-degree-of-freedom rotary-linear permanent-magnet fault-tolerant motor will be proposed for the integrated steering suspension actuator based on the magnetic gear effect in this project. Firstly, the parameter optimization method will be investigated. The main influence factors of the coupling between the rotary and linear motions will also be analyzed, and then the accurate mathematical model will be established. Secondly, the impact of external random disturbance on the motor performance under complicated operation conditions will be analyzed, and then a servo control strategy for steering position will be proposed according to the torque characteristics. Thirdly, on the basis of model predictive torque control theory, a high-dynamic and anti-disturbance control strategy for torque and thrust force will be proposed, and then the strategy will be further studied in the fault-tolerant condition. Fourthly, the coupling between the rotary and linear motions will be solved and the high performance dual-degree-of-freedom actuation will be realized in both rotary and linear directions. Finally, the test platforms will be developed, and the experimental verification will be carried out. Meanwhile, the general control method suitable for the integrated steering suspension actuator will be summarized. The results will provide a new solution for the integrated steering suspension actuator system, and offer the theory and experiment basis for the application in steering and suspension area.

轮毂驱动是电动车辆的发展方向之一，为减小非簧载质量过大对车辆性能影响并缓解底盘狭小空间和多功能需求的矛盾，本项目基于磁齿轮原理提出双自由度旋转直线永磁容错电机，作为转向悬架一体化集成系统的作动器。探索该类电机的参数优化设计方法；剖析旋转和直线运动耦合的主要影响因素，构建该类电机的精确数学模型；分析复杂工况下外部随机扰动对电机性能的影响，结合转矩特性，提出转向位置伺服控制策略；基于模型预测转矩控制理论，提出转矩和推力的高动态和强抗扰控制策略，并将其延伸至电机故障状态，以提高其容错状态下的动态性能和抗扰动性能；重点解决电机旋转和直线运动的耦合问题，实现该类电机在旋转和直线方向的双自由度高性能运行。搭建实验平台，完成实验研究。总结此类转向悬架一体化作动系统运行的一般规律和控制方法。本项目的成功研究将为转向和悬架系统的一体化集成设计提供新方案，为其在转向悬架领域的应用奠定理论和实验基础。

轮毂驱动是电动车辆的发展方向之一，为减小非簧载质量过大对车辆性能影响并缓解底盘狭小空间和多功能需求的矛盾，本项目提出双自由度旋转直线永磁容错电机，作为转向悬架一体化集成系统的作动器。从电机本体和控制两方面使其满足转向悬架系统对驱动电机高可靠性、高动态、强抗扰等方面的要求。将圆筒直线永磁容错电机嵌入磁场调制交替极永磁电机中，提出一种新型的单定子交替极直线旋转永磁容错电机。在此基础上，为提高电机推力和转矩密度，消除直线运动和旋转运动的耦合，设计加工了一台双定子直线旋转永磁容错电机。在控制方面，为实现位置伺服跟踪的快速、精准、无超调和强抗扰，在滑模等效控制中引入滑模状态观测器，用于不确定性扰动的前馈补偿，确保电机位置伺服系统对不确定性扰动具有强鲁棒性；另外，在滑模切换控制中引入自适应律，动态调整切换控制增益。为实现转矩和推力的高动态过程的强抗扰性能，在基于定子磁链定向坐标系上建立电压分量与定子磁链和转矩的关系，以实现定子磁链和转矩的解耦控制。将电流谐波抑制技术和载波脉宽调制技术相结合，以抑制三次谐波电流，进而降低定子磁链和转矩的脉动。在此基础上，根据电机故障模型的特点，结合容错变换矩阵，提出了虚拟定子磁链以消除故障模型的不对称性，实现开路故障情况下的高性能直接转矩控制。基于三次谐波电流闭环控制思想设计满足磁链和转矩控制要求的最优电压矢量容错开关表，有效抑制了反电势含三次谐波的永磁电机的三次谐波电流；并采用扰动观测器观测外部扰动、相短路电流等导致的转矩脉动，以增强电机开路和短路故障状态下的动态性能和抗扰性能。另外，提出基于定子磁链定向的直接转矩和磁链控制策略实现电机正常和故障状态下的解耦控制。