電動(dòng)自卸車輪邊驅(qū)動(dòng)電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩控制分析

崔丹丹，崔高偉

（1.中原工學(xué)院信息商務(wù)學(xué)院，河南 鄭州 450007；2.上海航天控制技術(shù)研究所，上海201109）

1 引言

電傳動(dòng)車輛高效的傳遞模式，被廣泛應(yīng)用在各類礦山開采運(yùn)輸中。此類車輛在實(shí)際使用過程中會(huì)有這樣的現(xiàn)象：由于輸出電機(jī)轉(zhuǎn)矩波動(dòng)，造成部分工況車輛存在抖動(dòng)現(xiàn)象，而這將造成系統(tǒng)部分單元磨損加劇而影響壽命[1]。電傳動(dòng)車輛的常常工作在這些工況，所以對(duì)于此類車輛的設(shè)計(jì)者來講轉(zhuǎn)矩波動(dòng)問題不可不考慮。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者取得一定的成果：文獻(xiàn)[2]提出模型跟蹤控制，將車輛動(dòng)力學(xué)看作一個(gè)可變的慣量系統(tǒng)；文獻(xiàn)[3]通過實(shí)時(shí)測(cè)試路面滑移率，將其作為控制模型輸入，對(duì)車輛進(jìn)行控制；文獻(xiàn)[4]提出通過控制附著系數(shù)與滑移率的斜率來保證車輛穩(wěn)定運(yùn)行；文獻(xiàn)[5]利用驅(qū)動(dòng)電機(jī)估計(jì)出最大可傳遞轉(zhuǎn)矩輸出，通過直接限制轉(zhuǎn)矩參考值而防止車輛打滑。

針對(duì)電傳動(dòng)車輛輪邊電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩波動(dòng)問題進(jìn)行分析，搭建輪邊電機(jī)矢量控制模型，從控制模型入手研究影響轉(zhuǎn)矩波動(dòng)的原因以及應(yīng)對(duì)的方法，基于Simulink 搭建動(dòng)力傳遞系統(tǒng)模型，并對(duì)輪邊電機(jī)驅(qū)動(dòng)及轉(zhuǎn)矩控制模塊進(jìn)行封裝，基于Pharlap 系統(tǒng)，利用NI PXI 做目標(biāo)機(jī)，對(duì)模型進(jìn)行不同工況實(shí)時(shí)仿真，驗(yàn)證所提出控制方法的有效性。

2 輪邊電機(jī)控制模型

2.1 電機(jī)數(shù)學(xué)模型

在靜止坐標(biāo)系[6]，電機(jī)相關(guān)方程可寫作：

圖1 電機(jī)模型Fig.1 Motor Model

2.2 電機(jī)矢量控制模型

矢量控制系統(tǒng)的原理，如圖2 所示。

圖2 矢量控制原理示意圖Fig.2 Schematic Diagram of the Principle of Vector Control

圖2 中所示，信號(hào)經(jīng)過直流調(diào)速系統(tǒng)控制器，得到磁鏈電流和電樞電流，經(jīng)過坐標(biāo)變化獲得兩相電流，之后通過2/3 變換模塊得到靜止三項(xiàng)坐標(biāo)系上的電流iA、iB、iC，使其與頻率信號(hào)加到變頻器上，即可得到異步電機(jī)調(diào)速所需的三相電流，將此電流輸入異步電機(jī)則達(dá)到控制異步電機(jī)的目的。

根據(jù)轉(zhuǎn)子定向矢量控制[7]，則電機(jī)控制模型寫作：

根據(jù)此可搭建出模型，如圖3 所示。

圖3 電機(jī)控制模型Fig.3 Motor Control Model

2.3 輪邊電機(jī)負(fù)載合成轉(zhuǎn)矩

電機(jī)的輸出軸與輪邊減速器太陽輪相連，在輪邊減速器齒圈的帶動(dòng)下輪胎轉(zhuǎn)動(dòng)，并接收地面?zhèn)鱽淼牧8]。由此，可以確定，作用在電機(jī)輸出軸的力矩有如下幾種：輪胎系統(tǒng)的慣性力矩，地面附著力對(duì)電機(jī)反作用力矩，滾動(dòng)阻力矩。

3 輸出轉(zhuǎn)矩波動(dòng)及控制

3.1 轉(zhuǎn)矩波動(dòng)原因分析

對(duì)電機(jī)輸出控制模型進(jìn)行加載，200Nm 的負(fù)載，目標(biāo)速度20r/s 的結(jié)果，如圖4 所示。

由圖4 可知，結(jié)果穩(wěn)定且符合設(shè)計(jì)要求，當(dāng)轉(zhuǎn)矩有上下50 的波動(dòng)。分析可知，引起電動(dòng)輪轉(zhuǎn)矩波動(dòng)的影響因素如下：

（1）轉(zhuǎn)矩給定不穩(wěn)定

當(dāng)轉(zhuǎn)矩信號(hào)有偏差和干擾，這就使得信號(hào)發(fā)生擾動(dòng)造成轉(zhuǎn)矩的波動(dòng)[9]。這個(gè)問題的解決辦法是讓信號(hào)經(jīng)過濾波器或者給油門和電流檢測(cè)信號(hào)線加屏蔽。

圖4 帶負(fù)載運(yùn)行結(jié)果Fig.4 With the Load Operation Results

（2）電流和轉(zhuǎn)速等反饋信號(hào)檢測(cè)誤差較大

此類誤差對(duì)元件在電磁干擾下會(huì)對(duì)結(jié)果造成影響。此外，由于溫度變化或電壓不穩(wěn)定時(shí)，靜態(tài)工作點(diǎn)發(fā)生變化，如零點(diǎn)漂移，導(dǎo)致檢測(cè)誤差變大。這種情況需要進(jìn)行補(bǔ)償和調(diào)制兩種手段來解決[10]。

（3）電流換向

圖5 轉(zhuǎn)矩波動(dòng)Fig.5 Torque Fluctuations

由于輸入的是三相交流電，電流換向不免引起轉(zhuǎn)矩的脈動(dòng)。在電機(jī)調(diào)速過程中應(yīng)用到了三相逆變器，輸入的三相電流必然要經(jīng)過多次換向，結(jié)果是讓定子電流在換向區(qū)出現(xiàn)較大失真，這就導(dǎo)致了輸出轉(zhuǎn)矩出現(xiàn)波動(dòng)現(xiàn)象[11-12]。也可以通過實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證這個(gè)說法，將結(jié)果用圖5 的對(duì)比圖來說明。圖中可以看出，電壓的每次換向都會(huì)引起電磁轉(zhuǎn)矩的一次波動(dòng)。

3.2 轉(zhuǎn)矩波動(dòng)控制方法

（1）脈沖發(fā)生器中誤差寬度的影響

從矢量控制方程入手[13]，分析影響轉(zhuǎn)矩的因素：

結(jié)合式（4）和式（6）兩個(gè)方程，可得：

在模型中，采用電流跟蹤型PWM 技術(shù)作為逆變器的通斷控制方式，由電流滯環(huán)跟蹤器來控制逆變器，如圖6 所示。

圖6 電流誤差Fig.6 Current Error

圖7 不同滯環(huán)寬度分析結(jié)果Fig.7 Hysteresis Width Analysis Results

圖7 經(jīng)過比較可知，通過減小滯環(huán)寬度可有效控制輸出轉(zhuǎn)矩波動(dòng)。

（2）轉(zhuǎn)子磁鏈給定值的影響

圖8 不同磁鏈給定值Fig.8 Different Flux Given Value

由式（11）可知，Te直接受到磁鏈值影響，同理也對(duì)電磁轉(zhuǎn)矩的波動(dòng)有較大的影響。不同取值對(duì)比結(jié)果，如圖8 所示。

從圖中可以很明顯看出，在磁鏈為1.5 時(shí)，轉(zhuǎn)矩上下波動(dòng)達(dá)到100Nm，而將磁鏈給定值設(shè)為0.6 時(shí)，轉(zhuǎn)矩波動(dòng)降到不足30。

4 基于Pharlap 系統(tǒng)實(shí)時(shí)分析

基于Simulink，根據(jù)動(dòng)力傳遞系統(tǒng)建模原理與方程可搭建如圖9（a）模型，為了研究方便，將其封裝成獨(dú)立的左右驅(qū)動(dòng)輪加簡(jiǎn)單從動(dòng)輪的模型。從動(dòng)輪可視為純滾動(dòng)而不需要考慮滑轉(zhuǎn)率，但需要考慮它的滾動(dòng)阻力以及分擔(dān)的車輛對(duì)地面的正壓力。所以在模型中從動(dòng)輪模塊反映為它的滾動(dòng)阻力模塊。另外仿真結(jié)果不采集從動(dòng)輪的數(shù)據(jù)只分析主動(dòng)輪運(yùn)行情況，模型，如圖9（b）所示。為了提高效率以及進(jìn)一步驗(yàn)證電機(jī)控制模型及波動(dòng)控制措施的有效性，基于NIPXI 硬件平臺(tái)，在Pharlap 系統(tǒng)下對(duì)模型進(jìn)行實(shí)時(shí)仿真。這里所用NIPXIe-1082，如圖10 所示。首先對(duì)Simulink 模型的輸入輸出接口進(jìn)行封裝，然后配置目標(biāo)文件，選擇NIVeristand.tlc 文件作為目標(biāo)編譯文件。編譯完成后生成的dll 文件將會(huì)保存在同一個(gè)目錄下。在系統(tǒng)定義文件中，定義實(shí)時(shí)目標(biāo)機(jī)為Pharlap 系統(tǒng)并設(shè)定IP 地址，該地址要與PXI 相同。加載上一步編譯好的dll 模型文件，并設(shè)置好控制參數(shù)。

圖9 系統(tǒng)Simulink 模型Fig.9 System Simulink Model

圖10 PXI 系統(tǒng)組成圖Fig.10 PXI System Component

在Workspace 中定制仿真所需要的控件并與模型適配。如：輸入控件用來表示駕駛員輸入量；波形顯示控件用來顯示滑轉(zhuǎn)率、附著系數(shù)等等。運(yùn)行剛剛建立的項(xiàng)目，VeristandEngine 會(huì)自動(dòng)將模型部署到PXI 實(shí)時(shí)目標(biāo)機(jī)中進(jìn)行實(shí)時(shí)仿真。

選取低附著路面、對(duì)開路面、對(duì)接路面等三種工況進(jìn)行分析：第一種工況，車輛行駛于結(jié)冰路面，駕駛員的輸入轉(zhuǎn)矩為1000Nm，結(jié)果，如圖11（a）所示；第二種工況，模型在對(duì)開路面上運(yùn)行，左邊路面是高附著路面，右邊為低附著路面，駕駛員輸入轉(zhuǎn)矩為1000Nm，如圖11（b）所示；第三種工況，在高附著路面啟動(dòng)，0.5s 后進(jìn)入低附著路面，駕駛員的給定轉(zhuǎn)矩為1000Nm，實(shí)時(shí)結(jié)果，如圖11（c）所示。

圖11 三種路況分析結(jié)果Fig.11 Three Kinds of Traffic Analysis Results

圖11（a）可知，一個(gè)控制模塊，用于控制模型的啟動(dòng)與停止；一個(gè)輸入模塊，可以實(shí)時(shí)的調(diào)整駕駛員輸入轉(zhuǎn)矩，這里設(shè)置為1000Nm。下邊顯示控件分別表示滑轉(zhuǎn)率、附著系數(shù)、車身加速度、車身速度的曲線、輸出轉(zhuǎn)矩等。車輪的滑轉(zhuǎn)率控制在0.2 附近，車輛在此工況下的附著系數(shù)控制在0.2，車輛的速度和加速度均未出現(xiàn)明顯的波動(dòng)或劇烈變化。對(duì)于滑轉(zhuǎn)率的控制效果很好，并且大大縮短了仿真時(shí)間提高了效率。圖11（b）可知，在此工況下，車輪的滑移率在較短的時(shí)間內(nèi)即可達(dá)到最佳狀態(tài)，達(dá)到0.2，車輛運(yùn)行平穩(wěn)，附著系數(shù)達(dá)到0.2，達(dá)到此工況的最大值，車輛運(yùn)行平穩(wěn)。圖11（c）可知，路面發(fā)生變化前滑移率低于0.2，附著系數(shù)達(dá)到0.5，此時(shí)車輛的加速度較大，當(dāng)進(jìn)入低附著系數(shù)路面時(shí)，滑移率達(dá)到最佳值，而附著系數(shù)將至0.2，此時(shí)加速度迅速降低。分析結(jié)果可以看出，響應(yīng)迅速，在路面變換的時(shí)刻，控制器能夠在地面附著系數(shù)突然降低時(shí)立即動(dòng)作，迅速減小輸出轉(zhuǎn)矩，讓車輪不會(huì)發(fā)生劇烈打滑，整個(gè)仿真過程與真實(shí)時(shí)鐘接近，實(shí)時(shí)仿真效果良好。在模型運(yùn)行過程中，為了保護(hù)逆變器，脈沖發(fā)生器中誤差寬度取10；在電機(jī)啟動(dòng)階段取磁鏈給定值為0.96，當(dāng)電機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行后讓它降至0.6，通過調(diào)整以上參數(shù)可知，轉(zhuǎn)矩波動(dòng)幅度從100 降至25 左右，降低了轉(zhuǎn)矩波動(dòng)。

5 結(jié)論

基于電傳動(dòng)車輛輪邊電機(jī)控制模型，對(duì)輸出轉(zhuǎn)矩波動(dòng)原因及控制方法進(jìn)行分析，基于Pharlap 系統(tǒng)利用NI PXI 做目標(biāo)機(jī)，對(duì)選擇不同工況對(duì)轉(zhuǎn)矩波動(dòng)控制方法進(jìn)行實(shí)時(shí)仿真，結(jié)果可知：（1）轉(zhuǎn)矩給定不穩(wěn)定、電流和轉(zhuǎn)速等反饋信號(hào)的檢測(cè)誤差較大、電流換向等是影響轉(zhuǎn)矩波動(dòng)的重要原因；（2）通過調(diào)整脈沖發(fā)生器中誤差寬度、轉(zhuǎn)子磁鏈給定值等可有效控制波動(dòng)幅度，波動(dòng)幅度得到明顯降低；（3）基于Pharlap 系統(tǒng)和NI PXI 硬件平臺(tái)不同工況實(shí)時(shí)仿真表明了分析結(jié)果的可靠性，為此類設(shè)計(jì)控制提供參考。