集成式电驱动总成振动噪声分析与主动控制研究

摘要

随着工业科技的高速发展和市场需要，以新能源电动汽车为代表的集成式电驱动总成将电机、减速器和控制器集合成一体。但由于集成式电驱动总成取消了联轴器，电机轴直接驱动传动系统，在提高功率密度节省空间的同时，会引起轴系扭振，并且使得减速器受到的冲击更大，带来的振动噪声也相对更加严重。　　本文以某型电动汽车集成式电驱动总成为研究对象，综合考虑动态电机、电机控制以及齿轮时变啮合刚度、啮合误差、啮合阻尼和齿侧间隙等影响，建立其机电耦合数学模型。通过有限元与边界元联合仿真的方法分析电驱动总成的振动噪声，并搭建试验台，对试验结果和仿真结果进行对比分析。提出一种基于自抗扰的电流补偿主动控制方法，用来抑制集成式电驱动总成的扭振与系统噪声。主要研究工作如下：　　①根据电动汽车集成式电驱动总成的结构和系统参数，建立了三相永磁同步电机的数学模型，并综合考虑齿轮时变啮合刚度、啮合误差、啮合阻尼和齿侧间隙等的影响，采用集中参数法建立了电驱动总成传动系统的动力学模型，利用S函数将传动系统的数学模型进行封装，在MATLAB/Simulink中将永磁同步电机和齿轮传动系统的数学模型进行耦合，建立集成式电驱动总成的机电耦合动力学模型。　　②采用最大转矩/电流比控制对三相永磁同步电机进行矢量控制，并分析了集成式电驱动总成机电耦合模型的动力学特性。采用变步长Runge-Kutta算法求解动力学微分方程，得到箱体轴承处的动态载荷。通过傅里叶变换得到轴承的频域载荷并对轴承时频域激励进行分析。　　③以机电耦合模型得到的轴承处动载荷为激励，采用有限元和边界元联合仿真的方法，对集成式电驱动总成的振动加速度和辐射噪声进行分析。为了对比机电耦合模型和纯齿轮箱模型对仿真结果的影响，建立电驱动总成纯齿轮箱数学模型并基于该模型求解箱体振动噪声。搭建集成式电驱动总成振动噪声测试平台，将基于机电耦合模型和纯齿轮箱模型得到的振动加速度和辐射噪声与测试结果进行对比分析，验证机电耦合模型的合理性。　　④针对集成式电驱动总成电机与齿轮箱直接耦合造成的轴系扭振问题，提出一种基于自抗扰的电流补偿主动控制方法。以电机轴两端转速差等于零为控制目标，实时观测转速差并估计系统扰动，计算出系统所需的补偿电流后将其直接叠加在转速环的输出电流上，从而抑制系统扭振，从以振治声的角度减小电驱动总成的振动噪声。并且对电机原本的矢量控制和自抗扰电流补偿控制进行了对比分析。

目录

1 绪 论

1.1 研究背景及意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1 齿轮动力学研究现状

1.2.2 齿轮传动系统振动噪声研究现状

1.2.3 机电传动系统减振降噪方法研究现状

1.3 本文主要研究内容

2 集成式电驱动总成数学建模与动力学分析

2.1 引言

2.2.1 传动系统模型

2.2.2 永磁同步电机数学建模

2.2.3 齿轮系统动力学建模

2.2.4 模型参数求解

2.3.1 最大转矩/电流比控制

2.3.2 PI电流控制

2.3.3 两电平空间矢量调制算法

2.4.1 机电耦合模型

2.4.2 动力学特性分析

2.4.3 轴承动载荷求解

2.5 本章小结

3 集成式电驱动总成振动噪声研究

3.1 引言

3.2.1 模态分析

3.2.2 振动加速度仿真分析

3.2.3 辐射噪声仿真分析

3.3.1 轴承动载荷求解

3.3.2 振动加速度仿真分析

3.3.3 辐射噪声仿真分析

3.4.1 试验台系统

3.4.2 结果对比分析

3.5 本章小结

4 集成式电驱动总成振动噪声自抗扰控制

4.1 引言

4.2.1 自抗扰电流补偿控制原理

4.2.2 控制器设计

4.3.1 LESO性能分析

4.3.2 控制结果分析

4.4 本章小结

5 结论与展望

5.1 结论

5.2 研究不足与展望

参考文献

附录

A. 作者在攻读学位期间发表的论文目录

B. 作者在攻读学位期间申请的专利目录

C. 学位论文数据集

致谢