電傳動(dòng)履帶車(chē)輛轉(zhuǎn)向補(bǔ)償控制策略研究*

涂群章，張曉辰，潘 明，馮 霞，鄭偉杰

(解放軍理工大學(xué)野戰(zhàn)工程學(xué)院，江蘇南京210007)

0 引言

電傳動(dòng)履帶車(chē)輛憑借其良好的動(dòng)力性以及在節(jié)能、環(huán)保、降噪方面的杰出表現(xiàn)，近年來(lái)在農(nóng)業(yè)、礦用工程機(jī)械和軍用車(chē)輛領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用［1-2］。轉(zhuǎn)向控制是電傳動(dòng)履帶車(chē)輛驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)研究的重難點(diǎn)方向，主要體現(xiàn)為:高速轉(zhuǎn)向過(guò)程中功率需求大、平穩(wěn)性差;低速轉(zhuǎn)向過(guò)程中系統(tǒng)響應(yīng)能力差、轉(zhuǎn)向可控性不強(qiáng)［3］。

近年來(lái)，在轉(zhuǎn)向控制策略方面，國(guó)內(nèi)外學(xué)者開(kāi)展了大量理論分析與實(shí)驗(yàn)研究，目前應(yīng)用最廣泛的是直接轉(zhuǎn)矩控制策略，該控制方法簡(jiǎn)單易行，但控制效果有限，無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)駕駛員瞬時(shí)操控意圖的快速響應(yīng)［4］;在控制其設(shè)計(jì)方面，研究人員普遍采用離線仿真技術(shù)和實(shí)車(chē)測(cè)試方法，但離線仿真不能真實(shí)反映駕駛員的實(shí)時(shí)操控意圖，而實(shí)車(chē)測(cè)試往往周期較長(zhǎng)，成本較高。

為了解決上述問(wèn)題，提高電傳動(dòng)履帶車(chē)輛轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的響應(yīng)能力和工作效率，本研究針對(duì)轉(zhuǎn)向補(bǔ)償控制策略的設(shè)計(jì)與實(shí)時(shí)仿真驗(yàn)證展開(kāi)研究。

1 面向?qū)崟r(shí)控制的系統(tǒng)模型建立

1.1 履帶車(chē)輛動(dòng)力學(xué)模型

為研究電傳動(dòng)履帶車(chē)輛的轉(zhuǎn)向控制策略，需首先對(duì)車(chē)輛轉(zhuǎn)向過(guò)程進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析，建立面向?qū)崟r(shí)控制的車(chē)輛動(dòng)力學(xué)模型。基于相對(duì)轉(zhuǎn)向半徑，電傳動(dòng)履帶車(chē)輛轉(zhuǎn)向，可分為大半徑修正轉(zhuǎn)向、再生制動(dòng)轉(zhuǎn)向、小半徑轉(zhuǎn)向3 種工況。對(duì)于采用雙側(cè)電機(jī)獨(dú)立驅(qū)動(dòng)布置方式的車(chē)輛而言，通過(guò)精確、合理地控制兩側(cè)驅(qū)動(dòng)輪轉(zhuǎn)速差，即可根據(jù)駕駛員意圖實(shí)現(xiàn)不同工況的轉(zhuǎn)向。典型的車(chē)輛轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)平面如圖1所示。

圖1 車(chē)輛轉(zhuǎn)向動(dòng)力學(xué)示意圖

本研究將車(chē)輛轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)化為具有集中質(zhì)量的剛體平面運(yùn)動(dòng)，忽略車(chē)輛的側(cè)傾和俯仰，只考慮履帶縱向運(yùn)動(dòng)?？紤]到轉(zhuǎn)向速度不高，忽略離心力對(duì)轉(zhuǎn)向穩(wěn)定性的影響，不計(jì)履帶的滑轉(zhuǎn)、滑移，根據(jù)平衡關(guān)系可建立履帶車(chē)輛動(dòng)力學(xué)模型:

式中:m—整車(chē)質(zhì)量;Iz—轉(zhuǎn)動(dòng)慣量;R—轉(zhuǎn)向半徑;n1，2—雙側(cè)驅(qū)動(dòng)輪轉(zhuǎn)速;i0—減速器傳動(dòng)比;r—驅(qū)動(dòng)輪半徑;μ—轉(zhuǎn)向阻力系數(shù)，由A.O.尼基金經(jīng)驗(yàn)公式［5］，取μ=μmax/(0.925 +0.15R/B);Mh—轉(zhuǎn)向阻力矩，當(dāng)轉(zhuǎn)速不為零時(shí)取Mh=μLG/4。

由于車(chē)輛行駛過(guò)程中的牽引力F1，2由驅(qū)動(dòng)電機(jī)提供，在實(shí)際情況中需綜合考慮地面附著力和電機(jī)驅(qū)動(dòng)能力對(duì)最大牽引力的影響，因此雙側(cè)履帶牽引力可表示為:

式中:T1，2—雙側(cè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)(制動(dòng))力矩，φ—地面附著系數(shù)，ηm—側(cè)傳動(dòng)效率，ηt—履帶效率，α—表征制動(dòng)狀態(tài)的參數(shù)。

1.2 驅(qū)動(dòng)電機(jī)模型

電傳動(dòng)履帶車(chē)輛的轉(zhuǎn)向動(dòng)力學(xué)特性取決于電機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制特性，因此有必要對(duì)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行建模。由于工況仿真時(shí)只需要獲取驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)子端的輸出轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速，不關(guān)注電機(jī)內(nèi)部電流電壓的變換關(guān)系，本研究在建模中采用基于臺(tái)架實(shí)驗(yàn)的查表計(jì)算模型，考慮控制響應(yīng)時(shí)間的電機(jī)轉(zhuǎn)子端輸出轉(zhuǎn)矩可表示為:

式中:Treq—目標(biāo)轉(zhuǎn)矩;Ttmax(n)，Tbmax(n)—轉(zhuǎn)速為n 時(shí)的電機(jī)最大驅(qū)動(dòng)與制動(dòng)轉(zhuǎn)矩;τ—由實(shí)驗(yàn)標(biāo)定的輸出響應(yīng)時(shí)間。

本研究選用三相交流永磁同步電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)電機(jī)，在仿真進(jìn)程中目標(biāo)轉(zhuǎn)矩根據(jù)不同轉(zhuǎn)速范圍的電機(jī)外特性曲線進(jìn)行限幅。

根據(jù)臺(tái)架實(shí)驗(yàn)測(cè)得的電機(jī)轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)速-效率特性圖如圖2所示。通過(guò)圖2 中的特性曲線和不同轉(zhuǎn)速下的效率分布即可在Simulink 中準(zhǔn)確建立驅(qū)動(dòng)電機(jī)的查表模型。

圖2 驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)速-效率特性MAP 圖

2 電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)轉(zhuǎn)向控制策略

在轉(zhuǎn)向方式上，電傳動(dòng)履帶車(chē)輛通過(guò)調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)電機(jī)正/反轉(zhuǎn)輸出轉(zhuǎn)矩來(lái)實(shí)現(xiàn)車(chē)輛轉(zhuǎn)向。這種方式能夠大幅簡(jiǎn)化轉(zhuǎn)向機(jī)械結(jié)構(gòu)，但對(duì)系統(tǒng)的控制提出了更高要求。轉(zhuǎn)向控制策略設(shè)計(jì)的基本原則為:能夠及時(shí)有效地解讀駕駛員的操作意圖，結(jié)合不同行駛工況合理分配、確定雙側(cè)電機(jī)的目標(biāo)轉(zhuǎn)矩，實(shí)現(xiàn)車(chē)輛的安全、快速轉(zhuǎn)向。

2.1 駕駛員輸入定義

在基于轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)的動(dòng)力學(xué)控制策略中，駕駛員不必考慮外界阻力變化的影響，只需通過(guò)對(duì)實(shí)時(shí)行駛信息進(jìn)行判別、處理即可完成對(duì)車(chē)輛的操作控制。采集的駕駛員輸入信號(hào)主要包括:加速踏板信號(hào)、制動(dòng)踏板信號(hào)和方向盤(pán)信號(hào)。將加速/制動(dòng)踏板的輸入信號(hào)定義如下:

式中:δ，δmax，δ0—加速/制動(dòng)踏板的瞬時(shí)角位移、最大角位移、自由行程角位移。本研究中δ0、δmax分別5°、60°。取k 為符號(hào)函數(shù)，驅(qū)動(dòng)時(shí)取1，制動(dòng)時(shí)取－1。

電傳動(dòng)履帶車(chē)輛能夠?qū)崿F(xiàn)3 種不同半徑的轉(zhuǎn)向工況，因此將方向盤(pán)轉(zhuǎn)角劃分為3 個(gè)過(guò)渡區(qū)，以便實(shí)現(xiàn)雙側(cè)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)/制動(dòng)狀態(tài)切換。根據(jù)方向盤(pán)的對(duì)稱(chēng)性，只考慮其左轉(zhuǎn)情況，將方向盤(pán)輸入信號(hào)定義如下:

式中:λ，λ0，λ1，λ2—轉(zhuǎn)向盤(pán)瞬時(shí)轉(zhuǎn)角、自由行程區(qū)切換轉(zhuǎn)角、雙側(cè)驅(qū)動(dòng)區(qū)切換轉(zhuǎn)角、單側(cè)驅(qū)動(dòng)/制動(dòng)區(qū)切換轉(zhuǎn)角。本研究設(shè)定的λ0、λ1、λ2值分別為18°、90°、180°。當(dāng)方向盤(pán)由λ0向左旋轉(zhuǎn)到λ2時(shí)，ψ 值由1 線性遞減為－1。

2.2 直接轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)向控制策略

轉(zhuǎn)向過(guò)程當(dāng)中，為了使車(chē)輛迅速響應(yīng)駕駛員操縱意圖，需控制外側(cè)電機(jī)目標(biāo)轉(zhuǎn)矩始終大于內(nèi)側(cè)轉(zhuǎn)矩，且最好形成較大轉(zhuǎn)矩差，基于此制定的轉(zhuǎn)向控制策略如表1所示。

表1 基于轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)的轉(zhuǎn)向控制策略

轉(zhuǎn)向完畢后，為保證車(chē)輛盡快回正，應(yīng)根據(jù)駕駛意圖迅速縮小內(nèi)外側(cè)電機(jī)轉(zhuǎn)矩差或?yàn)檐?chē)輛提供與原轉(zhuǎn)向方向相反的負(fù)轉(zhuǎn)矩。因此在設(shè)計(jì)回正策略時(shí)可控制車(chē)輛進(jìn)行逆轉(zhuǎn)向，基于轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)的回正控制策略如表2所示。

表2 基于轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)的回正控制策略

結(jié)合表(1，2)及對(duì)駕駛輸入信號(hào)的定義可以看出，當(dāng)同時(shí)操縱踏板和方向盤(pán)時(shí)，基于轉(zhuǎn)矩的控制策略能夠從一定程度上解讀駕駛意圖并控制車(chē)輛完成不同的轉(zhuǎn)向/回正工況，但其控制效果往往取決于策略中門(mén)限值的設(shè)定。當(dāng)踏板位移或方向盤(pán)轉(zhuǎn)角位于狀態(tài)切換值附近時(shí)，狀態(tài)的頻繁轉(zhuǎn)換使系統(tǒng)無(wú)法及時(shí)跟隨駕駛意圖，進(jìn)而影響車(chē)輛的轉(zhuǎn)向效率與回正安全性。基于該情況，本研究在轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)的基礎(chǔ)上引入模糊控制以提高電傳動(dòng)履帶車(chē)輛的轉(zhuǎn)向/回正相應(yīng)速度。

2.3 基于模糊的轉(zhuǎn)向補(bǔ)償控制策略

模糊控制是一種擬人化的控制方法，它以模糊數(shù)學(xué)和模糊邏輯推理為理論基礎(chǔ)，首先將輸入變量模糊化，再按照控制器中預(yù)先設(shè)定的模糊規(guī)則進(jìn)行判斷、分類(lèi)與決策，最終將推理結(jié)果解模糊化，輸出實(shí)際系統(tǒng)易于識(shí)別的控制量，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的智能控制［6］。

由前面分析可知，車(chē)輛轉(zhuǎn)向過(guò)程中，由于電機(jī)低速時(shí)制動(dòng)效率不高，本研究重點(diǎn)考慮對(duì)外側(cè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)力的控制。外側(cè)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩增長(zhǎng)速度越快，車(chē)輛的轉(zhuǎn)向效率和靈敏度就越高。而當(dāng)駕駛員有回正意圖時(shí)，外側(cè)電機(jī)轉(zhuǎn)矩衰減速度越快，車(chē)輛回正所需的時(shí)間也越短。因此，本研究為了合理描述駕駛員的轉(zhuǎn)向/回正意圖，選取方向盤(pán)轉(zhuǎn)角λ、轉(zhuǎn)角變化率dλ/dt、加速/制動(dòng)踏板開(kāi)度a 作為模糊控制器的輸入量，選取外側(cè)電機(jī)轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)系數(shù)κ 作為輸出量，選擇S、MS、M、MB、B 作為輸入/輸出量的模糊子集。

根據(jù)駕駛經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)的輸入/輸出隸屬度函數(shù)如圖3所示。

圖3 模糊輸入/輸出量的隸屬度函數(shù)

經(jīng)模糊控制器調(diào)節(jié)后輸出的外側(cè)電機(jī)轉(zhuǎn)矩可表示為:

模糊策略的基本思路為:

(1)當(dāng)方向盤(pán)行程λ 較小且車(chē)輛有轉(zhuǎn)向意圖時(shí)(dλ/dt ＞0)，給外側(cè)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩一個(gè)較大增量以便車(chē)輛迅速進(jìn)入轉(zhuǎn)向狀態(tài);

(2)當(dāng)方向盤(pán)行程較大且車(chē)輛有回正意圖時(shí)，給外側(cè)電機(jī)一個(gè)較大的衰減量以便車(chē)輛及時(shí)回正;

(3)當(dāng)駕駛員有明顯加速轉(zhuǎn)向/回正意圖時(shí)，給電機(jī)轉(zhuǎn)矩一個(gè)較大增量/衰減量以滿足控制需求。反之，當(dāng)制動(dòng)踏板行程較大時(shí)則需降低增量/衰減量以盡量維持原行駛狀態(tài);

(4)當(dāng)方向盤(pán)處于中間行程且無(wú)明顯加速/制動(dòng)意圖時(shí)應(yīng)弱化模糊控制調(diào)節(jié)效果，系統(tǒng)將根據(jù)駕駛員輸入對(duì)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩進(jìn)行線性調(diào)節(jié)。

根據(jù)以上規(guī)則，本研究采用Mamdani 解模糊化算法，為模糊控制器設(shè)計(jì)出60 條模糊規(guī)則，模糊規(guī)則的語(yǔ)法形式為“if λ and dλ/dt and a，then κ”。

3 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)半實(shí)物仿真平臺(tái)的建立

為保證所設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)向控制策略的實(shí)時(shí)高效性，需要結(jié)合具體工況對(duì)其進(jìn)行仿真驗(yàn)證。傳統(tǒng)離線仿真技術(shù)雖然較為方便，但是鑒于其仿真輸入信號(hào)由人為確定，不具備隨機(jī)性，無(wú)法模擬駕駛員的真實(shí)操控需求。另一方面，由于離線仿真的控制策略未能轉(zhuǎn)換為代碼寫(xiě)入測(cè)試控制器，其運(yùn)算的實(shí)時(shí)高效性難以得到驗(yàn)證?；谏鲜鰡?wèn)題，本研究采用dSPACE 系統(tǒng)，將駕駛員輸入設(shè)備與測(cè)試控制器作為在環(huán)硬件，對(duì)轉(zhuǎn)向控制策略進(jìn)行半實(shí)物仿真驗(yàn)證。

dSPACE 實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)由德國(guó)dSPACE 公司開(kāi)發(fā)，該系統(tǒng)具備與Simulink 的無(wú)縫連接技術(shù)，可將創(chuàng)建的Simulink 模型自動(dòng)轉(zhuǎn)換為C 代碼并下載到dSPACE 系統(tǒng)中［7］。系統(tǒng)配備豐富的I/O 接口和強(qiáng)大的實(shí)時(shí)計(jì)算能力，能夠在真實(shí)環(huán)境下對(duì)控制器進(jìn)行高效測(cè)試［8-10］。

本研究選用 MicroAutoBox1401/1504 作為dSPACE 硬件，整車(chē)與電機(jī)模型在上位機(jī)終端中建立，并通過(guò)RTW 接口編譯、下載到dSPACE 中?？刂撇呗阅Ｐ蛣t首先通過(guò)Stateflow 編譯，再由TargetLink 轉(zhuǎn)碼并下載到測(cè)試控制器中。駕駛員信號(hào)通過(guò)駕駛員輸入設(shè)備采集并輸入到控制器當(dāng)中，控制器通過(guò)A/D 轉(zhuǎn)換讀入信號(hào)，通過(guò)CAN 接口卡與dSPACE 通訊，接收雙側(cè)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩信號(hào)。基于Controldesk 創(chuàng)建的虛擬儀表儲(chǔ)存在監(jiān)控機(jī)當(dāng)中，為駕駛員提供車(chē)輛的實(shí)時(shí)行駛信息。

本研究采用的系統(tǒng)硬件和創(chuàng)建的監(jiān)控界面如圖4、圖5所示。

圖4 半實(shí)物仿真平臺(tái)硬件

圖5 基于Controldesk 的轉(zhuǎn)向行駛監(jiān)控界面

4 實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析

本研究的研究對(duì)象為電傳動(dòng)履帶車(chē)輛，實(shí)時(shí)仿真的參數(shù)設(shè)置參考某型12 t 履帶式推土機(jī)的設(shè)計(jì)參數(shù)［11］。仿真中主要參數(shù)的設(shè)置如表3所示。

表3 仿真中主要參數(shù)的設(shè)置

為了檢驗(yàn)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)向與回正效率，選擇具有代表性的加速轉(zhuǎn)向過(guò)程和加速回正過(guò)程作為仿真參考工況。在仿真進(jìn)程中，駕駛員根據(jù)監(jiān)控儀表隨時(shí)獲取車(chē)輛行駛狀態(tài)，通過(guò)操控方向盤(pán)與踏板使虛擬轉(zhuǎn)向系統(tǒng)完成預(yù)定的轉(zhuǎn)向/回正工況。

由監(jiān)控機(jī)采集的仿真結(jié)果如圖6所示。

車(chē)輛行駛中的橫擺角速度及駕駛員輸入設(shè)備輸出的方向盤(pán)、加速踏板信號(hào)如圖6(a)所示?？梢钥闯?，在10 s～15 s 階段，駕駛員控制車(chē)輛加速轉(zhuǎn)向;在15 s～20 s 階段，車(chē)輛處于平穩(wěn)轉(zhuǎn)向狀態(tài);在20 s～25 s 階段，車(chē)輛加速回正。橫擺角速度的變化趨勢(shì)與加速踏板基本一致，說(shuō)明車(chē)輛能夠較好地響應(yīng)駕駛意圖。

圖6 轉(zhuǎn)向/回正控制半實(shí)物仿真結(jié)果

轉(zhuǎn)向/回正過(guò)程中雙側(cè)電機(jī)的轉(zhuǎn)速變化如圖6(b)所示。轉(zhuǎn)向過(guò)程中，外側(cè)電機(jī)轉(zhuǎn)速不斷提高，內(nèi)側(cè)電機(jī)轉(zhuǎn)速不斷衰減，較大轉(zhuǎn)速差的形成有助于車(chē)輛實(shí)現(xiàn)快速轉(zhuǎn)向。當(dāng)車(chē)輛進(jìn)入穩(wěn)定轉(zhuǎn)向階段時(shí)，雙側(cè)電機(jī)轉(zhuǎn)速趨穩(wěn)，模糊控制的影響降低，有助于維持駕駛穩(wěn)定性?；卣^(guò)程則可以視作“逆轉(zhuǎn)向”過(guò)程，其轉(zhuǎn)速變化情況與轉(zhuǎn)向工況相反。圖6(c)、6(d)對(duì)比了兩種控制策略的轉(zhuǎn)向控制效果。車(chē)輛的行駛軌跡如圖6(c)所示，當(dāng)車(chē)輛收到轉(zhuǎn)向/回正指令時(shí)，加入模糊補(bǔ)償?shù)霓D(zhuǎn)矩控制策略能夠幫助車(chē)輛實(shí)現(xiàn)快速轉(zhuǎn)向/回正，而直接轉(zhuǎn)矩控制對(duì)駕駛員意圖的響應(yīng)較慢。兩種控制策略下的車(chē)輛相對(duì)轉(zhuǎn)向半徑如圖6(d)所示，可以清楚地看到，與直接轉(zhuǎn)矩控制相比，加入模糊補(bǔ)償?shù)目刂撇呗栽谵D(zhuǎn)向和回正工況中均能明顯提高系統(tǒng)的信號(hào)響應(yīng)能力(響應(yīng)時(shí)間分別提前了0.873 s 和0.550 s)，進(jìn)而優(yōu)化了車(chē)輛的轉(zhuǎn)向靈敏度。

5 結(jié)束語(yǔ)

本研究以電傳動(dòng)履帶車(chē)輛轉(zhuǎn)向控制策略為研究對(duì)象，通過(guò)實(shí)時(shí)仿真得到了以下結(jié)論:

(1)建立了面向轉(zhuǎn)矩實(shí)時(shí)控制的履帶車(chē)輛轉(zhuǎn)向動(dòng)力學(xué)模型，結(jié)合電機(jī)效率及外特性臺(tái)架實(shí)驗(yàn)建立了驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)模型;

(2)在原有轉(zhuǎn)向控制策略的基礎(chǔ)上，基于模糊理論提出了一種轉(zhuǎn)向/回正補(bǔ)償控制策略;

(3)本研究基于dSPACE 半實(shí)物仿真技術(shù)建立了駕駛員-測(cè)試控制器在環(huán)的轉(zhuǎn)向控制實(shí)時(shí)仿真平臺(tái)，對(duì)提出策略進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。仿真結(jié)果表明:與直接轉(zhuǎn)矩策略相比，基于模糊的轉(zhuǎn)向補(bǔ)償控制策略提高了系統(tǒng)的轉(zhuǎn)向和回正響應(yīng)能力(系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間分別提前了0.873 s 和0.550 s)，為同類(lèi)車(chē)輛的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)穩(wěn)定性與靈敏性研究提供了參考。

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