多輪電驅動平地機驅動電機轉矩控制系統分析

王雙嶺，陳會鴿

(1.中原工學院，鄭州 451191；2.黃河科技學院，鄭州 450001)

多輪電驅動平地機驅動電機轉矩控制系統分析

王雙嶺1，陳會鴿2

(1.中原工學院，鄭州 451191；2.黃河科技學院，鄭州 450001)

柴油發電機組提供電源、永磁無刷直流電機獨立驅動是目前電動輪車輛采用的結構形式，為了更好地實現整車低速度大扭矩高效運輸，制定合理高效驅動電機控制系統顯得尤為重要。根據永磁無刷直流電機的結構特點和性能特征，針對牽引電機的不同驅動轉矩分配控制進行研究，并搭建系統的數學模型。在ADAMS/View中搭建簡化的電動輪多電機驅動六輪平地機虛擬樣機模型，并在 Simulink 中搭建簡化的轉矩控制系統模型，基于以上模型建立整車和控制系統聯合仿真分析模型，對不同轉矩控制方案在車輛運行中的控制特點進行對比分析。搭建地面臺架模擬試驗測試系統，對開環控制下，轉向過程中，內、外側輪轉速和轉矩的變化趨勢及其對車輛轉向特性的影響進行分析；采用不同的控制方案對前輪轉向過程進行分析，以等狀態轉矩控制車輛復合轉向，對比分析各種控制方法的轉向控制特性和自適應差速效果，試驗分析結果驗證控制系統和模型仿真的準確性與可靠性，為此類車輛設計研究提供參考。

多輪電驅動；平地機；轉矩控制；永磁無刷直流電機；驅動系統

0 引 言

電傳動車輛牽引轉矩控制系統是整車控制的核心。對于交-直-交電傳動結構的多輪獨立驅動車輛而言，牽引轉矩控制系統通過對各輪牽引電動機進行單獨控制以實現柴電機組動力源負載功率控制，能夠充分吸收柴油發電機組輸出的功率并轉變為輸出轉矩和轉速，因此，選擇合適的控制方法對整車的驅動性能產生很大影響[1]。車輛電傳動技術具有廣泛的應用前景，對比國內外的發展現狀可知，國外已處于應用階段，國內還處于試制階段，因此，實現對直流電機轉矩控制系統的國產化設計，是實現此類車輛完全國產化應用必須解決的問題。

在相關電動汽車控制領域，國外的專家學者對電機驅動控制研究取得了一定的成果：文獻[2]研究了適用于多輪獨立驅動車輛的動力學分層集成控制方法，上層采用非線性滑模控制器得到整車縱向力、側向力和橫擺力矩；文獻[3]研究了一種四輪驅動力的協調控制方法，控制目標是增強車輛穩定性并降低能量消耗；文獻[4]針對四輪獨立驅動車輛提出了神經網絡PID電子差速轉速轉矩綜合控制策略，協調分配四輪轂電機的轉矩，實現車輛轉向的電子差速控制；文獻[5]基于滑模控制理論的驅動防滑控制器應用到極限工況和不同道路條件下的仿真分析中，控制提高了車輛的操縱穩定性；文獻[6]以驅動電機轉矩響應誤差為出發點，提出了整車轉矩協調控制方法，改善了車輛直線跑偏情況。

本文基于六輪驅動電傳動平地機牽引電機驅動系統設計，該機采用柴油發電機組供電、永磁無刷直流電機獨立驅動，對電機轉矩控制進行分析，分析了牽引電機的不同驅動轉矩分配方法。根據永磁無刷直流電機的結構特點和性能特征，建立其數學模型；在ADAMS/View中建立簡化的六輪平地機虛擬樣機模型；在Simulink 中建立簡化的轉矩控制系統模型，并將以上模型聯立搭建聯合仿真模型。分析不同的轉矩控制法在車輛運行中的控制特點。搭建臺架模擬試驗系統，分析了開環控制時轉向過程內、外側輪轉速和轉矩的變化趨勢及其對車輛轉向特性的影響。

1 牽引電機轉矩控制系統

電傳動車輛牽引轉矩控制系統是整車控制的核心。獨立電驅動結構的車輛在恒轉矩和恒功率控制模式下，各輪驅動轉矩可以自由分配，這也是傳統機械傳動所不具有的優勢[7]。基于轉矩分配的控制策略主要有：

1)等轉矩分配

在恒轉矩控制和恒功率控制模式下，等值分配各輪的驅動轉矩，能達到傳統機械傳動方式的轉矩分配效果[8]。多用于車輛起步或壞路面控制，提高車輛通過性指標，各輪電機輸出轉矩按式(1)分配。

(1)

式中：Ti為各輪電機的輸出轉矩；Ttar∑為整車總驅動轉矩；N為車輪個數；Iw為輪邊減速比。

2)等功率分配

等值分配各輪電動機的牽引功率。各車輪牽引電動機轉矩分配滿足式(2)約束條件：

(2)

式中：Pd為電機驅動系統目標驅動功率；Pi為第i輪牽引電機的驅動功率，i=1，2,3，…，N；ηmi為各輪電機驅動系統的工作效率。

3)等狀態分配

對于六輪平地機，其擺動式前橋和后橋平衡箱式設計均無懸架結構，本文采用滿足工程控制要求的等狀態分配控制進行分析。等狀態分配方法為動力型控制，可有效提高附著力利用率以及車輛爬坡、急加速作業能力[9]。當鉸接轉向油缸鎖止時，平地機的前后車架視為剛性聯接，可將前后車體的兩個質心簡化為整車一個質心處理，平地機整車受力如圖 1所示。因后橋的平衡箱結構，使后四輪(b，c，d和e輪)均衡承載，a，f輪為前輪。

圖1 平地機整車受力圖

(3)

(4)

式中：m為整車質量；Nq、Nr為前、后橋載荷；Lc為整車質心與鉸接點的間距；Ld為鉸接點與后軸的間距；L為前、后軸距。

各輪電機的輸出轉矩按式(5)分配：

(5)

式中：kts為前橋橋荷系數；Tf，Tr為前、后橋車輪電機轉矩。

2 基于轉矩分配控制聯合仿真模型

2.1 永磁無刷直流電動機模型

此電機由機體本體、換向電路及轉子位置傳感器等三部分組成。通過轉子位置傳感器檢測轉子的磁極位置[10]。電子換相電路根據位置傳感器的輸出信號控制功率開關器件的驅動信號，電機的電樞繞組根據給定的導通順序通電， 產生持續旋轉的磁動勢，永磁無刷直流電機控制系統圖如圖2所示。

圖2 永磁無刷直流電機控制系統圖

此處所用無刷直流電動機的三相繞組為 Y 型連接，為合理的簡化分析和方便計算，可獲得如下定子繞組的電壓平衡方程：

(6)

式中：p為微分算子，p=d/dt；uA，uB，uC為三相繞組的相電壓；Rs為定子繞組的電阻；iA，iB，iC為定子的相電流；eA，eB，eC為三相繞組的感應電動勢；LA，LB，LC為定子各相繞組的自感；LAB，LBA，LAC，LCA，LBC，LCB為每兩相繞組之間的互感。

由于電機的結構對稱，自感和互感可認為是與轉子位置無關的常值，設每相繞組的自感為LS，相間互感為M，可知：

(7)

由于星型連接無中線，故有：

(8)

則，式(6)轉化為：

(9)

(10)

當AB兩相導通時，電壓uAB等于直流電源電壓U，則：

(11)

當AB相導通時，有iA=-iB=ia，故：

(12)

式中：e為感應電壓差，e=ea-eb。

當電機穩態時，則：

U=2Rsia+e

(13)

由反電動勢特性和電樞電流-電磁轉矩特性可得， 反電動勢Te與轉速n成正比，電磁轉矩Te與相電流ia成正比。

(14)

式中：Te為電磁轉矩；Ce為電動勢常數；Cm為轉矩常數。式(14)組成了永磁無刷直流電機的數學模型。

2.2 整車虛擬樣機模型

在ADAMS中建立簡化的15自由度六輪平地機模型。其中，鏟刀牽引架與前機架前端通過固定副聯接，忽略其轉動和擺動功能。前輪轉向節與前橋通過旋轉副聯接；前機架和前橋橫梁通過旋轉副聯接實現擺動[11]。前、后機架以旋轉副聯接，前、后機架通過添加Motion以鉸接點為中心整體轉向，用以模擬液壓轉向功能；擺動梁與后橋以旋轉副聯接。根據平地機的結構特點，前、后橋均未使用任何彈性元件，采取剛性連接方式，不計元件變形以及各運動副內摩擦力，整車模型如圖3所示。

圖3 平地機模型

整車主要參數如表1所示。

表1 平地機整車參數

2.3 聯合仿真模型

主控制器轉矩分配控制模型如圖4(a)所示，整車恒轉矩控制和恒功控制采用名為PCS的S函數實現，輸入參量為加速踏板信號ACC_pedal、反饋功率Pz_fb、車速Car_speed和各電機轉速n_motor，函數輸出各電機的目標電流指令。

基于Simulink的整車及驅動控制系統聯合仿真分析模型如圖4(b)所示，在車輛行駛過程中，駕駛員的操控信息轉換為動力源與執行單元電機的驅動控制信號，電機模型與整車模型通過路邊減速系統實現轉矩和轉速的控制與反饋，將行車參數實時反饋至整車控制系統模型[12]。

(a)主控制器轉矩分配控制模型

(b)Simulink 聯合仿真模型

3 不同工況控制分析

3.1 縱向行駛控制

以六輪平地機為原型，利用搭建的聯合仿真平臺對多輪獨立電驅動車輛進行縱向行駛仿真研究。主要考察車輛在良好水平路面、車輪半徑不相等和不平路面工況下，采用不同轉矩分配方法直線行駛的運行特性[13]。

(1) 水平路面直線行駛分析

車輛在最高附著系數為0.8的良好路面直線行駛。仿真時，駕駛員加速踏板從零階躍給定至40%，直行過程只采用等轉矩和等狀態兩種控制方式按照給定的轉矩上升斜率進行控制仿真。車輛在水平路面縱向行駛兩側輪狀態相近，因此取一側車輪狀態參數進行分析[14]。由圖5的電動機轉矩曲線可知，牽引電機驅動系統實現了不同分配方式的轉矩控制，圖5(a)為等狀態控制，圖5(b)為等轉矩控制。

圖5 牽引電機轉矩曲線

圖6 車輪滑轉率曲線

由圖5和圖6的仿真結果可知，電動機驅動系統采用等轉矩和等狀態兩種控制方式都能保證車輛直線行駛時具有良好的驅動性能，等狀態控制比等轉矩控制的效果更好。

(2) 車輪滾動半徑不同的直線行駛分析

假設車輛右側d，e，f輪由于胎壓下降導致滾動半徑比額定胎壓時減小60 mm，其它車輪滾動半徑為額定值980 mm。整車在良好附著路面上以等狀態控制直線行駛，分析結果如圖7所示。

圖7 車輪半徑不等行駛曲線

從圖 7可以看出，車輪滾動半徑的減小會導致行駛阻力增大，在給定目標功率條件下的最高車速有所下降。同時，滾動半徑小的車輪轉速要大于滾動半徑大的車輪轉速。由車輪滑轉率曲線可知，雖然滾動半徑小的車輪滑轉率增大，但在加速過程中沒有出現過度滑轉的情況。在勻速行駛階段，由于兩側驅動電機輸出轉矩相等，但地面給左右輪的驅動力不等，因此導致兩側輪的滑轉率有所不同。

車輪滾動半徑不同的仿真證明采用轉矩控制能夠使車輛實現自適應差速。由車輛側向位移曲線可知，當兩側驅動輪半徑不相等時，驅動輪的運動狀態主要由滾動半徑和滾動阻力來決定。當半徑差異和滾動阻力差別不大時，只要駕駛員進行輕微的轉向修正就可以實現直線行駛，出現的跑偏量很小。

(3) 路面不平工況分析

車輛以等狀態控制先加速至3 km/h，當左前輪剛駛上障礙時，轉速比右前輪低略低；跨越障礙過程中車速降低，左前輪比右前輪的轉速下降得少，兩側形成轉速差。

圖8 單邊障礙路面行駛的兩側輪速比曲線

前輪和后橋后輪的右側與左側車輪轉速比曲線如圖8所示，在此期間后橋車輪轉速有微小波動。在擺動橋兩輪相繼跨越障礙過程中，左后輪轉速高于右后輪。整個行駛過程各輪都沒有出現過度滑轉，仿真表明采用轉矩控制較好地實現了車輛行駛于不平路面的自適應差速。

我靜悄悄地把信帶回家。動過剖腹產手術的內人和搖籃里的兒子都在沉睡。我默默地看著他們，心里說：同志們，買煉乳的錢不愁了。

3.2 轉向行駛控制

首先進行前輪轉向控制仿真，將車輛加速到7.8 km/h后勻速行駛，在第13 s時輸入一個隨時間變化的轉角左轉，到第14 s時達到0.17 rad，分析結果如圖9所示。

(a)等轉矩控制

(b)等狀態控制

(c)等功率控制

圖9 不同控制轉向曲線

圖 9(a)和圖9(b)分別為采用等轉矩和等狀態控制時后橋電動機轉速、轉矩曲線。由動態轉矩曲線可知，電機轉矩從第13.0～13.2s內由于轉向機構作用呈增減發散趨勢，通過控制系統調節使得各電機在0.3 s內恢復轉矩均衡狀態。其中，圖9(b)添加了兩前橋電機的轉矩曲線a和f，后橋電機轉矩比前橋電機電流的變化幅度小，兩種方法均較好地實現了外側輪轉速大于內側輪的自適應差速。圖9(c)為等功率控制時后橋電動機轉速、轉矩曲線。由于等功率控制時母線功率等比例分配給各輪電機，導致外側輪轉速增大而轉矩減小，內側輪則相反。等功率控制與開環控制類似，其差速效果優于開環控制，但不如等轉矩和等狀態控制。

4 轉向工作特性試驗分析

為研究電動輪轉向工作特性，搭建了地面臺架模擬試驗系統，如圖10(a)所示。

實驗臺由一臺變頻電動機模擬柴油發動機驅動交流同步發電機發電，產生的交流電經三相不控整流器輸出直流電，2臺4 kW永磁同步直流電動機與電渦流加載器相連，二者之間通過T系列減速機連接，采用直流母線控制實現對兩臺電機逆變器的控制。試驗臺將電機的輸出轉矩作為調控目標，車輛的轉向則通過調節電壓來實現[15]。

測試時，調節兩臺電動機的初始工作電壓相等，電渦流加載器以恒定電流提供負載轉矩TL。此時兩臺電動機的轉速和轉矩大致相等，模擬直行工況下兩側牽引電動機的工作狀態[16-17]。安裝有NJ扭矩測量儀的電機為M1(模擬外側輪電動機)，保持M1的工作電壓不變，升高M2工作電壓(模擬轉向時外側車輪轉速升高工況)，試驗原理如圖10(b)所示。

(a) 實驗臺

(b) 電動機機械特性曲線

圖10(b)中，電壓為U1時， M1和M2機械特性曲線為Line1，當電壓升至U2時，Line1變成Line2。由于M1和M2同軸，則M1轉速被拖至nB，而轉矩減至TB，穩定于點B；M2此時在B1點，轉矩增至Ta。試驗反映了轉向時內、外側輪電動機的轉矩和轉速的變化趨勢：內側輪轉速降低，轉矩增大；而外側則相反。為試驗結果數據如表2所示。

表2 電動機M1和電動機M2試驗測試結果

試驗結果表明：開環控制時外側輪轉速被拖高時輸出轉矩減小，內側輪轉速下降時轉矩增大。當轉向角度(模擬工作電壓差)較大時，外側輪電動機會被反拖產生制動轉矩，反饋通過直流母線影響其他電機，負荷越大越難出現拖轉發電工況。這種趨勢將增大內側輪的滑轉率，加劇車輪的磨損，還可能導致短時過載。而且外側輪轉矩的減小將不利于轉速的提高，影響轉向特性。

圖11為模擬大角度轉向時內、外側輪電動機轉矩-電流曲線。a點和c點分別為內、外輪轉向前的穩態點，此時可知：Ta=Tc=10 N·m，Ia=Ic=4.1 A。實現轉向后，可知U2增大，而M1的輸出轉矩隨轉速升高而減小，而與之對應的轉矩由正轉負則表明電機被反拖進入發電狀態，而輸出制動轉矩。其電流呈先減小后增大的趨勢，轉矩穩態點由c移至d點；內側輪M2轉矩則持續增大，由于實際開環控制時其電壓也為U1，轉速將沿著機械特性曲線下降，轉矩穩態點由a移至b點。當升高外側輪電機M1電壓達到轉矩均衡后，兩電機電流(轉矩)恢復至均衡位置(即a、c點)，實際工況下內、外輪在轉向機構作用下出現速差。

圖11 電動機轉矩-電流曲線

5 結 語

基于轉矩控制對永磁無刷直流電機驅動系統進行分析，對等轉矩分配、等功率分配、等狀態分配等牽引轉矩控制策略進行對比分析，建立永磁式無刷電機的數學模型，搭建了15 自由度電驅動六輪平地機模型，基于以上模型搭建聯合仿真平臺，對多輪電機獨立驅動車輛牽引電機控制系統進行分析。搭建地面臺架模擬試驗系統，研究了同軸牽引電動機的轉向工作特性。分析了開環控制時轉向過程內、外側輪轉速和轉矩的變化趨勢及其對車輛轉向特性的影響。同時，采用不同控制方法進行前輪轉向，復合轉向等，對比分析了各種控制方法的轉向控制特性和自適應差速效果。

分析結果可知：在水平良好路面縱向行駛時，等狀態控制能將各輪滑轉率控制在較低水平，有效提高了附著力的利用率；當車輪滾動半徑有差異時，滾動半徑較小的車輪驅動力更大，轉速比滾動半徑大的車輪高；當車輛在不平路面行駛時，兩側車輪形成轉速差，兩種工況均通過等狀態轉矩控制實現了自適應差速。

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Torque Control System Analysis of Drive DC Motors in Multi-Wheel Electric Drive Grader

WANGShuang-ling1,CHENHui-ge2

(1.Zhongyuan University of Technology,Zhengzhou 451191,China;2.Huanghe Science and Technology College,Zhengzhou 450001,China)

The diesel generators to provide power and permanent magnet brushless DC motor independent drive is currently used in the structure of electric drive wheel vehicle. In order to achieve low speed and high torque in transport, the formulated reasonable and efficient driving motor control system is particularly important. According to the structural characteristics and performance characteristics of permanent magnet brushless DC motor, to the different driving torque distribution of traction motor control research, the mathematical model of the system was built. The virtual prototype model of the simplified electric wheel motor was built based on ADAMS/View, and the simplified model of the torque control system was built based on Simulink. Based on the above model, the integrated simulation analysis model of the vehicle and the control system was established. The control characteristics of different torque control method in vehicle operation were analyzed. The ground test bench simulation test system was built to analyze the changing trend of the rotation speed and torque of the steering wheel and the effect on the steering characteristics of the vehicle. The steering process of the front wheel was analyzed by using different control methods. The steering control and adaptive differential effect of various control methods were compared. The accuracy of the control system and the model simulation are verified by the experimental results, which provide reference for the design and research of this kind of vehicle.

multi-wheel electric drive; grader; torque control; permanent magnet brushless DC motors; drive system

2016-05-21

國家自然科學基金項目(61305080)；河南省教育廳自然科學基金項目(2013B610013)

袁駿(1990-)，男，碩士，主要研究方向為多電機控制、參數辨識。

TM33；TM351

A

1004-7018(2016)12-0081-06