非稳态工况下新型自减振行星传动动态特性分析

摘要

电动汽车电驱动一体化是当前的研究热点，电机与齿轮系统组成的机电传动系统是电动汽车主要的动力传动装置，决定着电动汽车动力传输的平稳性和行驶的平顺性。电动汽车经常运行在各种复杂工况，传动系统时刻承受着来自电机和路面的激励力以及齿轮系统内部的时变参数激励，这将使得机电传动系统表现出复杂的动力学行为，引起系统载荷波动和扭转振动。为了改善内、外部激励下机电传动系统的动态响应特性，提出一种新型自减振行星传动形式：TVD-PG（Torsional Vibration Damper and Planetary Gear）传动装置，采用扭转减振装置取代传统行星齿轮中某一构件与箱体固联的方式。对电机-TVD-PG动力传动系统在非稳态工况下的动态特性进行深入探究，并与传统的电机-行星齿轮（PG）动力传动系统进行对比，表明了TVD-PG传动装置对改善机电传动系统动态特性的优势。最后分别从系统参数优化和主动减振控制两个方面进一步改善电机-TVD-PG动力传动系统的动态特性。本文的主要研究内容如下：　　①考虑传动轴的扭转变形、行星齿轮时变啮合刚度、齿轮综合啮合误差，建了适用于变速工况下的TVD-PG传动装置的平移-扭转动力学模型和纯扭转动力学模型，系统的广义坐标选择各构件的平移位移和角位移，并且在静坐标系下测量太阳轮和内齿圈的角位移。修改了行星齿轮时变啮合刚度模型以适用于变速情况，将其表示为太阳轮实际角位移的函数模型，并建立了电机-TVD-PG动力传动系统的耦合动力学模型。　　②分析了电机-TVD-PG动力传动系统的固有特性，与传统的电机-PG动力传动系统进行对比，TVD-PG传动装置显著降低了系统的低阶固有频率，改变了系统部分振型。探究了系统固有频率对TVD-PG传动装置部分刚度参数的敏感性，扭转减振装置扭转刚度变化主要影响系统的低阶固有频率，行星齿轮啮合刚度变化主要影响系统高阶固有频率。利用坎贝尔图和模态动能法对系统常用工作转速范围内可能出现的共振进行甄别，表明TVD-PG传动装置可以减少系统常用转速范围内的共振。　　③建立了电机动态模型，采用基于转子磁场定向的矢量控制方式建立了电机的控制器模型。将电机动态模型与TVD-PG传动装置耦合进行仿真，获得了机电传动系统的动态响应曲线。在启动过程，激发了系统一阶固有频率主导的瞬态响应和系统的共振现象。TVD-PG传动装置显著降低了系统载荷波动和构件振动水平，使系统转速上升更平稳。负载突变时电机-TVD-PG动力传动系统并未产生大的超调。行星齿轮时变啮合刚度使系统产生高频波动，幅值随载荷增大而增大，频率随转速发生改变。TVD-PG传动装置可以显著降低波动载荷对电机和齿轮部分的干扰。最后探究了机电耦合机理，齿轮部分的激励频率会在定子电流的频谱图中以加减电压频率的形式成对出现，并可利用这以特性对系统的共振状态进行监测。　　④以启动过程行星齿轮内啮合力波动的有效值和最大值为目标函数，建立了电机-TVD-PG动力传动系统多目标优化模型，采用遗传算法对系统机械参数进行优化，获得了较好的优化效果。针对系统稳定后电机主动请求转速造成齿轮传动系统的载荷波动和扭转振动显著增大的现象，提出了基于自抗扰控制技术（ADRC）的主动减振控制，利用ADRC控制器对电机电磁转矩进行补偿从而有效抑制系统的载荷波动和扭转振动。

目录

1 绪 论

1.1 课题研究背景及意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1 机电传动系统研究现状

1.2.2 行星齿轮系统动力学研究现状

1.3 本文研究目的及内容

2 适用于变速工况下 TVD-PG传动装置动力学模型

2.1 引言

2.2 适用于变速工况下 TVD-PG传动装置平移-扭转动力学模型

2.2.1 系统动力学模型分析及坐标系设立

2.2.2 系统模型中各构件间相对位移分析

2.2.3 系统动力学方程建立

2.3 TVD-PG传动装置纯扭转动力学模型及系统内部激励参数分析

2.3.1 TVD-PG传动装置纯扭转动力学模型

2.3.2系统时变啮合刚度

2.3.3系统啮合误差激励

2.4.1 机电系统耦合分析

2.4.2 动力学微分方程求解

2.5 本章小结

3 电机-TVD-PG 动力传动系统固有特性分析

3.1 引言

3.2.1 系统特征方程

3.2.2 系统固有频率及振型分析

3.2.3 扭转减振装置刚度对系统固有特性的影响

3.2.4 行星轮齿啮合刚度对系统固有特性的影响

3.3.1 系统潜在共振点识别

3.3.2 系统模态动能

3.3.3 系统升速过程中的共振响应分析

3.4 本章小结

4 非稳态工况下电机-TVD-PG动力传动系统动态特性分析

4.1 引言

4.2.1 电机动态模型

4.2.2 基于转子磁场定向的矢量控制

4.2.3 电机动态响应

4.3.1 系统工况设定

4.3.2 电机输出响应分析

4.4.1 启动过程系统动态特性

4.4.2 载荷突变过程系统动态特性

4.4.3 载荷波动过程系统动态特性

4.5 机电耦合特性

4.5.1 机电耦合机理分析

4.5.2 共振时机电耦合特性

4.6 本章小结

5 电机-TVD-PG 动力传动系统结构参数优化及主动减振控制

5.1 引言

5.2 基于遗传算法的电机-TVD-PG动力传动系统参数优化

5.2.1 机电传动系统优化模型

5.2.2 参数优化结果对比

5.3 基于自抗扰控制技术的电机-TVD-PG动力传动系统主动减振控制

5.3.1 电机转矩激励下的系统瞬态响应

5.3.2 主动减振控制原理

5.3.3 自抗扰控制器设计

5.3.4 主动减振仿真结果分析

5.4 本章小结

6 总结与展望

6.1 研究工作总结

6.2 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参加的科研项目

C. 学位论文数据集

致谢