（车辆工程专业论文）电动车动力传动系统扭转振动研究.pdf

摘要 摘要 近年来，人们大力发展具有节能和环保优点的燃料电池轿车，伴随出现了 一些不同于传统内燃机汽车的新问题，传动系扭转振动便是其中之一。由于电 机代替了发动机，而电机的转矩波动特性与发动机不同，所以燃料电池轿车传 动系扭转振动具有自身特点，不能照搬传统汽车理论；另外在起步和制动工况 下，车身出现纵向抖动，降低了乘坐舒适性。因此对电机转矩激励特性的研究 以及瞬态工况下电机转矩对整车纵向振动的影响显得尤为重要。 本文通过建立永磁同步电机仿真模型( 包括电机本体、电压空间矢量调制、 矢量控制) 分析了电机转矩频率特性。然后建立了某燃料电池轿车的传动系统 模型( 包括电机、变速箱、半轴和轮胎) ，计算了传动系统的固有频率和振型以 及在起步和制动等紧急工况下的车身加速度动态响应。最后在整车道路试验中， 测量电机定子振动加速度间接验证电机转矩的频率特性，同时还测量了车身纵 向加速度的波动对仿真结果进行验证。 仿真和试验的结果表明，永磁同步电机的磁场非正弦分布以及电流传感器 误差分别引起了1 倍、2 倍、6 倍电流频率转矩波动，并且其频率随转速呈线性 变化关系，其中又以6 倍电流频率成分的幅值最大；试验结果还显示，转矩波 动出现了3 、4 倍电流频率成分。当这些频率成分与传动系、动力总成悬置系统 固有频率重合时会引起共振，因此需要引起重视。在起步和制动等紧急工况下， 电机的快速响应引起了传动系统的扭转振动，从而导致车身纵向振动，其频率 接近传动系一阶固有频率。 通过本项研究，得到了永磁同步电机的转矩激励特性，在设计动力传动系 和动力总成悬置系统时，应该根据该特性合理分配固有频率，减轻共振引起的 后果。因此，本项研究为燃料电池轿车动力传动系和动力总成悬置设计提供了 依据，对燃料电池轿车振动和噪声问题具有一定意义。 关键词：燃料电池轿车，动力传动系，电机转矩波动，扭转振动，纵向振动 a b s t r a c t f u e l c e l le l e c t r i cv e h i c l e ( f c v ) h a sb e e nw i d e l y d e v e l o p e dd u et oe n v i r o l l r n a l t p r o t e c t i o na n de n e r g yc o n s e r v a t i o n ，a n da c c o r d i n g l ys o m en e w p r o b l e m s0 c c 瓯s u c h 鹊p o w t o r s i o n a lv i b r a t i o n i nf c vm o t o r r e p l a c e se n g i n ea n dt h em o t o rt o r q u e n p p i ec h a r a c t e r i s t i ci sq u i t ed i f f e r e n tf r o mt h a to fe n g i n e ，s of c v p o w e r t r a i n 觚i n a l b m o n h a si t so w nc h a r a c t e r i s t i c o nt h eo t h e rh a n d ，t h ev e h i c l eb o d yo s c i l l a t e s l o n g i t u d i n a l l yd u r i n gs t a r t u pa n db r a k e ，w h i c hd e g r a d e sr i d i n gc o m f o r t s oi t i s i m p o r t a n tt oa p p r e c i a t et o s i o n a lv i b r a t i o no ff c v i nt h i sp a p e r , p e r m a n e n tm a g n e ts y n c h r o n o u sm o t o r ( p m s m ) m o d e l i n c l u d i n g m o t o r s v p w m ，f o c ，w a se s t a b l i s h e dt oa n a l y s i st o r q u e r i p p l ec h a r a c t e r i s t i c u 醢 s i m u l a t i o n t h ep o w e r t r a i ns y s t e mo faf u e l c e l lv e h i c l eh a sa l s ob e e nm o d e l e d , m c l u d i n gm o t o r , t r a n s m i s s i o n ，a x e l sa n dt i r e s t h er e s o n a n c ef r e q u e n c y a n dm o d e so f t 1 1 ep o w 溉h a v e b e e nc a l c u l a t e d ，a sw e l la st h es t e pr e s p o n s ed u r i n gt h es 谢帅 a n db r a k e t h et o r q u er i p p l ec h a r a c t e r i s t i ca n dt h eb o d y 1 0 n 酉t u d i n a lo s c i l l a t i o nw e r e v e r i f i e dt h r o u g ht h em e a s u r e m e n to nv i b r a t i o no fs t a t o ra n d v e h i c l eb o d y l h es l m u l a t i o na n dt e s t r e s u l t ss h o wt h a tt h e n o n s i n u s o i dd i s t r i b u t i o no f p e r m a n e n tm a g n e tf i e l da n dt h ec i r c u i ts e n s o re r r o rc a u s e t h eo n et i m e ，觚ot i m e s 锄d s 1 xt i m e sc i r c u i tf r e q u e n c yt o r q u er i p p l er e s p e c t i v e l y , a m o n gw h i c ht h es i xt i m e s t o r q u er i p p l ei st h eb i g g e s ti na m p l i t u d e t h et e s tr e s u l ta l s os h o w s t 1 1 r e e ，f o u rt i m e s t o r q u er i p p l e i ft h o s ef r e q u e n c i e sc o i n c i d ew i t ht h er e s o n a n t f r e q u e n c vo ft h e p o w 晡a l n t h e s es y s t e m sw i l lr e s o n a n c ea n dc a u s e d e s t r u c t i o n t h eq u i c k r e s p o i l s eo f m em o t o ra r o u s e st o r s i o n a lv i b r a t i o na n d b o d yl o n g i t u d eo s c i l l a t i o n , w h o s e 蛔u e i l c y i sc l o s et ot h e1s tr e s o n a n c ef r e q u e n c y o fp o w e r t r a i n t h r o u g ht h i ss t u d y , w e v eg o tt o r q u et i p p l ec h a r a c t e r i s t i co fp m s m ，w l l i c hw e s h o u l dt a k ei n t oc o n s i d e r a t i o nw h e n d e s i g n i n gt h ep o w e 删n 锄dm o t o rm o u n t s ) , s t e m s t h e r e f o r et h i ss t u d yh a sp r o v i d e db a s e sf o rp o w e r t r a i na n dm o t o rm o u | 1 t d e s i g no ff c va n di sv e r yi m p o r t a n tt of c v v i b r a t i o na n dn o i s er e s e 砌 k e yw o r d s ：f u e l 。c e l le l e c t r i cv e h i c l e ，t o r q u et i p p l e ，p o w e r t r a i n ，t o r s i o n a lv i b r a t i o l l s u r g e 符号说明 z j r 刀 包 p o 符号说明 定子以g 轴电压；( v ) 定子以g 轴电流；( a ) 定子以g 轴电感；( h ) 定子电阻；( q ) 定子彳、b 、c 相电压；( v ) 定子彳、曰、c 相电流；( a ) 定子d 轴、g 轴与永磁体互感；( h ) 定子d 、g 轴磁链；( 啪) 永磁体磁链：( 帅) 永磁体等效励磁电流：( a ) 电机转矩：( n m ) 转子转动惯量； 负载转矩； 。 电动机转子直轴与a 相定子绕组轴线的夹角( 电角度) ，且q = ； 极对数。 c ”屯 ，0 乞 o屹小厶足蚧小 矿 m m吩o 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 签名：粗 俨8 年3 月c 罗日 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名：瓤 y 口孑年月1 歹e l 第1 绪论 第1 章绪论 1 课题的研究背景及意义 进入2 1 世纪以柬，随着人们逐渐清醒认识到现有能源的稀缺性和高污染的 问题，清洁能源汽车受到越来越多的关注，不同种类的新能源汽车应运而生。 同济大学汽车学院和上海燃料电池汽车动力系统有限公司陆续开发了多款燃料 电池轿车。 某燃科电池轿车聚用电机前置前轮驱动的动力传动方式。动力传动系统的 集中驱动电动机与减速器差速器总成集成在一起，然后通过左右半轴驱动车轮， 进而驱动车辆。当驾驶员踩下加速踏板时，系统将加速踏板信号转换为电机转 矩指令信号，电机控制器根据指令信号控制电机产生输| = ；转矩，驱动汽车前进。 图1 i 电动车动力传动系 表l1 动力传动系统基本特性参数 总成部件特性参数 驱动电机永磁同步电机 峰值功率；9 0k w ：持续功率：4 2k w 最高转速：1 1 5 0 0r m i n ；额定转速： 4 0 0 0r r a i n 最大转矩：2 1 0n 1 1 1 ：额定转矩：l o o n m 扭矩响应时间：1 0 m s 减速器差速器减速比：1 0 半轴半浮式半轴 车轮轮胎了午线轮胎1 9 5 6 0 r 1 4 第1 章绪论 燃料电池轿车与传统内燃机轿车相比，动力传动系统发生较大的变化，主 要表现在：电机替代内燃机成为动力源；离合器被省却；单一减速比减速器替 代多挡变速器。 显然，燃料电池轿车的动力传动系统得到简化，但是从结构动态特性上具 有新特点： 1 )动力传动系统表现为一个欠阻尼系统； 。 2 )电机工作动态响应更快，冲击问题突出； 3 )电机最高转速约为内燃机的2 倍，高速振动、冲击和噪声问题突出； 4 )车用电机的转矩波动( 激励) 特性不同于内燃机。 动力传动系是汽车的重要组成部件，其动态特性与匹配设计是汽车设计与 集成的重要工作内容。以上的这些特点决定了燃料电池轿车传动系的设计与匹 配不能按照传统内燃机轿车的设计方法进行，有必要对燃料电池轿车传动系统， 尤其是电机及电机与传动系之间的关系进行系统的研究。 汽车传动系和电机都是复杂非线性系统，这两个学科分别在各自领域中已 经进行了深入的研究。但传统的汽车传动系模型只能反映传动系统的动态特性， 不能反映逆变器、电机之间的机电耦合动态特性；而电机模型往往注重电机性 能，而简化机械模型，忽略了机械传动部分对电机的影响；两者之间没有统一 起来考虑。目前，国内外对燃料电池轿车动力传动系统动态特性分析、皿配与 控制研究尚未引起足够的重视；国内在集成不同电机、减速器以及传动轴等厂 家的部件进行传动系统集成的过程中尚未开展系统的研究与分析，对电机激励 特性了解不够；本课题的意义就在于此。 另外，电机电磁转矩作为定子、转子间的一对作用力和反作用力，在影响 动力传动系统的同时，还通过悬置系统影响整车的振动和噪声。如果忽略电机 振动特性，照搬发动机悬置设计方案，则悬置系统有可能不会降低车身钣金件 与车架相连的其它零件等产生振动和噪声，反而会破坏汽车零部件，大大缩短 汽车使用寿命。 1 2 国内外研究现状 电动车由于其开发历史较短，对电机引起的传动系扭转振动的研究需要电 机学和汽车振动两方面的知识；同时，电动车传动系机电参数相互耦合的因素 2 第1 章绪论 众多。因此，此类研究尚不多见。不过对电机转矩特性和发动机引起的传动系 扭转振动的研究都已经非常深入，以下就从电机转矩特性和汽车动力传动系扭 转振动两方面来对国内外研究现状回顾。 1 2 1 电机转矩特性研究现状 国内研究电机转矩特性，尤其是永磁同步电机转矩特性的文献较少，国外 的研究主要也从九十年代开始。 电机学中讨论的理想化电机是指由正弦波电源供电且具有空间正弦分布绕 组和均匀气隙的电机。在该条件下气隙磁场是正弦分布的，绕组电流也仅有基 波分量，在这种理想情况下，转矩也是保持恒定，不存在波动的。但是实际使 用中电机转矩都存在波动，这不仅影响了转矩控制的精度，也引起了电机的振 动和噪声，恶化了电机性能。 人们对电机转矩波动的从电机被发明的时候就已经开始了，经过长期的研 究发现主要与两方面因素有关【l 】：一个是电机气隙磁场；另一个是电机供电电流 不同阶次的谐波。 ( 1 ) 电机气隙磁场 不同类型的电机具有不同类型的气隙磁场。一种是在电机绕组内通以电流 来产生磁场。例如普通的直流电机、同步电机和感应电机。这种电励磁的电机 既需要有专门的绕组和相应的装置，又需要不断供给能量以维持电流流动。这 种类型的电机气隙磁场是通过绕组在空间的分布来保证正弦分布的。 另一种是由永磁体产生磁场。由于永磁材料的固有特性，它经过预先磁化 ( 充磁) 以后，不再需要外加能量就能在其周围空间建立磁场。对于理想的永 磁同步电机来说，感应电动势和定子相电流都必须是正弦函数。正弦感应电动 势要求【2 】：1 ) 定子绕组的必须沿着气隙正弦分布；2 ) 转子永磁体产生的径向磁 通密度幅值必须沿着气隙正弦变化，转子形状制造误差和定子齿槽的存在都影 响了气隙磁场的正弦分布；3 ) 同时永磁体的磁通密度随温度变化，也使气隙磁 场发生畸变。 对于永磁同步电机的气隙磁场的研究，目前主要集中于对某一特定电机的 磁场进行有限元分析，文献 3 】通过对一台永磁同步电机电磁场进行有限元分析， 得到了径向磁通密度和径向电磁力随角度变化的规律，从而得到了电机振动和 第1 章绪论 噪声的特性。 t h o m a sm j a h n s t 4 】回顾了永磁电机转矩波动的电机设计技术包括斜槽、定 子绕组分布、分布绕组、增加相数、转子永磁体设计、极弧宽度等方法。他建 议优先考虑电机设计来消除转矩波动，他还认为正弦波永磁电机最具有转矩波 动最小化能力，诸如斜槽和分数法绕组。相比较，矩形波永磁电机需要权衡结 构简单和成本两方面的因素来改善转矩波动。 文献 5 】重点分析了因电磁原因引起的转矩波动及其对电机性能的影响，有 齿槽引起的转矩波动、工艺引起的转矩波动( 磁路不对称、定转子不同轴、铁 心扣片槽、焊接槽等工艺槽) ，并提出了减小转矩波动的措施。 由气隙磁场引起的转矩波动从电机设计的角度是无法消除的，只能进行磁 场优化，使其尽可能接近正弦分布，减小谐波分量。【2 】 ( 2 ) 电流谐波 在三相交流电源供电下，电机的转矩波动主要是由气隙磁场非正弦分布引 起的。随着人们对电机性能要求的逐步提高以及电力电子技术的迅猛发展和器 件价格的不断降低，逆变器被越来越多的使用到电机调速系统中。虽已采用了 快速电流跟踪控制技术，尽可能跟踪正弦波，但定子电流还不免含有高次谐波， 逆变器的输出电压和电流中基波占有主要成分，但仍存在一系列谐波分量。谐 波电流与电机磁场相互作用就会产生谐波转矩，引起转矩波动，其中谐波次数 较低和幅值较大的分量对电机转矩脉动及电磁噪声影响也最为严重。【6 】 逆变器采用的不同调制方式会产生不同的电流谐波分量。文献 7 】基于数学 分析和试验结果回顾和比较了不同种类的脉宽调制技术的特点，包括p w m 输出 电压和电流所包含的谐波分量。 文献【8 】从s v p w m ( 空间矢量调制) 产生的机理出发，通过仿真研究了三 种主要逼近方法下的s v p w m 波谱的谐波分布和相应逆变器产生电压的谐波分 布情况，并总结出了各自的优缺点。基于仿真研究还分析了谐波对交流感应电 机电磁转矩的影响，并提出了消除谐波影响的新思路。 文献 9 】从三相交交变频器输出谐波电压入手，得到了交交变频同步电动机 调速系统输出谐波转矩的解析计算公式，并建立了相应系统的仿真模型，对输 出转矩谐波进行了仿真研究，通过仿真对理论分析方法进行了验证。 文献 1 0 从感应电机的基本电磁关系出发，分析研究了基波电磁转矩及谐波 转矩的特点，提出了基波谐波的等效电路，给出了谐波电路中参数的计算方法。 4 第1 章绪论 导出了基波电磁转矩、稳定谐波电磁转矩及脉动谐波电磁转矩的计算公式。启 动过程的电流饱和程度低于直接启动，可以忽略。但该模型中电机是没有任何 控制的。 文献 1 1 】仿真了磁场定向、空间矢量调制下感应电机的转矩6 次谐波。引 起波动的主要因素是调制电流。电流调制时插入的零矢量引起了电流和转矩的6 阶波动。作者分别在磁通饱和，7 5 磁通和5 0 磁通情况下，仿真了电机转矩。 结果表明，在电机磁场饱和区域，波动最大；在7 5 磁通时，这种波动大幅减 小了一半；在5 0 磁通时，波动幅度较7 5 时略有减小。 文献 1 2 】研究了空间矢量脉宽调制和死区效应引起的永磁同步电动机转矩 脉动，推导出空间矢量脉宽调制引起的电流波动量和偏差磁链矢量的计算公式， 分析了死区设置引起的误差电压矢量及其所产生的死区效应，计算出误差电压 矢量的幅值及其与三相电流极性的对应关系。通过仿真证实了两种转矩脉动的 产生，结果表明可以根据误差电压矢量的特性，通过补偿的方法消除死区效应。 一文献 1 3 针对电压空间矢量p w m 驱动异步电机系统当中产生的转矩脉动问 题。文章进行了理论和实验两方面的研究。在提出了对空间矢量p w m 进行优化 的新思路的基础上，针对由电压低次谐波引起的6 次转矩脉动，根据理论推导 和计算。提出了一种消除6 次谐波转矩脉动的空间矢量p w m 方法，给出了相应 的仿真结果，针对中频运行段轻载情况下易出现的电机低频振荡，讨论了可能 的原因。通过对空间矢量合成方式的改进，得到了一种减小此种振荡的方案， 实验结果证明这种方法效果明显，达到了实际运行的要求。 ( 3 ) 电机控制系统测量误差 随着电机调速控制系统的引入，传感器的测量误差和控制器也会对转矩特 性产生影响。 文献【1 4 提出定子相电流通过逆变器产生，正弦的定子相电流需要精度高的 电流传感器和高分辨率的转子位置传感器，以保证定子相电流每时每刻都能与 转子角位移保持同步。以上两者任何一个偏离理想特性都会引起转矩波动。 文献 1 5 1 介绍了用于电子助力转向的低转矩波动永磁同步电机的设计。详细 讨论了控制器因素( 电流测量误差、位置测量误差、空间矢量脉宽调制、软件) 对转矩波动的影响。其中电流测量误差对转矩波动的影响最大。 文献 1 6 分析了永磁同步电机控制系统的局限性引起的转矩波动，包括转速 传感器的分辨率，控制器c p u 字长，电流传感器误差，并讨论了不同因素引起 第1 章绪论 的转矩波动的特性。 ( 4 ) 转矩波动最小化技术 由于制造加工存在误差，气隙磁场无法满足电机的理想正弦分布条件，因 此由气隙磁场引起的转矩波动是无法消除的，于是人们通过各种控制方式对转 矩进行补偿以消除转矩的波动。目前主要的研究集中于： t h o m a sm j a h n s 在文献 4 】中回顾了九十年代以来的有关永磁电机转矩波 动的最小化技术，其中包含电机设计技术( 斜槽、定子绕组分布、分布绕组、 增加相数、转子永磁体设计、极弧宽度) 、补偿技术。基于控制方法的技术通常 需要精确和自适应的主动控制算法。没有通用的方法可消除波动。 文献 1 7 1 利用状态变量法建立了寄生转矩模型。运用了快速电流控制产生高 频转矩对输出转矩进行补偿。还运用在线自适应法补偿永磁体的磁通密度随温 度变化引起的转矩波动。 文献 1 8 1 分析了永磁同步电机转矩的产生。讨论了两种减小转矩波动的控制 策略。第一种是基于有限元法计算电机的调制电流，第二种是在线转矩估计。 第一种方法要求电流精度较高，转矩波动抑制对电流误差很敏感，微小的电流 误差都有可能引起很大的转矩波动。第二种方法算法复杂，很难实现，而且该 算法只在一定的转速范围内有效，对需要大范围调速的电机转矩波动无效。 文献 1 9 1 本文通过保持电流快速跟踪设定值消除感应电机转矩波动，从而优 化了电机性能。提出控制触发角可以消除电机启动转矩的波动，并在台架试验 进行验证。 文献 2 0 1 运用p i 参数自适应和转矩估计方法抑制永磁同步电机转矩的波 动。将转矩波动看作频率已知的扰动，认为一般p i 控制无法消除该扰动所产生 的影响，而p l 参数自适应可以根据扰动自动调节，可以减小波动。该方法所需 电机参数少，试验证明方法非常有效，转矩波动大幅下降了6 0 ，但是算法复 杂。 1 2 2 电动车动力传动系扭转振动研究现状 对于电动车动力传动系扭转振动的研究目前没有可查的公开资料，但电动 车和传统内燃机汽车动力传动系扭转振动的区别主要在于激励的不同，传动系 其余各部分的研究方法与传统汽车并无区别。 6 第1 章绪论 内燃机轴系的扭转振动是影响该动力装置安全运行的重要动力性能之一。 内燃机的扭转振动是机械振动学科的一个分支，是内燃机动力学的一部分。在 热动力装置发展初期，由于当时技术水平的限制，在相当长的一段时间内，在 轴系的强度设计工作中是把轴系按绝对刚性体来处理的。当时认为，轴系中应 力的变化完全取决于载荷或其受力情况。【2 1 l 但在1 9 世纪末，在工业发达国家对内燃机的广泛应用后，由于在动力、海 陆交通运输部门所使用的内燃机装置中，各种断轴事故不断发生，这就促使研 究设计人员和工程师们，从实践中认识到，将轴系作为绝对刚性体来处理显然 是不合理的。必须作为弹性体系进行研究。正是由于轴系具有弹性，才使轴系 将产生扭转振动，造成各种断轴事故，从而导致对这项工作深入的理论研究和 测量。 1 9 1 6 年在德国盖格尔( g e i g e r ) 发表了机械式盖格尔振动仪测量轴系扭转振 动的文章后，扭转振动的研究开始了实测和试验阶段。从六十年代到八十年代， 扭转振动研究进入全面发展的时期。一方面由于计算机技术的发展和广泛应用， 为扭转振动的研究奠定了物质基础，另一方面由于内燃机不断向高速高功率方 向发展，而汽车结构向轻量化方向发展，使得汽车的扭转振动更为剧烈，也更 容易造成断轴、传力螺栓失效和啮合齿轮齿折断等事故；同时人们对汽车的舒 适性、可靠性要求不断提高，有关的法规对汽车内外噪声的限制也日益严格， 这些因素为扭转振动的研究和发展提供了巨大的动力。 轴系装置之所以能产生扭转振动，其内因是轴系本身不但具有惯性，而且 还有弹性，由此确定了其固有特性。而外因则是作用在轴系上、周期性变化的 激振力矩，该力矩是产生扭振的能量来源。对于汽车动力传动系来说，激振力 矩主要来自气缸内气体压力产生的激振力矩。轴系按激振的频率进行强迫振动， 当激振频率与轴系固有频率相同时，就会产生“共振”现象，当扭振应力超过 轴系所能承受的应力时，轴系将发生断裂。可见，研究轴系扭转振动，首先要 分析轴系装置的扭转振动特性，在什么情况下将会发生危险以及掌握如何避免 这种危险的实际措施。 有关轴系扭转振动的理论分析、计算和数值解法等问题的研究，目前已有 比较完整的方法。其分析过程首先是将动力传动系转换成扭转振动的计算模型 当量系统。转换的基本原则是： 1 )惯量较大且较集中的部件作为非弹性惯量元件； 7 第l 章绪论 2 )惯量较小而分散的部件作为无惯量的弹性元件； 3 )阻尼可分为作用在弹性元件上的轴段阻尼和作用在惯性元件上的质量 阻尼； 4 )激振力矩只作用在惯性元件上。 、 根据上述处理原则将实际轴系转换成集中质量系统当量系统。这样的 计算模型是具有n 个集中质量的2 n 阶方程组。显然，计算精度将与1 1 的增加而 更趋精确。但是质量个数n 分得越多，将会引起繁重的计算工作量。 多质量系统的自由扭转振动计算，目前普遍应用霍尔茨( h o l z e r ) 表格法或托 列( t o l l e ) 表格法。其次，是系统矩阵法，传递矩阵法等。多质量系统的强制扭转 振动计算，目前普遍采用能量法、放大系数法、系统矩阵法和传递矩阵法等。 在电子计算机普及以前，为了避开对2 n 阶方程组直接求解，大多采用共振与非 共振分别运算的方法，其中包括能量法与放大系数法两种常用方法。从基本原 理上说，这两种方法是完全一致的，都是建立在能量平衡的基础上，同属于共 振计算的近似方法。但是分别运算法的重点考虑是共振工况下的扭振现象。对 非共振区的振幅、应力等的考虑都极为粗糙。随着内燃机装置功率的不断增大， 激振能量大大上升，尤其随看大阻尼减振部件的大量应用。对非共振区工况问 题的要求更显突出。这就要求有对2 n 阶方程组进行综合求解的运算方法。由于 计算机的普及和应用，系统矩阵法、传递矩阵法对强制扭转振动方程组进行直 接求解现在已是完全可行的了，其计算结果将是与实际轴系的振动形式相似的 立体振型。这样使上述问题得到了解决。但是，系统矩阵法只能作线性阻尼的 计算，即阻尼力矩与速度成正比，而能量法与放大系数法则不受限制。 扭转振动计算结果的精确程度足取决于所采用的方法及与之对应的系统参 数的精确性。 强迫振动计算的精确度不如自由振动计算的精确度高，其主要原因是作用 于轴系上的激振力矩以及轴系的阻尼参数难以准确的确定，尤其是后者，它涉 及的因素广泛，以至于想要用纯数学的方法予以精确估算几乎是不可能的。为 此，大多数采用从实践得到的经验公式，但各种经验公式都有一定局限性，不 能完全准确地适用于各种类型的内燃机及其轴系装置，这将使强迫振动计算造 成较大误差。 近年来，随着高速计算机的出现，测试技术和数据处理技术也得到了快速 的发展，对车辆振动系统的研究也更为深入，出现了模态综合法、有限元法等 第1 章绪讼 分析方法。 模态综合法的基本思想是将动力传动系分为若干个子系统，在完成对各子 系统的模态分析后，建立自由模态的综合方程，再利用平衡条件和约束条件将 自由度简化，最后获得一个自由度大为缩减又保持了系统特性的运动方程，即 组合系统方程，最后进行分析计算，得到整个系统的固有振动特性【2 2 】。应用模 态综合方法，只需要获得动力传动系各子系统的模态参数就可以通过计算分析 给出整个动力传动系的模态参数，而不必对整个动力传动系进行模态试验，大 大提高了对复杂结构的分析精度。 有限元法作为一种高度有效的结构分析方法，在六十年代随着计算机的使 用而得到迅猛的发展。有限元法的研究虽不如经典的有限差分那样成熟，特别 是在误差分析方面，但由于有限元分析可以在边界上用折线代替曲线，比有限 差分的阶梯线能更好地符合实际情况。应用有限元方法不仅可以获得较精确的 力学模型和充分的分析信息，便于进一步进行结构优化设计分析，而且能在结 构设计和改进设计阶段预估其振动特性；一提出改进设计方案。但由于车辆动力 传动系的结构复杂，许多边界条件难以确定，建立整个动力传动系的有限元分 析模型还比较困难，仅仅能够对传动系统的某些零部件进行分析。 文献 2 3 分析了车辆动力传动系无阻尼自由振动固有特性的灵敏度，特别给 出了固有频率和振型对轴系刚度及惯量等物理参数的灵敏度。基于固有特性灵 敏度分析，给出了动力学修改的计算方法。并以某重型车辆动力传动系为实例 计算并分析了其固有频率和振型的灵敏度问题，在此基础上进行了动力学修改。 文献 2 4 】对汽车动力传动系统进行了讨论分析和试验研究。提出了汽车动力 传动系统的力学模型，根据实测参数确定了模型中的全部参数。对系统进行了 自由振动和强迫振动计算，在数据处理中采用了谱分析的方法。对不同形式的 扭振消减措施的消减效果进行了试验研究。 目前车辆动力传动系扭转振动特性的理论计算分析方法已较为成熟，所建 模型具有较高的精度，所采用的计算程序快捷高效，基本能够分析、解决车辆 动力传动系的扭转振动问题。基于以上对传动系固有特性的分析，可以进一步 按照牛顿定律建立传动系扭转振动动力学模型，得到传动系的瞬态时域响应， 更直观地看到传动系的振动情况。 随着发动机电喷系统的应用，在快踩油门和制动时，汽车车身会产生前后 方向明显的振动现象。国外学者称之为“s u r g e ”、“t i p i n 、“t i p o u t 。文献 2 5 】 9 第l 章绪论 研究了传动系在稳态转矩和发动机波动转矩激励下的扭转振动，指出传动系统 扭振引起了车身纵向振动。用集中质量法( 转动惯量、刚度、阻尼元件) 建立 了传动系模型，包括飞轮、离合器、半轴、万向节和轮胎，同时考虑了离合器 干摩擦和齿侧间隙因素。用拉格朗日法建立了状态空间方程，利用状态空间方 程进行仿真计算了时域响应，在实车试验进行验证。在实车试验进行验证。 文献 2 7 针对在慢速行驶中突然增加和释放油门或离合器的快速接合带来 的噪音和振动问题，介绍一种车辆传动系的模拟方法，导出控制方程式的一个 分析解；经证实该模拟求得的结果与实际车辆传动系总集成模型的结果相比较。 文献【2 9 】建立了线形和非线性仿真模型来解释整车纵向振动问题，特别是突 然增加和释放油门下产生的瞬态响应。该文基于时域响应提出了整车纵向振动 的评价标准。分析了若干设计参数( 尺侧间隙、离合器非线性阻尼) 对瞬态响 应得影响。 国内学者在这方面的研究开展较晚也较少，文献 2 6 采用m a t l a b s i m u l i n k 仿真分析软件，通过建立牵引车传动系扭转振动非线性模型，分析牵引车拖载 起步时传动系瞬态扭转振动。从仿真结果中找到牵引车存在喘振现象。并进一 步对影响传动系扭转振动性能的主要部件进行了参数化分析。 综上所述，电机转矩特性和发动机引起的传动系扭振的研究都已经非常深 入，但目前还没有学者对电动车传动系在各种工况下动态时域响应进行研究， 本研究可以借鉴以上两方面的成果。 1 3 主要研究思路及内容 本文以某燃料电池轿车样车为研究对象，以试验和仿真计算相结合的方法， 对某燃料电池车电机转矩激励特性进行分析建模，然后将转矩激励特性加到传 动系上分析在紧急工况下整车纵向加速度的影响。本课题的学术构想与思路如 下： l o 第1 章绪论 图1 1 技术路线框图 本论文具体研究内容如下： 1 )获取参数( 电机、传动系各零部件) ； 2 )根据电机学理论，利用m a t l a b 软件，建立电机的参数化数学模型，模型 的参数包括电机的设计参数( 绕组电阻、感应系数、气隙等) 、逆变器和控制策 略，计算电机的转矩，分析转矩波动的频率特性； 3 _ )将动力传动系简化为由无弹性的惯性盘和无质量的弹性轴组成的当量 系统，根据零部件机构参数计算传动系固有特性，建立传动系统扭振动力学模 型( 包括电机、变速箱和半轴) ； 4 )建立电机与传动系统结合的模型；利用m a t l a b s i m u l i n k 计算在阶跃转矩 指令下( 急加速、紧急制动、三相、两相短路) 车身加速度的瞬态响应； 5 )通过实车试验验证转矩波动的频率特性和紧急工况下车身加速度瞬态 响应对模型进行灵敏度分析，确定传动系固有特性的影响参数，并得出影响程 度。 第2 章电机转矩特性建模与分析 第2 章电机转矩特性建模与分析 2 1 永磁同步电机模型概述 变频器供电的永磁同步电动机加上转子位置闭环控制系统构成自同步永磁 电动机，既具有电励磁直流电动机的优异调速性能，又实现了无刷化，这在要 求高控制精度和高可靠性的场合，如航空、航天、数控机床、加工中心、机器 人、电动汽车、计算机外围设备和家用电器等方面都获得了广泛应用。其中反 电动势波形和供电电流波形都是矩形波的电动机，通常又称为无刷直流电动机； 反电动势波形和供电电流波形都是正弦波的电动机，称为正弦波永磁同步电动 机，简称永磁同步电动机。 图2 1 永磁同步电机模型框图 系统主要由电机本体模型、空间矢量调制( s ，w m ) 、逆变器组成。控制 采用双闭环结构，其中电流控制为内环，转矩控制为外环。 转矩指令通过控制策略模块得到i d + 、岛( i d 、岛指令值) ；控制策略采用最 大转矩电流控制。然后经过p i 电流调节器得到u d 、；经过p a r k 逆变换得到 u a ：坳；u a 、坳通过空间矢量调制输出控制逆变器开关的脉冲信号，从而使逆变 1 2 第2 章电机转矩特性建模与分析 器输出接近正弦波的电压驱动电机。 电流传感器测得i a 、妇经坐标变换得到幻、岛反馈到p i 电流调节器形成电 流控制闭环。通过转速传感器测得电机转速，反馈到控制策略模块形成转速闭 环；同时将其积分得到转角传递给坐标变换模块( 坐标变换需要转角信号) 。 2 2 永磁同步电机数学模型 2 2 1 永磁同步电机a b c 坐标系下数学模型 假定： 1 ) 磁路不饱和，故可忽略交轴电枢反应的影响； 2 ) 不考虑转子永磁钢和转子铁心的阻尼效应； 3 ) 定子绕组三相对称，联结型式为y 型无中线， 一 次倍数的谐波，定子电流中亦不含偶次谐波。 a b c 坐标系下的电压方程和磁链方程【2 】 圹警一足。苫一k 旷警一r 2 茅一心b 铲警一r 屯 “c2 言一心k 定子电流中不含3 次和3 图2 2 电机坐标示意图 v a = 一l m , i a m a b i b m a 0 c + m 声f 妒b2 一m 毋 一l b b i b m b c i c + m b r i 。2 。l ) 甲c = 一m c i 一m c b i b t c c i c + m c f i f 申f = 一m0 a m 蔷b m0 c 七l f 定子各相的自感匕、k 、k 和各相间的互感m 彳矿m 时、蚝均为转子 f 匕= o + 厶2c o s 2 0 , k = 厶o + 厶2e o s 2 ( o , 一1 2 0 。) 【k = 丘o + t 2e o s 2 ( o , + 1 2 0 。) 子 第2 章电机转矩特性建模与分析 m 忆2 m c b 。一ms + ms t c o s 2 e m 柚= m 鲥= 也o + 弘2c o s 2 ( e + 1 2 0 。) ( 2 2 ) 【m “= m c = 一 c o + 1 2c o s 2 ( e - 1 2 0 。) 式中，丘。和鸭。分别为定子自感和互感的平均值；丘：和丝：分别为定子自 感和互感的二次谐波幅值。三伊是永磁体的自感，为常值，与转子位置无关。 m i a 、m ，暑、m 心是永磁体与定子相绕组间的互感，由于定子三相y 型连 接，三次和三倍的谐波分量被消除，只存在5 、7 、1 1 、1 3 次分量，则磁场非 正弦分布下有： m ，= m i a = m 够o c o s o + m 够s c o s s e , + m 玎，c o s 7 e , + m 黟= = 勺o c o s ( 6 , , - 1 2 0 。) + 勺5c o s 5 ( o , 一1 2 0 。) + m a l 7 c o s 7 ( o 一1 2 0 。) 十 ( 2 3 ) m q = m l c = m 学o c o s ( e , + 1 2 0 0 、+ m 够s t o s s ( e , + 1 2 0 、+ m 够7 c o s 7 ( 0 , + 1 2 0 0 、+ 式中，膨。表示f 次谐波幅值。 坛 图2 3a b c - 由坐标变换示意图 + 坐标变换可以把时变系数微分方程变成常系数微分方程。a b c 坐标变换到 d q 轴坐标： 小 c o s 包c o s ( 包一姿) j s i n o 一s i n ( o 一姿) j 1 - 2 1 - 2 1 4 c o s ( 包+ 了2 x ) 删包+ 争 1 2二 ( 2 4 ) 第2 章电机转矩特性建模与分析 式中2 3 表示每一相功率不变。 d q 轴坐标变换到a b c 坐标： 盼 c o s o , c o s ( 包一了2 n ) 州吃+ 争 一s 曲包 砒 寺) 一s i n ( 幺+ 了2 n ) 2 2 3 永磁同步电机面坐标系下数学模型 ( 2 5 ) u ，j 电压方程： 卜警一吼+ r 屯 1 ：等心 一 q 9 通过a b c - d q 坐标变换将a b c 坐标下的时变系数微分方程磁链方程转换为 d q 坐标下的常系数微分方程磁链方程： d 轴磁链方程： = 【虮c o s o , + c o s ( o 一1 2 0 。) + c o s ( 0 , + 1 2 0 。) 】 = 一 二“c o s o e + m 删c o s ( o 一1 2 0 。) + 蚝c o s ( o + 1 2 0 。) 】+ m 彳口c , o s 0 e + 二鼢c o s ( 0 一1 2 0 。) + m c o s ( o + 1 2 0 。) 】+ 些一cc o s 眈+ m 嬲c o s ( 包一1 2 0 。) + k c o s ( 吃+ 1 2 0 ) f c ) + ( 2 7 ) 争c o s o + m b rc o s ( 0 一1 2 0 。) + m c lc o s ( 0 + 1 2 0 。) 0 = 一亏( 丘。+ + 互o l ，：) i ac o s 见+ , , c o s ( 吃一1 2 0 。) + i cc o s ( 包+ 1 2 0 。) 】+ 【m d ；o + ( 0 5 + a 0 7 ) c o s 6 0 。+ ( 0 i l + 肘，1 3 ) c o s l 2 0 。+ 】0 = l d o d + q 诅够q 七m 够6 c o s 6 0 。+ m 盯乜c o s l 2 9 e 七i r 同理，可得q 轴磁链方程： 1 5 第2 章电机转矩特性建模与分析 = 一争s i n s , + s i n ( o , 一1 2 0 。) + s i i l ( 包+ 1 2 0 。) 】 = l q o 乇+ ( m q f 6 c o s 6 0 , + 纭1 2c o s l 2 0 , + ) 0 简写如下： 、 l _ i ，d = l d j d + m 够i f w q 2 l q q i q 七m f 式中， 厶o = 厶o + 心o + 厶o = 厶o + 鸠。一 m d l = m 蓼o + m 盱6 c o s 6 0 , + m 够、2 c o s l 2 0 , + m = m e 6c , o s 6 0 , + 1 2c o s l 2 0 , + 其余各参数意义见符号说明。 将式( 2 9 ) 代入式( 2 6 ) 中得到电压方程： 式中 其中 转矩方程： 厶。鲁一厶。吃+ 足+ 。q 山鲁q 心+ y a m c o , m 够6 + m 盯a i f 2 m 妙1 2 + m 1 2 ) 0 ( 2 8 ) ( 2 9 ) ( 2 1 0 ) ( 2 1 1 ) ( 2 1 2 ) z = 1 5 p o i f 拥i q + 翻屯+ ( 厶一l q ) i d i , l ( 2 1 3 ) 1 6 2 2 3 2 3 2 ，、 弛弛 差宝