分布式純電動推土機控制策略設計及驗證

連鳳霞，鄧金濤

濰柴動力股份有限公司 電控研究院，山東 濰坊 261061

0 引言

推土機是土木工程中最常見的設備之一[1]，其能耗高、排放高的缺點已成為不可忽視的問題[2]。電傳動技術中的分布式驅動技術驅動傳動鏈短，傳動效率高，結構緊湊[3]，越來越受到國內外專家學者的關注。電傳動技術已在交通技術上得到廣泛應用，工程機械開始采用電傳動技術[4]。目前投放市場的分布式電傳動推土機只有美國卡特彼勒公司研制的 D7E型推土機，國內的電傳動推土機還處在起步階段[5]。趙勇等[6]參與研制的電傳動推土機即采用分布式驅動技術，目前尚未大規(guī)模推向市場。國內外在大功率電傳動履帶推土機上的研究開發(fā)和應用尚屬空白。

本文以某分布式純電動推土機為研究對象，基于推土機實際應用場景和工作模式，開發(fā)整車控制策略，搭建整車物理模型，通過離線仿真分析和實車驗證控制策略是否合理。

1 分布式純電動推土機電傳動系統(tǒng)結構介紹

常見的電傳動系統(tǒng)主要包括動力源、電源逆變器、驅動執(zhí)行機構、機械耦合和傳動系等，動力源一般包括發(fā)動機-發(fā)電機組、蓄電池組和超級電容等，驅動執(zhí)行機構包括驅動電機、液壓馬達。與傳統(tǒng)履帶推土機不同，電傳動系統(tǒng)沒有離合器、傳動軸、變速箱等機械部件，整機結構布置空間更大，可以實現原地轉向，行駛更加靈活，在制動或下坡工況時，還可實現再生制動能量回收[7-8]，進一步提高整車的經濟性。

在履帶式車輛中，驅動電機最常見的結構布置形式有3種：雙側獨立電傳動結構、“直駛電機+轉向液壓馬達”電液混合結構和“直駛電機+轉向電機”電傳動結構。根據能量流通路線與控制端口組件之間的連接關系，可分為串聯式、并聯式和混聯式3種結構形式，進而可以組合成9種電傳動結構形式[9-10]。與現有的電傳動系統(tǒng)不同，本文研究分布式純電動推土機，采用雙側獨立電機傳動結構，其能量來源是動力電池，結構更簡潔，如圖1所示。

圖1 分布式純電動推土機電傳動系統(tǒng)結構簡圖

整車控制器只需獨立控制兩側驅動電機的目標指令，實現車輛的正常行駛[11]，通過調整兩側電機的轉速差可實現不同方向盤轉角下的轉向需求。但在實際應用中，因路面不平、履帶兩側著陸地面附著系統(tǒng)不同、兩側系統(tǒng)載荷不同[12]或兩側驅動電機響應不一致等問題，可能存在行駛中自動偏離前進方向的現象[13]，轉向控制是電傳動履帶式車輛研究開發(fā)過程中的重要環(huán)節(jié)[14]。

2 分布式純電動推土機系統(tǒng)模型

2.1 整車行駛阻力模型

推土機作業(yè)時受到的阻力[15]

F=Ff+Fw+Fi+Fj+Fx，

式中：Ff為滾動阻力，Fw為空氣阻力，Fi為坡道阻力，Fj為加速阻力，Fx為工作阻力。

2.2 基于轉速控制的電機物理模型

本文推土機的驅動電機和工作電機均采用永磁同步電機[16]，永磁同步電機數學模型較復雜，工程應用時需對其進行簡化，保證可以反映電機的基本輸出特性，并提高策略驗證時聯合仿真運行的速度。

根據推土機的工作模式，驅動電機和工作電機均采用轉速控制模式[17]，根據電機工作特性數據在MATLAB/Simulink中建立基于轉速控制的電機物理模型[18]，電機的外特性曲線如圖2所示。

圖2 電機外特性曲線

根據圖2可得電機在任意轉速下的最大輸出轉矩

Tmax(n)=f(n)，

式中：f(n)為任意轉速下的外特性扭矩函數，n為電機轉速。

基于轉速控制方法對電機建模時，采用比例-積分-微分(proportion integration differentiation，PID)控制算法計算目標轉速和實際轉速的偏差[19-20]，并對計算結果進行上、下限值及步長的限制，得到電機實際響應轉矩

約束條件為:

式中：e(t)為設定轉速nr和實際轉速na的偏差，e(t)=nr-na，Kp、Ki、Kd分別為PID算法中的比例系數、積分系數和微分系數；t為時間;f(na)為當前轉速下的最大驅動扭矩;-f(na)為當前轉速下的最大制動扭矩;T(t-1)為上一時刻驅動電機的輸出轉矩;TStepLimit為電機最大允許的扭矩調整步長。

電機的物理模型如圖3所示。

圖3 電機物理模型示意圖

2.3 基于轉速控制的分布式純電動推土機電傳動系統(tǒng)模型

結合整車行駛阻力模型、基于轉速控的電機物理模型、駕駛員模型及整車控制模型，得到完整的基于轉速控制的分布式純電動推土機的電傳動控制系統(tǒng)模型，如圖4所示。

圖4 基于轉速控制的分布式純電動推土機電傳動系統(tǒng)模型

3 分布式純電動推土機系統(tǒng)控制策略設計開發(fā)

整車控制策略的主要作用是根據駕駛員的操作指令、整車各零部件的工作特性和工作要求，以及整車和各零部件的運行狀態(tài)的實時反饋信息，決策整車的工作模式及動力分配，在滿足各約束條件的前提下，實現駕駛員的作業(yè)要求[21-22]。整車控制策略是分布式純電動推土機系統(tǒng)的“大腦”，整車架構、零部件選型和運行工況等確定時，整車控制策略對整車動力性和經濟性的發(fā)揮起決定性作用。整車控制策略設計的核心是建立控制系統(tǒng)架構，整車控制策略框架如圖5所示。本文重點關注整車行走和作業(yè)控制。

圖5 分布式純電動推土機系統(tǒng)整車控制策略框架

由圖5可知：整車控制策略分為3個子模塊，即車速設定子模塊、電機轉速設定子模塊及功率限制子模塊。車速設定子模塊的主要功能是根據駕駛員的操作，決策當前狀態(tài)下駕駛員的車速需求以及液壓電機的工作模式；電機轉速設定子模塊的主要功能是根據車速設定子模塊決策的車速需求和液壓電機的工作模式，決策驅動電機和液壓電機的設定轉速，然后判斷整車是否存在轉向不足或轉向過度的情況，并根據判斷結果調整設定轉速，保證駕駛員的駕駛需求；功率限制子模塊主要根據動力電池的充放電限制功率，配合轉速設定功能決策的設定轉速，限制液壓電機和兩側驅動電機的功率。

4 分布式純電動推土機控制系統(tǒng)仿真分析與實車驗證

4.1 分布式純電動推土機控制系統(tǒng)仿真模型搭建

搭建分布式純電動推土機系統(tǒng)模型和控制策略開發(fā)完成后，在MATLAB/Simulink中搭建仿真模型,如圖6所示。左側藍綠色模塊為整車的控制模型，右側綠色模塊為整車的物理模型。

圖6 推土機系統(tǒng)Simulink模型

4.2 分布式純電動推土機控制系統(tǒng)仿真結果分析

4.2.1 車速設定子模塊仿真結果分析

車速設定是決定車輛能否按照駕駛員意圖行走的第一步，也是非常關鍵的一步。車速設定仿真結果如圖7所示。圖7a)中拇指滾輪狀態(tài)分別為0、1.0、-1.0時表示駕駛員沒有操作拇指滾輪、有增大設定車速需求、有減小設定車速需求。圖7b)中轉向狀態(tài)為分別0、1.0、-1.0時表示駕駛員希望車輛直行、希望車輛右轉、希望車輛左轉。圖7c)中擋位狀態(tài)分別為0、1.0、-1.0時表示當前擋位分別為空擋、前進擋、倒擋。

由圖7可知：前進擋初始設定車速為4 km/h，倒擋初始設定車速為5 km/h，通過調節(jié)拇指滾輪可增大或減小設定車速，空擋時可同時調整前進擋和倒擋設定車速，前進擋時只調整前進擋設定車速，倒擋時只調整倒擋設定車速，轉向時限制最高車速(設定前進擋最高車速為10 km/h，倒擋最高車速為6 km/h)。

圖7 車速設定子模塊仿真結果

4.2.2 轉速設定子模塊仿真結果分析

根據車速設定子模塊的計算結果，轉速設定子模塊將駕駛員的需求進一步轉化為電機的轉速控制需求，仿真結果如圖8所示。方向盤轉角信號為方向盤的轉向角，負值為左轉，正值為右轉，0為直行，左轉和右轉的相對轉向角為-100%～100%。設定轉速和設定車速成線性對應關系，車速為10 km/h時轉速為3000 r/min。

a)方向盤相對轉角 b)左側電機需求轉速 c)右側電機需求轉速 圖8 轉速設定子模塊仿真結果

由圖8可知：在擋狀態(tài)，直行時左、右側電機轉速相等，轉向時根據方向盤轉角的正負和大小調整兩側電機的需求轉速。

轉速設定原則為：1)低速轉向時，優(yōu)先保證轉向需求，小轉向角轉向時內側電機轉速減小，外側電機轉速增大，達到某一設定值時內側電機轉速為0，外側電機達到轉向最大轉速。達到轉向最大角時，內側電機反轉，轉速的絕對值為當前設定車速對應轉速，外側電機正轉，轉速的絕對值同樣為當前設定車速對應轉速；2)中速轉向時，保證轉向并考慮整車的安全性，外側電機保持設定轉速，內側電機根據轉向角的變化進行調整，轉向角較小時，減小內側電機轉速，隨著轉向角的增大，轉速降至0，然后反轉，反轉最大轉速為設定車速對應轉速；3)高速轉向時，優(yōu)先保證整車轉向安全，同時限制兩側電機最高車速，外側電機保持限制后的設定車速對應轉速，內側電機以限制后的車速對應轉速為基準，根據轉速設定原則2)調整內側電機轉速。電機轉速響應曲線如圖9所示。

由圖9可知，電機物理模型合理，可及時、準確地跟蹤整車的控制目標。

4.2.3 功率限制子模塊仿真結果分析

根據動力電池以及其他用電附件的工作情況，功率限制子模塊分別對液壓工作電機和驅動電機進行功率限制，保證動力電池不過充或過放，同時在電池能力范圍內保證駕駛員需求。

a)左側電機 b)右側電機 圖9 電機轉速響應曲線

首先對直行時兩驅動電機的功率進行仿真分析，如圖10所示。

圖10 直行驅動功率受限時電機轉速響應曲線

從圖10可知：驅動功率受限、轉速需求較高時，兩電機均在功率限制范圍內達到最高轉速；在轉速需求較低時，實際需求轉速按照駕駛員需求響應。

兩側驅動電機響應不一致時，通過功率限制可以保證電機實際轉速比與設定轉速比的差保持在一定范圍內，從而保證按照駕駛員意圖直行或者以某一轉向半徑轉向。左側電機最大轉速受限時功率限制調整右側電機轉速曲線如圖11所示，左側電機最大轉速受限時功率限值調整曲線如圖12所示。

圖11 左側電機最大轉速受限時功率限制調整右側電機轉速曲線

圖12 左側電機最大轉速受限時功率限值調整曲線

由圖11、12可知：左側電機出現正向最大轉速受限故障，限速1000 r/min時，通過功率限制可以調整直行時左側電機達到最高限制轉速時，右側電機轉速也在此最高限制轉速左右，轉向時以左側電機最高限制轉速調整右側電機轉速需求，從而保證實際轉速速比與設定轉速速比趨于一致。

4.3 分布式純電動推土機控制系統(tǒng)實車驗證結果

分布式純電動推土機實車外觀如圖13所示。

圖13 分布式純電動推土機

在分布式純電動推土機離線仿真的基礎上對控制策略進行驗證，車速設定子模塊實車驗證如圖14所示。

由圖14可知：前進擋初始設定車速為9 km/h，倒擋初始設定車速為9 km/h，調節(jié)拇指滾輪時可以增大或減小設定車速，在空擋時同時對前進擋和倒擋車速進行調整，轉向時限制最高車速(前進擋最高車速設定為10 km/h，倒擋最高車速設定為10 km/h)，并且轉向時對最高車速進一步限制(這里，轉向時前進擋最高車速設定為8 km/h，倒擋最高車速設定為6 km/h)，由轉向回到直行時設定車速同時恢復到轉向前設置。

圖14 車速設定子模塊實車驗證結果

轉速設定及整車響應實車驗證如圖15所示。

圖15 轉速設定及整車響應實車驗證結果

由圖15可知：在不同擋位狀態(tài)、不同轉向角度下，兩側電機均能按照轉速設定原則設定需求轉速，兩側電機響應均滿足驅動需求。

5 結語

本文從分布式純電動推土機的工作原理和實際運行模式出發(fā)，搭建了基于轉速控制方法的電機物理模型以及整車行駛阻力模型，并針對車速設定、電機轉速設定及功率限制功能等整車主要功能設計了整車控制策略，將物理模型和控制模型結合起來進行離線仿真分析，驗證了該車控制策略基本滿足需求。將經過離線測試驗證過的控制策略用于實車測試，進一步驗證了該策略的合理性和有效性。