履帶車輛電傳動轉(zhuǎn)向性能半實物仿真分析

馬　田，　劉　翼，　張　欣，　萬　帆

(中國北方車輛研究所，北京 100072)

?

履帶車輛電傳動轉(zhuǎn)向性能半實物仿真分析

馬田，劉翼，張欣，萬帆

(中國北方車輛研究所，北京 100072)

針對雙電機(jī)耦合驅(qū)動的履帶車輛，提出了基于模型參考的自適應(yīng)轉(zhuǎn)向控制方法，實現(xiàn)車輛轉(zhuǎn)向的動態(tài)補(bǔ)償控制，建立了轉(zhuǎn)向性能仿真模型，構(gòu)建了轉(zhuǎn)向性能半實物仿真平臺，在柏油路和農(nóng)村松軟路兩種路面下，進(jìn)行車輛轉(zhuǎn)向性能半實物仿真.結(jié)果表明，雙電機(jī)耦合驅(qū)動的履帶車輛相對轉(zhuǎn)向半徑誤差較小，轉(zhuǎn)向穩(wěn)定性好.

雙電機(jī)耦合驅(qū)動；轉(zhuǎn)向性能；半實物仿真

從國內(nèi)外坦克裝甲車輛混合動力電傳動技術(shù)發(fā)展趨勢和國外發(fā)展現(xiàn)狀來看，機(jī)電復(fù)合傳動在軍用車輛的應(yīng)用日益廣泛，正朝著高效、高功率密度、節(jié)能、高機(jī)動性等目標(biāo)發(fā)展，具有較好的發(fā)展前景，已經(jīng)成為軍用車輛傳動技術(shù)的重要發(fā)展方向.履帶車輛的傳動裝置兼具轉(zhuǎn)向功能，且轉(zhuǎn)向一直是各國履帶車輛機(jī)電復(fù)合傳動研究的重點并各具特色[1].雙電機(jī)獨立驅(qū)動方案是電傳動的基本方案之一，其轉(zhuǎn)向性能受到了關(guān)注.翟麗等作者針對雙側(cè)獨立驅(qū)動的電傳動履帶車輛，建立了基于無功功率感應(yīng)電機(jī)模型參考自適應(yīng)控制(MRAC)的電子差速轉(zhuǎn)向控制策略[2].劉翼等作者同樣針對雙側(cè)獨立驅(qū)動的電傳動履帶車輛，提出了一種適應(yīng)于轉(zhuǎn)向阻力變化的轉(zhuǎn)向控制策略[3].雙電機(jī)耦合驅(qū)動的機(jī)電復(fù)合傳動是一種在雙電機(jī)獨立驅(qū)動方案中加入功率耦合機(jī)構(gòu)，將變速和轉(zhuǎn)向功能有機(jī)耦合在一起的履帶車輛機(jī)電復(fù)合傳動形式，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示.該結(jié)構(gòu)相對簡單，通過機(jī)械結(jié)構(gòu)解決了雙側(cè)電驅(qū)動轉(zhuǎn)向再生功率循環(huán)，降低了電機(jī)功率需求.

圖1　雙電機(jī)耦合驅(qū)動系統(tǒng)框圖

本研究針對雙電機(jī)耦合驅(qū)動的履帶車輛，提出了基于模型參考的轉(zhuǎn)向自適應(yīng)控制方法，進(jìn)行車輛轉(zhuǎn)向的動態(tài)補(bǔ)償控制，建立了轉(zhuǎn)向性能仿真模型，構(gòu)建了轉(zhuǎn)向性能半實物仿真平臺，在柏油路和農(nóng)村松軟路兩種路面下，進(jìn)行車輛轉(zhuǎn)向性能半實物仿真驗證.仿真結(jié)果表明，雙電機(jī)耦合驅(qū)動的履帶車輛的轉(zhuǎn)向性能達(dá)到了預(yù)期效果，為雙電機(jī)耦合驅(qū)動系統(tǒng)轉(zhuǎn)向控制策略的制定提供參考依據(jù).

1　轉(zhuǎn)向控制方法

針對驅(qū)動電機(jī)不同的驅(qū)動指令，整車控制策略分為扭矩控制策略和轉(zhuǎn)速控制策略兩種.由于轉(zhuǎn)速指令與目標(biāo)驅(qū)動扭矩之間是一種非線性關(guān)系，利用傳統(tǒng)PID算法精確解算扭矩值具有一定難度.實際轉(zhuǎn)向時，轉(zhuǎn)向阻力可能非線性大幅突變，僅用常規(guī)的反饋控制方法可能無法得到滿意的控制效果.利用自適應(yīng)控制方法能夠解決一些常規(guī)的反饋控制所不能解決的復(fù)雜控制問題，能大幅度地提高系統(tǒng)的穩(wěn)定精度和跟蹤精度[4].隨著現(xiàn)代控制理論的發(fā)展，出現(xiàn)了各種形式的自適應(yīng)控制系統(tǒng)，其中模型參考自適應(yīng)控制無論從理論研究還是從實際應(yīng)用都已趨向成熟.因此，雙電機(jī)耦合驅(qū)動履帶車輛轉(zhuǎn)向控制，采用基于模型參考自適應(yīng)控制方法來實現(xiàn).控制結(jié)構(gòu)如圖2所示，主要包含參考系統(tǒng)、等效輸入計算、動態(tài)補(bǔ)償反饋控制和實際系統(tǒng)4個部分[5].

圖2　轉(zhuǎn)向負(fù)載動態(tài)補(bǔ)償控制結(jié)構(gòu)

參考系統(tǒng)是針對駕駛員的期望角速度ω*，求取理想的期望轉(zhuǎn)向角速度響應(yīng)ωm；等效輸入計算，是針對轉(zhuǎn)向動力學(xué)的非線性特點，將期望車速v*和期望角速度ω*等效變換為計算等效輸入r，以保證基于模型參考的自適應(yīng)控制對系統(tǒng)模型輸入的基本要求；反饋控制則是針對理想期望轉(zhuǎn)向角速度響應(yīng)ωm和實際系統(tǒng)的角速度響應(yīng)ωp、計算等效輸入r進(jìn)行積分反饋，以調(diào)節(jié)r獲得新的輸入u，從而作用于實際系統(tǒng)； ωp是自適應(yīng)控制的反饋參考.

通過自適應(yīng)控制律的調(diào)節(jié)作用，使得ωm和ωp的偏差e0能夠迅速收斂.當(dāng)轉(zhuǎn)向負(fù)載突變時，ωp能夠較好地跟隨ωm，車輛的轉(zhuǎn)向響應(yīng)和穩(wěn)定性得到改善.

2　仿真模型

雙電機(jī)耦合驅(qū)動電傳動系統(tǒng)轉(zhuǎn)向性能仿真模型主要包括發(fā)動機(jī)-發(fā)電機(jī)組模型、電池模型、電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)模型、行星機(jī)構(gòu)模型、駕駛員模型(信號輸入)、控制系統(tǒng)模型、車輛動力學(xué)模型、負(fù)載等效模型，等等.仿真模型如圖3所示.

發(fā)動機(jī)-發(fā)電機(jī)組模型采用Map圖模型，借助查表和插值的方法, 建立發(fā)動機(jī)-發(fā)電機(jī)組的輸入輸出數(shù)學(xué)模型；電池模型采用RC模型，能夠反映電池的動態(tài)特性，可以模擬電池的外特性、過充、過放等；電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)可模擬電機(jī)輸出扭矩和轉(zhuǎn)速，模擬電機(jī)驅(qū)動電流，模擬實現(xiàn)電機(jī)的啟動過程，等等；行星機(jī)構(gòu)模型直接使用Simdriveline中的相關(guān)模塊，如行星傳動齒輪、離合器、制動器等來實現(xiàn)，參照傳動簡圖，將各模塊的端口相連接，然后按照實際系統(tǒng)配置輸入相應(yīng)參數(shù)；控制系統(tǒng)模型采用上文提出的基于模型參考的自適應(yīng)轉(zhuǎn)向控制模型；駕駛員模型在離線仿真階段賦恒定值，在半實物仿真階段用硬件接口關(guān)系代替，對I/O進(jìn)行配置，使其與駕駛員操作裝置關(guān)聯(lián)；車輛動力學(xué)模型采用考慮滑轉(zhuǎn)滑移的動態(tài)分析模型；負(fù)載模型采用隨機(jī)擾動時變值.

3　半實物仿真平臺構(gòu)建

在進(jìn)行離線仿真確定仿真模型的正確性之后，進(jìn)行快速控制原型的開發(fā)，保留需要下載到半實物仿真系統(tǒng)中的模塊，用硬件接口關(guān)系代替原來的邏輯連接關(guān)系，對I/O接口進(jìn)行配置，設(shè)定軟硬件中斷優(yōu)先級，對系統(tǒng)進(jìn)行半實物仿真，驗證控制算法的有效性[6].

半實物仿真平臺如圖4所示，駕駛員輸入設(shè)備包括方向盤、油門踏板、制動踏板、換擋手柄，半實物仿真機(jī)采用dSPACE半實物仿真平臺.利用真實的方向盤、油門踏板等操縱系統(tǒng)將駕駛員操作指令輸入，同時轉(zhuǎn)換為輸入信號輸入綜合控制器，綜合控制器運行控制算法解算出兩個電機(jī)的目標(biāo)扭矩指令，發(fā)送給dSPACE中的系統(tǒng)模型，進(jìn)行雙電機(jī)耦合驅(qū)動轉(zhuǎn)向性能半實物仿真.

4　半實物仿真驗證

在柏油路和農(nóng)村松軟路兩種路面下，通過油門踏板和方向盤配合，進(jìn)行車輛轉(zhuǎn)向性能半實物仿真.

1)農(nóng)村松軟路仿真.

在0～40 s區(qū)間油門踏板穩(wěn)定在0.4，同時在20～30 s區(qū)間方向盤穩(wěn)定在0.4，進(jìn)行一組中等半徑轉(zhuǎn)向輸入；在40～80 s區(qū)間油門踏板穩(wěn)定在0.2，同時在50～70 s區(qū)間方向盤穩(wěn)定在0.6左右，進(jìn)行一組小半徑轉(zhuǎn)向輸入.

2)柏油路仿真.

在80～150 s區(qū)間油門踏板穩(wěn)定在0.6，同時在120～130 s區(qū)間方向盤穩(wěn)定在0.2左右，進(jìn)行一組大半徑轉(zhuǎn)向輸入，信號輸入見圖5.

在此輸入條件下，對比兩側(cè)電機(jī)目標(biāo)扭矩及實際輸出扭矩(見圖6、圖7)、目標(biāo)相對轉(zhuǎn)向半徑及仿真輸出相對轉(zhuǎn)向半徑(見圖8)、目標(biāo)車速及仿真車速(見圖9)以及轉(zhuǎn)向功率平衡曲線(見圖10).

第一次轉(zhuǎn)向時是在困難路面下，目標(biāo)車速穩(wěn)定在30 km/h左右，到第20 s開始轉(zhuǎn)向，目標(biāo)相對轉(zhuǎn)向半徑為8.6，實現(xiàn)的相對轉(zhuǎn)向半徑為9.4(圖8)；第二次轉(zhuǎn)向也是在困難路面進(jìn)行的，目標(biāo)車速穩(wěn)定在9 km/h左右，在第50 s時進(jìn)行目標(biāo)相對轉(zhuǎn)向半徑為3.9的轉(zhuǎn)向，實現(xiàn)的相對轉(zhuǎn)向半徑為4.2；第三次轉(zhuǎn)向是在良好路面下，車速穩(wěn)定在47 km/h左右，進(jìn)行目標(biāo)相對轉(zhuǎn)向半徑為27.4的轉(zhuǎn)向，車輛實現(xiàn)的相對轉(zhuǎn)向半徑為27.9。半實物仿真結(jié)果表明，雙電機(jī)耦合驅(qū)動的履帶車輛相對轉(zhuǎn)向半徑誤差較小，最小誤差可控制在2%以內(nèi)，轉(zhuǎn)向穩(wěn)定性良好.

圖5　踏板和方向盤信號

圖6　左側(cè)電機(jī)的目標(biāo)扭矩及輸出扭矩

圖7　右側(cè)電機(jī)的目標(biāo)扭矩及輸出扭矩

圖8　目標(biāo)相對轉(zhuǎn)向半徑及仿真結(jié)果

圖9　目標(biāo)車速及仿真車速

圖10　轉(zhuǎn)向功率平衡

5　結(jié)　論

1)應(yīng)用半實物仿真平臺可以很好地驗證雙電機(jī)耦合驅(qū)動的履帶車輛的轉(zhuǎn)向控制策略的可實現(xiàn)性；

2)從模擬困難路面、良好路面下的車速、相對轉(zhuǎn)向半徑、電機(jī)輸出扭矩、轉(zhuǎn)向功率平衡曲線等半實物仿真結(jié)果來看，雙電機(jī)耦合驅(qū)動的履帶車輛相對轉(zhuǎn)向半徑誤差較小，表明在半實物仿真條件下，轉(zhuǎn)向穩(wěn)定性好，為轉(zhuǎn)向控制策略的制定提供參考依據(jù).

[1]方志強(qiáng)，高連華，王紅巖．履帶車輛轉(zhuǎn)向性能指標(biāo)分析及實驗研究[J]．裝甲兵工程學(xué)院學(xué)報，2005年，19(4):47-50．

[2]翟麗，孫逢春，谷中麗，等.電傳動履帶車輛電子差速轉(zhuǎn)向控制策略[J].北京理工大學(xué)學(xué)報，2009，29(2):113-117.

[3]劉翼，蓋江濤，陳泳丹，等．電傳動履帶車輛轉(zhuǎn)向自適應(yīng)控制策略仿真分析[J]．車輛與動力技術(shù)，2015，(1):5-10.

[4]翟麗，孫逢春，谷中麗.電子差速履帶車輛轉(zhuǎn)向轉(zhuǎn)矩神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID控制[J]. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報，2009，40(2):1-5.

[5]劉翼，毛明,馬曉楓，等．零差速電傳動履帶車輛轉(zhuǎn)向負(fù)載自適應(yīng)控制策略研究[J]．車輛與動力技術(shù)，2013，(1):7-11.

[6]蓋江濤，黃守道，周廣明，等．雙電機(jī)耦合驅(qū)動履帶車輛自適應(yīng)滑模轉(zhuǎn)向控制[J]．兵工學(xué)報，2015，(3):405-411.

Semi-physical Simulation Analysis of Steering Performance of Electric Vehicles

MA Tian,LIU Yi,ZHANG Xin,WAN Fan

(China North Vehicle Research Institute, Beijing 100072, China)

Based on double side motors coupling drive transmission for tracked vehicles, the self-adaptive steering control method based on model reference has been put forward. This reached dynamic compensated control. Simultaneously, simulation model of steering performance is proposed,and semi-physical simulation platform for steering performance is established. The result of semi-physical simulation under blacktop and country road indicated that the relative steering radius error of double side motor coupling driven vehicle is very small, the steering stability of the vehicle is improved, which provides a reference to put forward steering control strategy for double side motor coupling driven vehicle.

double side motor coupling drive； steering performance； semi-physical simulation

1009-4687(2016)01-0035-05

URL: http://www.cnki.net/kcms/detail/11.4493.TH.20150928.1039.004.html

2015-03-16.

10.16599/j.cnki.1009-4687.20150928.002

馬田(1982- )，女，副研究員，研究方向為車輛電傳動.

TJ81+0.323；TP391.77

A