随着对驱动系统高功率密度、高效率和小体积等性能的需求上升，机电复合传动系统（electro-mechanical transmission，EMT）受到各界广泛关注。其由高速电机、多级行星机构和功率耦合机构组成，具有传动结构复杂、传递功率大和传递功率变化速率高等特点，在多源激励和复杂服役工况下，易出现振动疲劳损伤，甚至造成断轴、断齿等严重失效。对此，常采用主动调节电机输出的方式抑制系统振动。
目前，扭振抑制策略主要分为两类：一类针对瞬态工况，解决外界冲击和模式切换引起的振动；另一类针对稳态工况，解决周期性干扰和内部非线性因素导致的振动。
在EMT瞬态振动主动抑制方面，学者们主要考虑驱动转矩跃变、系统模式切换和外界负载突变等展开研究。赵治国等针对Tip-In/Out工况下驱动转矩跃变引起的扭转振动，提出前馈校正和主动阻尼防抖策略，通过优化系统零极点抑制振动。Huang等针对模式切换问题，应用扩展卡尔曼滤波器精确估计传动转矩，并构建多模型预测控制器，根据离合器状态优化控制参数。葛帅帅等针对负载突变问题，设计动载荷自抗扰转矩补偿控制器，提高了采煤机截割传动系统的稳定性。Hu等提出基于转矩指令优化和电流跟踪瞬时最小误差原则的扭振双层抑制策略，降低了负载突变时的振动。
在EMT稳态扭振主动抑制方面，学者们主要考虑外界激励干扰和内部非线性因素两方面展开研究。张伟等针对外界周期性干扰，提出基于复矢量分析的双电机前馈调控方案，并结合PI调节器的自适应时滞相位修正方法，抑制了发动机输出转矩的周期性波动。Chaturvedi等针对外界非周期性干扰，提出积分滑模控制方法并应用于直接转矩控制框架中，降低了系统转速波动。Sun等针对时变啮合刚度和齿侧间隙等非线性因素，建立PMSM和传动系统模型，优化控制参数以抑制扭转振动。Hu等则通过滤波器提取谐波并注入谐波电压，抑制了由IGBT开关死区引起的转矩波动。
可知，对EMT扭转振动的主动抑制研究已较为充分，但主要适用于轮式车辆，因为它们对非对称激励，尤其是非对称负载激励的适应性不足。履带车辆有两个动力输出端，在恶劣环境下更易受到非对称激励。本文研究了非对称激励下的EMT扭转振动，提出了一种EMT瞬态扭振抑制策略，有效减少了非对称激励导致的扭转振动。本研究主要贡献如下：
（1）揭示了非对称激励对EMT系统扭转振动特性的影响。通过频域分析发现，在非对称激励条件下，系统的总输出转矩能量随时间减少并趋于稳定，而两侧输出转矩的能量在频域和时域上表现出交替互补的特性，导致振荡无序。这种能量的交替互补和传递是由于非对称激励破坏了系统的惯性平衡，使得能量在两侧之间复杂交换，加剧了系统的不规则振荡。这一发现解释了在非对称激励下系统复杂动态行为的根源，为抑制振动提供了理论依据。
（2）在使用扰动观测器补偿扰动 D(s) 时，由于逆模型分母阶次低导致难以实现。对此，引入低通滤波器 Q1(s) 以补偿分母阶次，但因其存在相位滞后，无法完全补偿阶跃型干扰对系统的时域冲击，进而导致扭振抑制效果差。本文通过重新设计干扰补偿误差 [1−Q1(s)]D(s) 至输出转矩的传递特性，提出一种基于双回路反馈补偿的干扰抑制方法。以该方法为核心的控制策略可有效改善负载突变时的速度跟随与扭转振动抑制之间的固有矛盾。
本文中首先建立了EMT扭转振动模型；其次研究了驱动转矩和负载非对称工况下的振动能量传递机理；然后基于EMT降阶模型，提出双回路反馈补偿的干扰抑制方法，并建立输入输出解耦的扭振抑制策略；最后验证了所提方法有效性。
由图8~图10可知：（1）在稳态工况下，转矩信号的能量主要集中在直流部分，其振荡主要由第3阶固有频率处的能量分布引起；（2）当右侧负载转矩发生突变时，双侧输出转矩均出现显著变化，如图9（a）所示，这表明右侧负载通过耦合排的耦合作用对左侧输出转矩产生了影响；（3）这种影响表现为双侧转矩在低频区域的能量剧烈波动，右侧半轴直流能量增加而左侧半轴直流能量减少。在特定时间点，如4.7和7.8 s，右侧输出转矩在第3阶固有频率处的能量增大，而左侧减小，导致左侧输出转矩波动幅度仅为右侧的36.4%；而在5.3和8.5 s时，左侧输出转矩在低频区域的能量增多，导致左侧输出转矩波动增大。
由图10可知，在单侧负载突变的影响下，总输出转矩的功率谱密度随时间发生阶段性变化，尤其是低频区能量在不同阶段依次减少，导致时域信号的振幅也依次降低。然而，在各阶段中，总输出转矩的规律振荡与单侧输出转矩的无序振荡形成了鲜明对比。其原因由图9（b）和图10（b）可知：频域中，总输出转矩在低频区的能量仅呈现出在不同阶段依次减少的现象，而同一阶段中的能量分布基本不随时间发生变化，故总输出转矩在时域上呈现出在不同阶段振幅依次降低的规则振荡；而单侧输出转矩在低频区的能量呈现出明显的波动，故单侧输出转矩在时域上呈现不规则振荡。
2.3 非对称激励对EMT振动特性的影响机制
在非对称激励的影响下，双侧输出转矩信号在频域中的能量波动和在时域中的不规则振荡均呈现出一种交替互补现象：当一侧承受较大的振动能量时，另一侧则相应地承载较少的能量，但总振动能量不变。这种现象表明，在振动过程中，双侧能量存在着往复流动。这种振动能量的不平衡分布和动态流动是耦合系统对激励非对称变化的响应，揭示了双侧的输入与输出之间存在复杂的耦合情况。
从振动耦合效应的角度来看，非对称激励的时域冲击和大幅跳变首先打破了系统惯性载荷的能量平衡，激发了单侧柔性传动系统由低阶模态主导的瞬态扭转振动。随后，能量通过耦合机构这一交互点往复流动，造成双侧能量的不平衡分布，进一步加剧了系统的不规则振荡，如图11所示。然而，传统控制策略大多仅考虑双侧激励对称情况，忽略了在非对称激励下振动能量的往复传递使系统动态行为更加复杂，进而造成实际工况下的控制精度不足，加速系统机械元件的疲劳损伤、甚至造成故障发生。
本文以履带车辆在双侧负载非对称工况下的EMT为研究对象，建立了扭转振动动力学模型，分析了其在非对称驱动转矩和负载激励下的振动特性及能量传递机理。针对EMT输出输入耦合问题，通过泰勒线性化处理车辆行驶阻力，提出一种模型解耦器。针对扰动观测器中低通滤波器的相位滞后问题，提出基于双回路反馈补偿的干扰抑制方法，优化干扰传递特性。结合模型解耦、干扰抑制和驱动转矩频域优化，提出了一种考虑非对称激励的EMT扭转振动抑制策略。在单侧负载突增/突减工况下验证，所提NSE-TVS策略可在单侧负载突增工况下降低系统扭转振动43.4%；在单侧负载突减工况下降低系统扭转振动81.47%。该策略不仅改善了扭转振动，还降低了车辆速度的受影响程度，使车速变动范围仅为无策略下的36.93%。另外，该策略对环境和参数变化具有较好的自适应性。
来源：博创汽车科技
