电机驱动车辆动力传动系统建模方法的研究

1、电机驱动车辆动力传动系统建模方法的研究    2012-09-12     论文导读:为探索机电耦联的研究方法对电机驱动车辆动力传动系统是否适用，将某电动车动力传动系统的机械振动模型简化为两自由度系统模型，对其在左端边界为自由、线性扭簧及非线性扭簧三类条件下的固有特性及响应进行了分析。结果表明，由扭簧模拟的机电耦合系统与不.    为探索机电耦联的研究方法对电机驱动车辆动力传动系统是否适用，将某电动车动力传动系统的机械振动模型简化为两自由度系统模型，对其在左端边界为自由、线性

2、扭簧及非线性扭簧三类条件下的固有特性及响应进行了分析。结果表明，由扭簧模拟的机电耦合系统与不考虑机电耦联的系统相比，动力学特性发生明显改变，证明了进行电机驱动车辆动力传动系统机电耦联非线性振动研究的必要性。在工业领域，电机驱动系统的扭转振动问题最早出现在轧机的应用中。国外多数学者将其视为机电耦联系统，并从控制策略上寻求减振措施。之后机电耦联系统的研究被拓展到多个领域，如对于潜水油井泵电机系统由负阻尼特性引起的机电耦合自激振荡的研究，对考虑传动系统柔性的工业机器人的研究，以及对电动车进行电动机反馈控制以抑制传动系振动的研究等。国内对于机电耦合系统的研究起步较晚，最早应用于水轮发电机的研究中。如用

3、平方非线性刚度模拟电磁刚度揭示了发电机组转子轴系的响应曲线存在跳跃现象，用计算和试验的方法得出不同电压下的电磁阻尼的变化曲线，对发电机及直流电动机产生的电磁刚度引起新固有频率进行的理论和实验研究。但是鲜有结合机电耦合非线性振动理论进行新能源汽车动力传动系统的研究。本文将机电耦联的建模方法引入新能源汽车动力传动系统的研究中，通过对简化模型的分析确定了电机驱动车辆动力传动系统的机电耦联建模方法。1集中电机驱动系统机械振动模型图1描述了一个前轮驱动、集中电机横置的电动车振动模型。电机的电磁力矩MM通过转动惯量JM加速，扭矩通过电机转子动力输出轴刚度kmr作用到变速器输入轴，进而通过变速箱、半轴、轮胎

4、，驱动车辆行驶。其运动方程为:图1集中电机驱动系统机械振动模型JM为电动机动力输出轴、变速器、传动轴、等效到半轴、左右两轮毂、左右两轮胎及电机转子的转动惯量，iG，iA为变速器一、二级减速比，kat，krt，kmr为半轴、轮胎、电机输出轴的扭转刚度，MM，ML为电磁力矩、驱动阻力矩。集中电机驱动系统简化振动模型为了阐述电动车传动系统与内燃机驱动车辆究生，研究方向:新能源汽车动力传动系统振动研究。第4期于蓬，等:电机驱动车辆动力传动系统建模方法的研究用传动系统在建模方面的不同，将上述模型简化为双惯量扭转振动系统:边界条件为左端自由的系统模型用于模拟内燃机驱动车辆的传动系统或者不考虑机电耦合的电驱

5、动车辆的传动系统;边界条件为线性弹簧km的扭振系统模型用于模拟考虑机电耦合作用的电驱动传动系统。图2左端自由的械振动简化模型图3特征根随惯量比的变化规律图4振幅比随惯量比的变化规律图5左端线性弹簧约束的振动简化模型图2描述了集中电机驱动系统机械振动简化模型，这也是目前内燃机驱动车辆传动系统或者电机驱动车辆动力传动系统扭转振动研究所用的常用系统的简化等效模型，其运动方程、频率方程见式(2)、式(3)，其特征根、振幅比随惯量比(=JMJL)的变化规律如图3、图4所示。运动方程:图9振幅比随惯量比的变化规律图10考虑阻尼和非线性电磁刚度的机电耦合振动简化模型特征根与振幅比随惯量比、刚度比变化的曲线如

6、图69，与图34比较发现，特征根与振幅比均发生了较大变化。从图6中可以看到当转子轴系受到模拟电磁刚度km这个附加约束的作用时，除使原来非零的扭振固有频率有所提高外，还增加了一个较小的固有频率，该频率与电磁参数和运行工况密切相关，对应着轴系的整体转动(属于零阶振型)，类似于“零频”。从图7中看到该频率的值随着值的增加而上升，在相同的值下，较小的值反而产生更明显的“增频”作用，所以即使电磁刚度为小量，在建模时也不能忽视其在电驱动车辆传动系统中的作用。图89表明，km的存在使系统的振型发生变化。从图9看出，当值较小时，振幅比与图4中的曲线非常接近，说明了数值仿真的正确性。图11无阻尼时的谐波响应图1

7、2有阻尼时的谐波响应3机电耦合非线性振动系统简化模型电磁刚度和电磁参数及运行工况密切相关，实为非线性，下面用非线性渐硬弹簧模拟电磁刚度，并分析仿真模型的响应。图10描述了考虑电磁刚度和电磁阻尼的集中电机驱动系统机电耦合振动简化模型，为讨论方便，假设电磁刚度相比电机动力输出轴的扭转刚度为小量，则模型可进一步简化为单质量系统，理论和试验研究证明此种简化方法满足工程精度。令km'=km(1+2)为非线性电磁刚度(设为渐硬弹簧)，其中为非线性度，cm用于模拟电磁阻尼。该模型的运动方程见式(6):图13不同阻尼下的时间响应曲线图14相平面曲线从图11中可以看出，渐硬弹簧非线性谐波响应向高频段倾斜

8、，当激励频率向共振点增加时，幅值和弹簧的刚度也增加，使系统固有频率提高。幅值A对激励频率的关系曲线表明响应是多值函数，系统会产生跳跃现象。对于非线性渐软弹簧亦有类似结论，不同的是响应曲线向左倾斜。若系统有阻尼，将=Acost带入运动方程得到:从图中可以清楚的看到跳跃现象:频率增加时，响应|A|沿着123增加，但一旦到达3点，|A|会跳到5点，即响应突然下降到5点处;频率减小时，响应|A|沿着654增加，但一旦到达4点，亦会产生跳跃，响应突然上升到2点处。3点与4点的响应是极不稳定的，但较大的阻尼可以使跳跃现象减小或者消失。对系统在不同阻尼时的时域响应进行数值求解，扭转位移和速度的时域响应曲线以

9、及相平面曲线如图13，图14所示。从图中可以明显看出，阻尼的存在有助于非线性系统振幅的衰减。也就是说，在电驱动车辆传动系统的特性分析中，忽略电磁阻尼的存在会夸大系统的响应情况，造成对传动系统特性的非准确估计。结论电磁刚度的存在增加了电驱动动力传动系统的自由度，传统纯机械振动建模方法会产生“漏频”，不利于解释电动车低速失稳等现象。(2)电磁阻尼的存在对传动系统的扭转振动产生了一定的抑制作用，电驱动车辆的传动系统是否是“欠阻尼”系统有待进一步深入研究。(3)在进行电机驱动车辆传动系统建模与仿真时，忽略电磁效应的影响会造成一定误差，将机电耦合系统中“零频”的概念引入电机驱动车辆传动系统的建模与分析中，阐明了进行电机驱动车辆动力传动系统机电耦联非线性振动研究的必要性。一种地铁运营组织与管理的模糊综合评价样可得到调度指挥、列车运行、客运组织的评价结果，见表3。计算得地铁运营组织与管理的综合模糊评价结果为S=(0。3138，0。3058，0。3804)。其中，隶属于不可接受的隶属度最大，说明该运营组织与管理的安全状态处在不可接受的级别，急需调整改进。通过进一步分析其子项的评价结果可知，该不可接受的安全状态主要因调度指挥评价水平太低引起，因而在进行调整改进工作时应将重点放在调度指挥