電傳動(dòng)履帶車輛功率調(diào)節(jié)直線行駛控制仿真

劉春光，楊國(guó)軍，郭志伸，曾慶含

(1.裝甲兵工程學(xué)院　a.全電化技術(shù)實(shí)驗(yàn)室; b.控制工程系，北京　100072;2.內(nèi)蒙古第一機(jī)械集團(tuán)有限公司，內(nèi)蒙古 包頭　014032)

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電傳動(dòng)履帶車輛功率調(diào)節(jié)直線行駛控制仿真

劉春光1a,1b，楊國(guó)軍2，郭志伸2，曾慶含1a

(1.裝甲兵工程學(xué)院a.全電化技術(shù)實(shí)驗(yàn)室; b.控制工程系，北京100072;2.內(nèi)蒙古第一機(jī)械集團(tuán)有限公司，內(nèi)蒙古 包頭014032)

摘要：雙側(cè)電驅(qū)動(dòng)履帶車輛執(zhí)行機(jī)構(gòu)為驅(qū)動(dòng)電機(jī)，兩側(cè)動(dòng)力獨(dú)立輸出，控制靈活；為達(dá)到與傳統(tǒng)機(jī)械車輛相同的駕駛感覺，設(shè)計(jì)了基于功率調(diào)節(jié)的直線行駛控制策略;為解決直線行駛兩側(cè)電機(jī)同步控制問題，研究了基于模糊規(guī)則的轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償方法；基于Matlab和Recurdyn軟件進(jìn)行了直駛和轉(zhuǎn)向工況仿真實(shí)驗(yàn)，表明所設(shè)計(jì)的控制策略能夠提高車輛直線行駛的穩(wěn)定性。

關(guān)鍵詞：電傳動(dòng)；履帶車輛；直線行駛；控制策略；聯(lián)合仿真

軍用電傳動(dòng)履帶車輛行駛環(huán)境惡劣，運(yùn)行工況復(fù)雜，路面負(fù)載具有很強(qiáng)的非線性和不確定性，常常導(dǎo)致兩側(cè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)負(fù)載的不均衡以及劇烈變化。與普通機(jī)械車輛相比，雙側(cè)獨(dú)立式電傳動(dòng)履帶車輛靈活實(shí)現(xiàn)了兩側(cè)主動(dòng)輪不同的動(dòng)力輸出，但由于兩側(cè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)之間沒有機(jī)械連接和約束[1]，因此將面臨兩側(cè)主動(dòng)輪速度差難以保持的問題。如何通過行駛控制合理地對(duì)兩側(cè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)力分配，保證車輛直線行駛的穩(wěn)定性，以滿足不同工況下的行駛要求，提高車輛復(fù)雜路面的機(jī)動(dòng)性、適應(yīng)性以及操控性，成為電傳動(dòng)裝甲車輛研究的重點(diǎn)。由于路面參數(shù)變化大，速度范圍寬，采用固定參數(shù)PI控制補(bǔ)償難以滿足全工況直駛穩(wěn)定性要求。要實(shí)現(xiàn)較寬速度范圍內(nèi)均能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)速度差的合理補(bǔ)償，解決偏駛問題，可以借助模糊智能算法進(jìn)行補(bǔ)償控制器設(shè)計(jì)。

本文結(jié)合國(guó)內(nèi)相關(guān)研究成果[1-2]，提出一種功率調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償?shù)闹本€行駛模糊控制策略，進(jìn)行兩側(cè)動(dòng)力調(diào)整，以實(shí)現(xiàn)車輛的穩(wěn)定直駛。最后采用控制系統(tǒng)軟件Matlab，結(jié)合能夠精確模擬電機(jī)負(fù)載動(dòng)態(tài)變化特性的動(dòng)力學(xué)仿真軟件RecurDyn，對(duì)控制策略進(jìn)行了聯(lián)合仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

1轉(zhuǎn)向行駛控制策略

1.1控制策略需求分析

傳統(tǒng)機(jī)械傳動(dòng)履帶車輛直線行駛時(shí)，由于存在機(jī)械約束，直駛穩(wěn)定性問題并不突出。比如單流傳動(dòng)履帶車輛兩側(cè)主動(dòng)輪間存在機(jī)械剛性連接，兩側(cè)主動(dòng)輪速度任意時(shí)刻都相等，雙流傳動(dòng)履帶車輛轉(zhuǎn)向功率流通過零軸能自動(dòng)平衡兩側(cè)主動(dòng)輪速差[1]。對(duì)于電傳動(dòng)履帶車輛而言，雙側(cè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)相互獨(dú)立，沒有機(jī)械連接和約束，帶來(lái)動(dòng)力輸出靈活的優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)，由于取消了轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)以及轉(zhuǎn)向離合器和制動(dòng)器，主動(dòng)輪沒有任何機(jī)械連接和約束，面臨兩側(cè)主動(dòng)輪速度難以穩(wěn)定保持同步的問題。

履帶車輛行駛過程中，一方面兩側(cè)履帶所受路面負(fù)載存在差異，另一方面實(shí)際當(dāng)中電機(jī)特性不能完全達(dá)到設(shè)計(jì)要求，電機(jī)本身輸出轉(zhuǎn)矩存在不確定誤差，造成電機(jī)動(dòng)力輸出與期望值存在差異[3]，若不對(duì)兩側(cè)轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制，車輛直線行駛穩(wěn)定性大大降低，降低車輛的操控性。尤其是當(dāng)單側(cè)電機(jī)故障時(shí)，故障電機(jī)處于自由旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，完好側(cè)電機(jī)仍然處于驅(qū)動(dòng)狀態(tài)，兩側(cè)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩出現(xiàn)較大偏差，高速行駛時(shí)引起車體行駛姿態(tài)變化，極其容易導(dǎo)致車輛沖出跑道，甚至出現(xiàn)急轉(zhuǎn)彎、甩尾等極端情況，釀成事故。因此，制定相應(yīng)的控制策略對(duì)兩側(cè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)力實(shí)施有效的動(dòng)力學(xué)控制，以保證車輛直線行駛的穩(wěn)定性，對(duì)于提高車輛的操控性、安全性等具有重要意義。

1.2控制策略總體結(jié)構(gòu)

圖1　功率調(diào)節(jié)控制結(jié)構(gòu)框圖

車輛直駛跑偏問題主要由在兩側(cè)路面阻力系數(shù)相差較大的對(duì)開路面條件下兩側(cè)電機(jī)負(fù)載出現(xiàn)差異以及電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩與期望值出現(xiàn)偏差，導(dǎo)致電機(jī)轉(zhuǎn)速不同步引起的，為保證直駛穩(wěn)定性，整車綜合控制器必須能夠根據(jù)電機(jī)狀態(tài)變化不斷調(diào)整電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩[4-5]，保證兩側(cè)轉(zhuǎn)速盡量一致。本文采用取左、右側(cè)主動(dòng)輪的速度差值直接對(duì)兩側(cè)輸出轉(zhuǎn)矩進(jìn)行補(bǔ)償?shù)目刂撇呗越鉀Q直駛穩(wěn)定性問題，提高車輛的直駛穩(wěn)定性能，控制結(jié)構(gòu)框如圖2所示。

1.3模糊調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)

圖2　直駛穩(wěn)定性控制框圖

圖3　轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償模糊控制器輸入、輸出模糊子集分布圖

“如果E為PB和EC為ZE，則U為PB”

“如果E為ZE和EC為NB，則U為NB”

……

2基于Matlab與RecurDyn的聯(lián)合仿真模型

電傳動(dòng)履帶車輛具有復(fù)雜的多變量、非線性特征，是包括機(jī)械、控制、電子等多個(gè)不同學(xué)科領(lǐng)域子系統(tǒng)的綜合體，為驗(yàn)證轉(zhuǎn)向行駛控制策略的有效性，本文將基于Matlab的駕駛員操控系統(tǒng)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)以及行駛控制系統(tǒng)模型有機(jī)地和基于多體動(dòng)力學(xué)仿真軟件RecurDyn的車輛動(dòng)力學(xué)模型結(jié)合起來(lái)，實(shí)現(xiàn)機(jī)械、電氣、控制系統(tǒng)的一體化聯(lián)合仿真[6]，聯(lián)合仿真模型結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4　聯(lián)合仿真模型結(jié)構(gòu)

2.1電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、行駛控制系統(tǒng)模型

電機(jī)輸出性能(轉(zhuǎn)矩、功率)是電機(jī)及其控制器的綜合性能，建模時(shí)將它們視為一個(gè)整體考慮，不再考慮其內(nèi)部復(fù)雜的電磁動(dòng)態(tài)作用過程，而將重點(diǎn)放在輸入輸出特性上，直接利用Ansoft設(shè)計(jì)所得的穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速-最大轉(zhuǎn)矩?cái)?shù)據(jù)，生成外特性曲線，再加入一階慣性環(huán)節(jié)進(jìn)行動(dòng)態(tài)修正，如圖5所示。

圖5　基于外特性曲線的電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)仿真模型

根據(jù)行駛控制策略，行駛控制器通過對(duì)駕駛員操控信號(hào)的解析，結(jié)合反饋的電機(jī)功率、轉(zhuǎn)速信號(hào)，制定兩側(cè)電機(jī)的期望轉(zhuǎn)矩，實(shí)現(xiàn)對(duì)兩側(cè)動(dòng)力調(diào)節(jié)。以右側(cè)行駛控制系統(tǒng)為例，其模型如圖6所示。

圖6　右側(cè)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)行駛控制模型

2.2車輛動(dòng)力學(xué)模型

動(dòng)力學(xué)模型包含車體、炮塔、行動(dòng)裝置三部分，首先根據(jù)實(shí)車原始設(shè)計(jì)尺寸建立了車輛三維實(shí)體模型；而后利用RecurDyn 的TrackHM模塊中建立了車輛行動(dòng)裝置模型，采用主動(dòng)輪前置、雙銷式履帶、雙輪緣負(fù)重輪結(jié)構(gòu)，采用扭桿式獨(dú)立懸掛，整車共有1 024個(gè)自由度、38個(gè)約束[7]，如圖7所示。

圖7　履帶式步戰(zhàn)車動(dòng)力學(xué)仿真模型

3直線行駛聯(lián)合仿真實(shí)驗(yàn)

為了驗(yàn)證所研究的行駛控制策略能否滿足車輛直線行駛穩(wěn)定性的控制目標(biāo)，選取對(duì)開路面、單側(cè)電機(jī)故障兩種行駛工況，展開聯(lián)合仿真實(shí)驗(yàn)。

3.1對(duì)開路面直線行駛穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)

圖8為對(duì)開路面條件下直線行駛特性曲線，1 s開始油門踏板踩到50%，車輛由靜止?fàn)顟B(tài)開始加速，4 s時(shí)車輛右側(cè)路面阻力系數(shù)大大增加，6 s時(shí)兩側(cè)路面條件變?yōu)橐恢隆?/p>

曲線圖8(a)、圖8(b)、圖8(c)、圖8(d)、圖8(e)、圖8(f)分別為引入轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償控制前后的電機(jī)轉(zhuǎn)速、輸出功率曲線、橫向偏移曲線。對(duì)比分析可見未作補(bǔ)償前，對(duì)開路面行駛時(shí)兩側(cè)電機(jī)出現(xiàn)較大的速度差，車體直駛穩(wěn)定性較差；引入轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償控制后，對(duì)開路面行駛時(shí)左側(cè)電機(jī)輸出功率降低，右側(cè)電機(jī)輸出功率增大，左側(cè)電機(jī)功率降低，使兩側(cè)電機(jī)轉(zhuǎn)速差大大減小，橫向偏移量減少5 m以上，直線行駛穩(wěn)定性大大提高。其中4～5 s主要是因?yàn)橛覀?cè)阻力突然增大，單純靠外側(cè)增加功率難以實(shí)現(xiàn)較小轉(zhuǎn)速差，因此還需要左側(cè)輸出功率迅速下降，使左側(cè)速度下降。

3.2單側(cè)電機(jī)故障時(shí)的高速直線行駛實(shí)驗(yàn)

圖9為高速直線行駛單側(cè)電機(jī)故障情況下特性曲線，1 s時(shí)油門踏板踩到底，車輛由靜止?fàn)顟B(tài)開始加速；35 s時(shí)車輛加速到60 km/h左右，直駛距離480 m，直駛偏移0.5～0.7 m，在一般標(biāo)準(zhǔn)5‰以內(nèi)，此時(shí)左側(cè)電機(jī)故障輸出零轉(zhuǎn)矩，左側(cè)轉(zhuǎn)速降低車輛發(fā)生較大偏駛；45 s時(shí)偏駛位移為8 m左右，車體偏轉(zhuǎn)5°，如曲線圖9(a)、圖9(b)中虛線所示。

加入速度偏差補(bǔ)償控制后特性曲線如圖9(a)、圖9(b)中實(shí)線所示，對(duì)比分析可知同等情況下，45 s時(shí)偏駛位移為4 m 左右，車體偏轉(zhuǎn)2.5°，均減少了50%，保證駕駛員有足夠時(shí)間對(duì)車輛狀態(tài)進(jìn)行調(diào)整，控制策略能夠達(dá)到單側(cè)電機(jī)故障時(shí)的保護(hù)效果。

圖8　對(duì)開路面直線行駛仿真曲線

圖9　單側(cè)電機(jī)故障仿真曲線

4結(jié)論

本文提出了一種功率調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償?shù)闹本€行駛控制策略，并設(shè)計(jì)了基于模糊控制的轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償控制算法，通過檢測(cè)兩側(cè)電機(jī)轉(zhuǎn)速差值不斷調(diào)整電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩，保證兩側(cè)轉(zhuǎn)速盡量一致。采用基于Matlab和RecurDyn的電傳動(dòng)履帶車輛聯(lián)合仿真模型，進(jìn)行了對(duì)開路面和單側(cè)電機(jī)故障兩種工況的仿真實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明：該控制策略能夠有效調(diào)節(jié)兩側(cè)電機(jī)動(dòng)力輸出，提高車輛直線行駛的穩(wěn)定性，克服單純功率調(diào)節(jié)時(shí)直線行駛跑偏的問題，為實(shí)車綜合控制器研制奠定了基礎(chǔ)。

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(責(zé)任編輯周江川)

本文引用格式：劉春光，楊國(guó)軍，郭志伸，等.電傳動(dòng)履帶車輛功率調(diào)節(jié)直線行駛控制仿真[J].兵器裝備工程學(xué)報(bào)，2016(4):24-28.

Citation format:LIU Chun-guang, YANG Guo-jun, GUO Zhi-Sheng, et al.Simulation Research of Power Regulation and Torque Compensating Straight Driving Control Strategy for Electric Drive Tracked Vehicle[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2016(4):24-28.

Simulation Research of Power Regulation and Torque Compensating Straight Driving Control Strategy for Electric Drive Tracked Vehicle

LIU Chun-guang1a, 1b, YANG Guo-jun2, GUO Zhi-Sheng2, ZENG Qing-han1a

(1.a.Laboratory of All-Electrization Technology; b.Department of Control Engineering,Academy of Armored Force Engineering, Bejing 100072, China;2.Inner Mongolia First Machinery Group Co., Ltd., Baotou 014032, China)

Abstract:The dual-motor electric drive tracked vehicle takes the driving motor as the dynamic part. It has a flexible control with dual dynamic independent output. In order to fit the electric drive vehicle in traditional mechanic vehicle, a straight driving control strategy based on power adjustment was established. And a torque compensation strategy based on fuzzy regular was established to solve the problem of synchronizing control of dual motor. A straight driving and steering experiment was simulated in Matlab and Recurdyn. The conclusion shows that the designed control strategy can prove the stability of straight driving vehicle.

Key words:electric drive; tracked vehicle; straight driving; control strategy; collaborative simulation

文章編號(hào)：1006-0707(2016)04-0024-05

中圖分類號(hào)：TJ81

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

doi:10.11809/scbgxb2016.04.007

作者簡(jiǎn)介：劉春光(1980—)，男，講師，主要從事電傳動(dòng)車輛設(shè)計(jì)技術(shù)、行駛控制技術(shù)研究。

收稿日期：2015-10-25；修回日期：2015-11-29

【裝備理論與裝備技術(shù)】