采用線性自抗擾的電傳動履帶車輛電子差速控制

馬曉軍,曾慶含,袁東,劉春光,魏曙光

(1.裝甲兵工程學院陸戰平臺全電化技術實驗室,北京 100072;2.裝甲兵工程學院控制工程系,北京 100072)

采用線性自抗擾的電傳動履帶車輛電子差速控制

馬曉軍1,2,曾慶含1,2,袁東1,2,劉春光1,2,魏曙光1,2

(1.裝甲兵工程學院陸戰平臺全電化技術實驗室,北京 100072;2.裝甲兵工程學院控制工程系,北京 100072)

履帶車輛行駛工況復雜多變,驅動電機調速范圍寬,負載的非線性、不確定性和耦合性強,如何保持兩側電機速度差值恒定實現穩定行駛一直是研究的難點。文中提出一種電子差速控制策略,將線性自抗擾(LADRC)控制算法應用于永磁同步電機(PMSM)驅動系統調速控制中,利用線性擴張狀態觀測器估計所有未知擾動作用量并給予實時動態補償,從而抑制擾動,提高系統動態性能。基于Matlab和RecurDyn軟件開展聯合仿真分析,進行電機臺架試驗。仿真及試驗結果表明:采用LADRC調節的轉速控制策略,響應快速無超調,抗擾能力強,參數適應性好,能有效提高車輛行駛穩定性,且算法計算量小,易于工程實現。

兵器科學與技術；履帶車輛；電傳動；線性自抗擾；電子差速

0 引言

目前,典型的電傳動履帶車輛一般采用雙側電機式驅動結構,采用轉速或轉矩控制策略實現對車輛兩側驅動力的合理分配,達到車輛期望行駛目的。由于永磁同步電機(PMSM)具有結構簡單、效率高、功率密度高、調速范圍寬等諸多突出優點,適用于高功率密度驅動場合,在電傳動車輛驅動領域也已得到廣泛應用[1-4]。

履帶車輛行駛工況復雜多變,行駛環境惡劣,導致驅動電機具有調速范圍寬、負載擾動非線性和不確定性強的特點,加上PMSM本身是一個多變量、強耦合的非線性對象。采用常規基于“誤差”的PID調節器,在寬調速范圍內,存在動態性能差,對負載擾動和參數攝動魯棒性不強的問題[5-6],難以滿足車輛穩定行駛控制要求。為了解決這些問題,國內外不少學者已經開展了將先進控制算法運用到車輛永磁同步驅動電機控制研究中,文獻[1]設計了魯棒H∞轉速控制器,考慮了電機負載變化和自身參數擾動,并與最優控制進行了仿真對比分析;文獻[2]運用非線性反步法結合解耦控制技術,設計了非線性自適應控制器,來克服參數不確定性和負載擾動引起的誤差。文獻[3]采用了模糊神經網絡控制算法,通過在線學習和并行處理,能夠有效抑制擾動,并與反饋線性化控制進行了對比。但是相關文獻大多僅僅針對汽車在良好路面直線行駛進行了研究,未對PMSM負載變化較大的車輛轉向工況行駛控制進行探討,并且自適應等算法需要借助對象精確模型,神經網絡、模糊控制等算法往往需要借助大量專家經驗或反復試驗得出控制規則,難以得到最優控制算法,且不利于控制算法的快速開發,因此相關研究有一定局限性。

自抗擾(ADRC)控制技術是一種不依賴于系統精確數學模型的新型控制技術,它能實時估計并補償系統各種外擾及內擾,對擾動進行動態補償,動態性能好、抗擾能力強,適合車輛驅動系統寬調速范圍內的高抗擾控制。文獻[7-10]將ADRC應用于PMSM調速控制當中,進行了仿真分析,均取得了較好的效果。文獻[11]從控制系統帶寬角度展開分析,進一步將ADRC控制器線性化,提出了線性自抗擾(LADRC)控制方法。文獻[12]對LADRC參數配置方法進行了研究,該算法更加精簡,克服了傳統ADRC參數多難以整定的缺點,易于數字化實現,具有很強的工程實用性。

基于以上分析,本文針對電傳動履帶車輛驅動電機的特點及車輛行駛控制需求,提出了一種采用LADRC的電子差速行駛控制策略。采用Matlab軟件和多體動力學軟件RecurDyn構建了電傳動車輛一體化聯合仿真模型,通過精確模擬驅動電機負載特性,驗證了控制策略的有效性。最后采用DSP28335實現了控制律,進行了加載試驗,具有一定的工程實踐指導意義。

1 車輛總體結構

雙側式電傳動履帶車輛結構如圖1所示。發動機帶動發電機發電,經整流后變為高壓直流電,作為車輛主動力源,超級電容、高壓蓄電池通過DC/DC并聯在直流母線上作為輔助動力源。車載中央控制器,根據駕駛員操控信號、反饋的兩側電機轉速完成兩側驅動電機的差速計算,通過總線將目標轉速信號實時發送至電機控制器。

圖1 雙側式電傳動履帶車輛結構圖Fig.1 Structure of dual-motor electric drive tracked vehicle

相比普通機械車輛,電傳動車輛兩側驅動電機之間沒有機械連接和約束,面臨兩側主動輪速度差難以保持的問題,為了滿足車輛直線、轉向行駛等多種工況的動力要求,上層通過電子差速控制器合理地對兩側電機驅動系統進行動力分配,下層采用動態性能好、抗擾能力強的電機調速控制算法,以提高車輛行駛的穩定性[4,13]。

2 電子差速控制器設計

電子差速控制器通過將駕駛員操控信號的解析為兩側驅動電機目標轉速,完成驅動系統動力分配,實現車輛穩定行駛。控制策略體系結構如圖2所示。

加速踏板信號解析為電機目標轉速,解析函數為

圖2 車輛電子差速控制結構框圖Fig.2 Block diagram of electric differential controller

方向盤信號按照(2)式直接解析為相對轉向半徑ρ的倒數。其中當方向盤轉角范圍位于自由行程(-δ0,δ0)時,解析值為0,相對轉向半徑為無窮大,對應車輛應為直線行駛狀態。

式中:δ為方向盤轉角;δ0為最小有效轉角,取5°; δmax為最大有效轉角,取85°.

車輛在某一路面以一定速度行駛時,為保證車輛轉向穩定性,防止側滑和甩尾,轉向時應對最小相對轉向半徑ρmin作出限制。

式中:φ為路面附著系數;v為車輛行駛速度;g為重力加速度;B為履帶中心距。

履帶車輛轉向行駛過程中有以下運動學公式:

式中:ω1、ω2分別為兩側電機轉速;v1、v2為兩側履帶行駛速度;R為轉向半徑;i為電機到主動輪的減速比;r為主動輪半徑。

考慮車輛機動性能和驅動電機特性,在轉向過程中選用類似于獨立式轉向的外側目標轉速不變,內側目標轉速降低的轉向方式,轉向后回正時內側電機跟蹤加速踏板給定目標轉速,轉速升高,使車輛機動性不至于過多喪失。由運動學公式(4)式、(5)式可推導出如(6)式、(7)式的兩側電機目標轉速函數。

中心轉向單獨采用一擋位,該擋位時踏板信號依然解析為轉速,方向盤信號決定目標轉速的正負,即兩側電機給定轉速大小相等,方向相反。

3 轉速調節控制器設計

3.1 PMSM數學模型分析

LADRC控制不依賴于精確的數學模型,因此本文不考慮磁路的飽和效應,忽略磁滯、渦流損耗等影響,在d-q旋轉坐標系下,PMSM交、直軸電流滿足如下方程:

(10)式～(13)式中:id、iq為d、q軸的電流;Ud、Uq為d、q軸的電壓;Lsd、Lsq為d、q軸的電感;R為定子繞組電阻;ψr為永磁體與定子交鏈磁鏈;pn為極對數;ωn為電角速度;J為轉動慣量;Te為電磁轉矩; TL、Tn分別為負載轉矩和擾動[7]。

3.2 LADRC控制器設計

PMSM調速系統包括轉速環和電流環,外環為轉速環,采用LADRC控制,內環為電流環,采用PI控制。因此PMSM狀態方程可化為

控制器控制頻率較高,單個控制周期內負載轉矩可認為是恒定值,即L=0.

將ωn=pnω代入(14)式可將電機調速系統轉化為2階系統,得

式中:U為系統的輸入;b0為系統控制增益;f(ω)為內部確定的ω··角加速度動態“擾動”部分;f1(t)為內部不確定性擾動;f2(t)為外部擾動;f(t)為PMSM調速系統ω··所受的總擾動,可將系統內部擾動和外部擾動歸為總擾動,即f(t)=f(ω)+f1(t)+f2(t).

3.2.1 建立線性擴張狀態觀測器(LESO)線性擴展狀態觀測器狀態方程:

選取合適的觀測器增益β1、β2、β3,LESO能實現對(17)式中各變量的實時跟蹤,即z1→ω,z2→ω·, z3→f(t).

3.2.2 控制律設計

采用如下的PD控制器:

式中:ω*為給定信號;kP、kD為控制器增益。

考慮電機實際輸出能力,對U進行如下限幅:

式中:Tmax、Tmin分別為電機所能輸出的最大和最小轉矩。

綜上,(16)式～(19)式構成系統的LADRC控制器[11],其結構如圖3所示。

圖3 LADRC控制器結構圖Fig.3 Structure of LADRC

進一步求得LESO(17)式的特征方程為

選取觀測器的理想特征方程(s+ωo)3,則有

式中:ωo稱為觀測器帶寬。

類似的,積分串聯系統閉環傳遞函數的理想特征方程可選為(s+ωc)2,可得

式中:ωc稱為控制器帶寬。

LADRC控制器實際使用中需要配置的參數為ωc、ωo、bo這3個參數,采用文獻[12]提出了參數配置方法,可以較快地實現控制器參數的優化配置,達到期望的控制性能。

4 仿真及試驗分析

4.1 仿真實驗

為了驗證LADRC控制器的性能,本文在Simulink中構建了駕駛員操控系統、電子差速控制器、轉速調節器、電機驅動系統的模型,在多體動力學仿真軟件RecurDyn中建立了車輛動力學模型,通過軟件接口技術進行數據交互,實現機械、電氣、控制系統的一體化聯合仿真[14],如圖4所示。

車輛動力學模型包含車體、炮塔、行動裝置3個部分,其中利用RecurDyn的TrackHM模塊中建立車輛行動裝置模型,采用主動輪前置、雙銷式履帶、雙輪緣負重輪、扭桿式獨立懸掛結構,如圖5所示。

圖4 聯合仿真模型Fig.4 Model of co-simulation

圖5 電傳動履帶車輛動力學仿真模型Fig.5 Electric drive tracked vehicle dynamic simulation model

圖6為良好路面下車輛行駛特性曲線,圖6(a)為工況1雙側驅動電機轉速曲線,①、②為電機Ⅱ目標轉速和響應曲線,③、④為電機I目標轉速和響應曲線,⑤為轉速差曲線。1 s時,油門踏板踩到17%,雙側驅動電機給定轉速1 000 r/min,車輛由靜止狀態開始加速;3 s時,方向盤右轉至25°,電機Ⅱ給定轉速不變,電機I給定轉速變為600 r/min,車輛開始差速轉向;6 s時方向盤回正,雙側驅動電機目標轉速變回1 000 r/min,車輛速度逐漸趨于一致,進入直線行駛狀態。

圖6(b)為工況2雙側驅動電機轉速曲線,①、②為電機Ⅱ目標轉速和響應曲線,③、④為電機I目標轉速和響應曲線,⑤為轉速差曲線。1 s時,油門踏板踩到17%,雙側驅動電機給定轉速1 000 r/min,車輛由靜止狀態開始加速;3 s時,方向盤右轉至14°,電機Ⅱ給定轉速不變,電機I給定轉速約為800 r/min,車輛開始差速轉向;6 s時方向盤回正,雙側驅動電機目標轉速變回1 000 r/min,車輛速度逐漸趨于一致,進入直線行駛狀態。

仿真實驗表明,兩種轉向工況下,兩側驅動電機速度差均能保持穩定,系統響應速度快,動態、靜態性能均有所提高。相比文獻[14]的PI控制算法,兩側轉向速度差動態性能好,最大超調量由30%減小至5%以內,調節時間短,縮短約50%,實現了系統響應快、超調小的控制目標。

圖6 車輛行駛特性仿真曲線Fig.6 Simulation curve of vehicle steer performance

4.2 驅動電機臺架試驗

為了進一步驗證LADRC控制算法的可行性和有效性,構建了雙側電機驅動系統試驗平臺,平臺包括上位機、dSPACE、電機控制器、逆變器、永磁同步驅動電機、制動器等6個部分,結構如圖7所示。永磁同步驅動電機參數為:pn=6,J=0.016 kg·m2, R=5 mΩ,Ld=0.42 mH,Lq=1.4 mH,額定功率80 kW,額定電壓550 V,額定電流145 A,額定轉速3 200 r/min,額定轉矩240 N·m,峰值轉矩600 N·m.其中dSPACE主要完成電子差速控制,將駕駛員操控信號解析為電機目標轉速,電機控制器主控芯片為美國TI公司生產的32浮點運算芯片TMS320F28335,主要完成LADRC轉速控制、空間矢量脈寬調制(SVPWM)波形生成以及轉速、電流信號的采樣等功能。為了方便調試,數字信號處理(DSP)外圍預留CAN總線通信接口,與dSPACE工作站通信,接受轉速指令、完成控制器參數的在線配置以及變量信息的狀態在線監測。

圖7 臺架試驗結構圖Fig.7 Structure of bench test

圖8為電機突加負載試驗,曲線①、②分別為驅動電機給定轉速1 500 r/min時,LADRC和PI控制時突加、突卸負載時的轉速波形。其中,4 s時突加負載100 N·m,8 s時卸掉負載。可見加入負載擾動時,采用LADRC控制轉速變化幅度更小,恢復時間更快,抗擾能力遠優于PI控制。

圖8 突加負載轉速響應曲線Fig.8 Speed response vs.load torque

圖9為雙側驅動電機協調控制試驗曲線,曲線①、②為電機Ⅱ轉速給定和響應曲線,曲線③、④為電機I轉速給定和響應曲線。dSPACE對操控信號進行解析,在1～2 s內給定電機I、Ⅱ目標轉速為1 000 r/min,電機負載均設為150 N·m;2～5 s內模擬工況2轉向,給定電機Ⅱ目標轉速不變,電機I目標轉速變為800 r/min,電機Ⅱ負載設為450N·m,電機I負載設為-150 N·m;5～7 s內模擬工況1轉向,給定電機Ⅱ目標轉速不變,電機I目標轉速變為600 r/min,電機Ⅱ負載設為500 N·m,電機I負載設為-200 N·m;7～8 s模擬回正狀態,電機I、Ⅱ轉速給定為1 000 r/min,負載恢復至150 N·m.

圖9 雙側驅動電機行駛控制轉速響應曲線Fig.9 Speed response to steering control of dual-motors

由試驗曲線可知,采用LADRC轉速控制,驅動電機系統響應快、超調小,抗負載擾動能力強,兩側電機速度差穩定,能夠滿足車輛多種轉向半徑下的雙側驅動電機差速控制要求。

5 結論

本文針對雙側式電傳動履帶車輛行駛過程中電機調速范圍寬、負載非線性和不確定性強的特點,提出一種電子差速控制策略,設計了LADRC轉速調節器。

1)將操控信號解析為兩側電機目標轉速,采用LADRC轉速控制策略,將系統內部和外部擾動統一歸為總擾動,利用LESO對擾動進行觀測并補償,提高系統響應的快速性、準確性和抗擾能力。

2)Matlab和RecurDyn軟件的聯合仿真分析和臺架試驗表明,基于LADRC的電子差速控制策略,實現了車輛多轉向工況下驅動電機系統在寬調速范圍、強非線性負載擾動下的有效控制;文中所提的控制策略易于在DSP上實現,具有一定的工程實踐意義。

References)

[1] 趙楠,葛寶明.電動汽車用永磁同步電機的H∞魯棒控制[J].電機與控制學報,2007,11(5):462-465.

ZHAO Nan,GE Bao-ming.H∞robust control of permanentmagnet synchronousmotor used in electric vehicle[J].Electric Machines and Control,2007,11(5):462-465.(in Chinese)

[2] 焦曉紅,李帥.永磁同步電機驅動電動汽車速度自適應控制[J].電機與控制學報,2011,15(11):83-89.

JIAO Xiao-hong,LIShuai.Adaptive speed tracking control of electric vehicles driven by permanent magnet synchronous motor [J].Electric Machines and Control,2011,15(11):83-89.(in Chinese)

[3] Lin F J,Hung Y C,Hwang JC.Digital signal processor-based probabilistic fuzzy neural network control of in-wheelmotor drive for light electric vehicle[J].IET Electric Power Applications, 2012,6(2):47-61.

[4] 翟麗,孫逢春,谷中麗,等.電傳動履帶車輛電子差速轉向控制策略[J].北京理工大學學報,2009,29(2):113-117.

ZHAILi,SUN Feng-chun,GU Zhong-li,et al.Steering control strategy of electronic differential speed in electric drive tracked vehicle[J].Transactions of Beijing Institute of Technology,2009, 29(2):113-117.(in Chinese)

[5] 韓京清.自抗擾控制技術[M].北京:國防工業出版社,2008.

HAN Jing-qing.Active disturbance rejection control technique [M].Beijing:National Defense Industry Press,2008.(in Chinese)

[6] Han JQ.From PID to active disturbance rejection control[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics,2009,56(3):900-906.

[7] 劉子建,吳敏,陳鑫,等.永磁同步電機混合非線性控制策略[J].浙江大學學報:工學版,2012,44(7):1303-1307.

LIU Zi-jian,WU Min,CHEN Xin,et al.Hybrid nonlinear control strategy of permanentmagnet synchronousmachine[J].Journal of Zhejiang University:Engineering Science,2012,44(7): 1303-1307.(in Chinese)

[8] 文建平,曹秉剛.無速度傳感器的內嵌式永磁同步電機自抗擾控制調速系統[J].中國電機工程學報,2009,29(30):58-62.

WEN Jian-ping,CAO Bing-gang.Active disturbances rejection control speed control system for sensorless IPMSM[J].Proceedings of the CSEE,2009,29(30):58-62.(in Chinese)

[9] 邵立偉,廖曉鐘,張宇河,等.自抗擾控制器在永磁同步電機控制中的應用[J].北京理工大學學報,2006,26(4):326-329.

SHAO Li-wei,LIAO Xiao-zhong,ZHANG Yu-he,et al.Active disturbance rejection controller scheme for permanent magnetic synchronousmotor[J].Transactions of Beijing Institute of Technology,2006,26(4):326-329.(in Chinese)

[10] 付永領,劉和松,龐堯,等.用于直驅式機電作動器的PMSM自抗擾控制研究[J].四川大學學報:工程科學版, 2011,43(2):121-127.

FU Yong-ling,LIU He-song,PANG Yao,et al.Active disturbance rejection control for the PMSM used in the direct drive EMA [J].Journalof Sichuan University:Engineering Science Edition, 2011,43(2):121-127.(in Chinese)

[11] GAO ZQ.Scaling and bandwidth-parameterization based on control tuning[C]∥Annual American Control Conference.Denver. New York:IEEE,2003:4989-4996.

[12] 袁東,馬曉軍,曾慶含,等.二階系統線性自抗擾控制器頻帶特性與參數配置研究[J].控制理論與應用,2013,30 (12):1630-1640.

YUAN Dong,MA Xiao-jun,ZENG Qing-han,et al.Research on frequency-band characteristics and parameters configuration of linear active disturbance rejection control for second-order systems [J].Control Theory&Applications,2013,30(12):1630-1640.(in Chinese)

[13] 馬曉軍,曾慶含,魏曙光.電傳動履帶車輛轉向行駛控制策略仿真研究[J].裝甲兵工程學院學報,2012,26(6):1-7.

MA Xiao-jun,ZENG Qing-han,WEIShu-guang.Simulation research of steering control strategy for electric drive tracked vehicle [J].Journal of Academy of Armored Force Engineering,2012, 26(6):1-7.(in Chinese)

[14] 陳樹勇,孫逢春.電傳動履帶車輛驅動系統建模與轉向特性研究[J].系統仿真學報,2006,18(10):2815-2818.

CHEN Shu-yong,SUN Feng-chun.Study on modeling and turning performances for electric drive tracked vehicle propulsion system[J].Journal of System Simulation,2006,18(10):2815-2818.(in Chinese)

Electric Differential Control of Electric Drive Tracked Vehicle w ith Linear Active Disturbance Rejection Control

MA Xiao-jun1,2,ZENG Qing-han1,2,YUAN Dong1,2,LIU Chun-guang1,2,WEIShu-guang1,2
(1.Laboratory of All-electrization Technology for Ground Combat Platform,Academy of Armored Force Engineering,Bejing 100072,China;
2.Department of Control Engineering,Academy of Armored Force Engineering,Bejing 100072,China)

The driving cycle of tracked vehicle is so complex,and the drivemotor with wide speed range runs under nonlinear,uncertain and strong coupling load.How to control themotor speed to improve the stability of steering has become a research hot point.An electric differential control strategy is put forward.And the LADRC control algorithm is used in speed control of PMSM system,and LESO is used to estimate and compensate the unknown disturbance,thus rejecting the disturbance and improving the dynamic performance of system.The collaborativemodel of Matlab and RecurDyn softwares and test bench are built.The simulation and experimental results show that the speed control strategy with LADRC can be used to achieve rapid response without overshoot,strong disturbance rejection and good parameter adaptability,which improve the vehicle stability.

ordnance science and technology;tracked vehicle;electric drive;LADRC;electric differential

TJ81

A

1000-1093(2014)12-1944-07

10.3969/j.issn.1000-1093.2014.12.002

2014-03-03

國防科技創新項目(12050005)

馬曉軍(1963—),男,教授,博士生導師。E-mail:maxiaojun_zgy@163.com;

曾慶含(1988—),男,博士研究生。