電傳動履帶裝甲車輛基本運動性能仿真

廖自力，張 杰，陽貴兵，張曉峰

（裝甲兵工程學院 控制工程系，北京 100072）

1 引言

隨著電力技術的發展，電傳動由于響應速度快和可以實現動力的無級傳遞等優點在履帶裝甲車輛上的應用受到了廣泛的重視[1]。目前在國外，軍用裝甲車輛電傳動的仿真研究非?；钴S，如文獻[2]利用Matlab/Simulink對整車電傳動系統的建模和仿真以及美國軍隊研究實驗室為全電戰斗車輛設計的一種綜合仿真平臺等[2]。在整車動力學的建模和仿真上，各國均采用多體動力學分析軟件對裝甲車輛的動力學進行仿真和研究。而利用虛擬樣機技術可以將多個領域的的模型進行聯合仿真，能夠更好地為原理樣機的研制提供技術支撐，同時可以減小風險投入，提前對系統的性能進行預測和評估，更好地為研發人員改進樣機的設計提供參考[3]。利用Matlab和RecurDyn軟件構建了電傳動履帶裝甲車輛虛擬樣機模型，通過對該模型進行聯合仿真，評估并驗證了電傳動履帶裝甲車輛的基本運動性能。

2 電傳動方案及總體性能指標

表1 樣車的總體參數與性能指標Tab.1 The Overall Parameters and Performance Index of Sample Vehicle

履帶車輛主要應用在復雜路況條件下，因此必須具有良好的運動性能。而采用何種電傳動方案對車輛的運動性能影響很大。目前，應用在履帶車輛中的電傳動系統方案結構主要有以下四種：串聯式雙側電機方案、串聯式雙電機綜合電傳動方案、混聯式混合驅動方案以及整體式混合驅動方案。由于串聯式雙側電機方案具有結構簡單、節省空間、車內布局靈活和系統可靠性高等優點，因此選取串聯式雙側電機方案。按照電傳動履帶裝甲車輛的功能，同時以目前國內外現有的履帶裝甲車輛的性能參數作為依據，根據實際應用情況，設計并提出了樣車的總體參數和性能指標，如表1所示。

3 虛擬樣機建模

虛擬樣機建模主要包括：電機控制系統建模、車輛動力學建模和聯合仿真建模。

3.1 電機控制系統建模

直流無刷電機具有良好的調速能力、啟動轉矩大以及控制方便等優點。因此，在車輛的電驅動系統中電機選擇無刷直流電機[4]。電機的性能參數選擇，如表2所示。

表2 電機的性能參數Tab.2 The Performance Parameters of Motor

3.1 .1電機建模

直流無刷電機的數學模型為：

（1）電壓方程

式中：ua、ub、uc—三相定子電壓；R—定子每相繞組的電阻；ia、ib、ic—三相定子電流；L—三相定子的自感；M—三相定子之間的互感；ea、eb、ec—三相定子的反電動勢。

（2）轉矩的特性方程：

式中：Te—電磁轉矩；ω—電機的機械角速度。

（3）電機運動方程

式中：TL—電機加載的轉矩；J—轉動慣量；Bv—黏滯摩擦系數。

式（1）、式（2）和式（3）共同組成了直流無刷電機的數學模型。

3.1 .2直流無刷電機控制系統模型

直流無刷電機在現代社會的各個領域應用都比較廣泛，同時目前在直流無刷電機速度控制系統的研究上也有大量的成果，按照控制方法的不同基本分為開環控制和閉環控制兩大類[4-7]。其中最常用的就是雙閉環速度控制，內環一般是電流環或者轉矩環，外環一般為速度環或者電壓環。

根據直流無刷電機的基本特性和數學模型，設計了其雙閉環控制系統模型，該模型基本框圖，如圖1所示。在系統中外環的速度環和內環的電流環都采用了典型的PID調節器。

圖1 直流無刷電機控制系統基本框圖Fig．1 The Basic Skeleton Diagram of Brushless DC Motor Control System

3.2 車輛動力學建模

利用RecurDyn軟件搭建了樣車的動力學模型，主要由車體、推進部分以及懸掛部分組成。其中車體以某型履帶式裝甲車輛為參考，利用Solidworks軟件建立車輛的3D實體模型，然后導入RecurDyn中進行動力學建模；推進部分由主動輪、負重輪、履帶和履帶調節器等組成；懸掛裝置由減震器、平衡肘和連桿等組成[8]。兩個直流無刷電機通過固定約束連在車體上，主動輪通過旋轉副與電機的輸出軸相連，只要給主動輪上的旋轉副施加力矩就可以驅動車輛運動進行相關的仿真。采用三角片元素法生成路面模型，形成車輛—路面系統[9]。最后建立的樣車動力學模型，如圖2所示。

圖2 履帶裝甲車輛動力學模型Fig．2 The Dynamic Model of Tracked Armored Vehicle

3.3 聯合仿真建模

利用RecurDyn提供的軟件接口技術，可以將上述兩個模型進行聯合，組建初步的虛擬樣機模型來模擬車輛的運動情況[10-11]。聯合仿真的結果，如圖3所示。其中“drive”模塊的輸入分別為兩側電機的功率；模塊“motor_L”和“motor_R”分別為兩側的電機驅動系統；模塊“Gain1”、“Gain2”、“Gain3”和“Gain4”為電機減速器的傳動比；模塊“RecurDyn Plant Block”為車輛的多體動力學模型，將電機的輸出轉矩定義為該模塊的輸入變量，主動輪的角速度定義為輸出變量。

圖3 聯合仿真模型Fig．3 The Co-Simulation Model

4 聯合仿真分析

4.1 （0～32）km/h加速性能仿真

車輛改變速度的能力就是加速性能，能夠很好地體現出車輛的驅動性能。在戰場上，車輛的加速性越好，其作戰能力和生存能力就越強。根據我國裝甲車輛通用規范，主要對樣車（0～32）km/h的加速時間、加速度和加速距離進行仿真。

在附著系數為0．72、行駛阻力系數為0．04的水平良好堅硬路面上，忽略空氣阻力的影響，將加速踏板踩至最大，即給定驅動電機最大功率185kW，仿真結果，如圖4～圖6所示。

圖 5（0～32）km/h加速度曲線Fig．5 The Acceleration Curve of（0～32）km/h

圖4 （0～32）km/h車速曲線Fig．4 The Speed Curve of（0～32）km/h

圖6 （0～32）km/h加速距離曲線Fig．6 The Accelerate Distance Curve of（0～32）km/h

由加速曲線得到車輛加速到32km/h的時間是5s，加速度最大可以達到是4．4m/s2，加速距離是30m。因為在實際中，還需要綜合路面以及驅動效率等情況，車輛（0～32）km/h的加速時間為8s是符合實際的。傳統機械傳動履帶車輛（0～32）km/h的加速時間約為11．5s，相比之下電傳動車輛的加速性能具有明顯的優勢。

在相同的功率條件下，隨著路面滾動阻力系數的增大，車輛（0～32）km/h的加速時間和加速距離相應增加。

4.2 最高車速仿真

對樣車的最高車速進行仿真，可以驗證樣車的最高速度指標和極限速度下行駛的能力。

給定驅動電機最大功率185kW，分別在附著系數為0．72、行駛阻力系數為0．04的堅硬路面和附著系數為0．68、行駛阻力系數為0．07的水平良好堅硬路面良好土路上仿真得到樣車的最高車速，如圖7所示。

圖7 最高車速仿真曲線Fig．7 The Simulated Curve of Maximum Speed

車輛在堅硬路面上的最高車速為70．2km/h，在土路上受到的阻力增大，因此維持車輛平穩高速運行的牽引力也較大，最高車速能夠達到60．8km/h。

4.3 爬32°坡性能仿真

在坡度為32°、坡高為10m、附著系數為0．72且行駛阻力系數為0．04的良好堅硬路面上，給定最大功率為185kW，車輛起動后開始爬坡，仿真結果，如圖8～圖10所示。

圖8 爬坡過程Fig．8 The Process of Climbing

圖9 車輛爬坡過程車速曲線Fig．9 The Speed Curve in Process of Climbing

圖10車輛爬坡過程質心軌跡曲線Fig．10 The Centroid Trajectory Curve in Process of Climbing

由圖9可知，車輛從起動到完全爬上坡頂需要8s的時間，起動階段車輛在平坦路面上行駛，車速逐漸增加；t=0．45s時，履帶剛剛與坡面接觸，阻力突然增大造成車速的波動；（0．45～1．6）s期間，是履帶與坡面從剛剛開始接觸到完全接觸的過渡階段，車輛受到的阻力逐漸增大，由于車輛的牽引力大于地面阻力，所以車速仍然緩慢上升；在（1．6～6）s期間，履帶與坡面完全接觸，車輛開始爬坡，車輛牽引力和地面阻力趨于相等，車輛以11．5km/h的速度勻速爬坡；在（6～7．9）s期間，履帶前端離開坡面到樣車重新落到地面上，因為阻力減小，車速逐漸增加；但是7．9s之后履帶和地面產生劇烈碰撞，懸掛裝置起緩沖作用，造成車速有小幅下降；在車輛恢復平穩之后，在平坦路面上繼續加速行駛。

車輛的質心軌跡，如圖10所示。與坡面的輪廓相似，凸起部分是車輛即將到達坡頂履帶和坡面分離時，由于繼續加速，車輛由上升至落到坡頂地面的過程。

5 結論

通過聯合仿真分析，可以得到以下結論：（1）采用虛擬樣機技術對電傳動履帶裝甲車輛的基本運動性能進行仿真是行之有效的。（2）仿真結果表明，樣車的基本運動性能與提出的性能指標基本一致，為下一步實車的研制提供了技術支撐。

［1］Werner Romhild．Thermal Model Analysis of Diesel-electric Powertrain with Fasimat Based on MatlabSimulink［C］．4th International AECV Conference，2002．

［2］孫逢春，張承寧．裝甲車輛混合動力電傳動技術［M］．北京：國防工業出版社，2008．（Sun Feng-chun，Zhang Cheng-ning．Technologies for the Hybrid Electric Drive System of Armored Vehicle［M］．Beijing：National Defence Industry Press，2008．）

［3］鄭建榮．ADAMS—虛擬樣機技術的入門與提高［M］．北京：機械工業出版社，2001．（Zheng Jian-rong．Adams—Virtual Prototyping Technology Introduction and Rise［M］．Beijing：Machinery Industry Press，2001．）

［4］夏長亮．無刷直流電機控制系統［M］．北京：科學出版社，2009．（Xia Chang-liang．Brushless DC Motor Control System［M］．Beijing：Science Press，2009．）

［5］Pillay P，Krishnan R．Modeling simulation and analysis of permanentmagnet motor drivers（I）：the permanent-magnet synchronous motor drives［J］．IEEE Industry Applications，1989，25（2）：265-273．

［6］Pillay P，Krishnan R．Modeling simulation and analysis of permanentmagnet motor drives（II）：the brushless DC motor drive［J］．IEEE Industry Applications，1989，25（2）：274-279．

［7］Lehuy H．Modeling and simulation of electrical drives using matlab simulink and power system blockset［J］．IEEE Proceeding from Industrial Electronic Society，2001，3（2）：1603-1611．

［8］劉維平，孫偉．坦克裝甲車輛構造學［M］．北京：兵器工業出版社，2001．（Liu Wei-ping，Sun Wei．Tectonicsof Tank and Armored Force Vehicle［M］．Beijing：Armament Industry Press，2001．）

［9］王雙雙，張豫南，顏南明．基于虛擬樣機技術的電傳動履帶車輛特殊運動性能仿真［J］．兵工學報，2009，30（11）：1418-1423．（Wang Shuang-shuang，Zhang Yu-nan，Yan Nan-ming．Simulation on performance of special movement of electric transmission tracked vehicle based on virtual prototyping［J］．Acta Armamentarii，2009，30（11）：1418-1423．）

［10］趙玉慧，劉春光，臧克茂．基于Matlab與RecurDyn的電傳動履帶車輛的聯合仿真［J］．車輛與動力技術，2007（3）：24-27．（Zhao Yu-hui，Liu Chun-guang，Zang Ke-mao．Co-simulation of the electric drived armored vehicle based on matlab and recurdyn ［J］．Vehicle&Power Technolog，2007（3）：24-27．）

［11］張建翔，魏燕明．主從履帶復合式越障機器人Recurdyn行走研究［J］．機械設計與制造，2013（2）：107-109．（Zhang Jian-xiang，Wei Yan-ming．Walk research of master-slave crawlerobstaclesrobotinrecurdyn［J］．MachineryDesign&Manufacture，2013（2）：107-109．）