电传动轮式装甲车的动力性能和转向性能仿真分析

廖自力，鲍明治，阳贵兵，刘春光

(装甲兵工程学院控制工程系，北京 100072)

传统的电传动车辆的性能仿真，受限于单一平台，电机的负载通常都是静态的理论模型，不能反应车辆在实际路面行驶时，电机负载的动态变化情况，仿真结果有很大的局限性.多个软件协同仿真技术的运用［1］，为解决这一问题提供了新的途径.通过将动力学建模软件ADAMS与控制系统建模软件Matlab结合，实现了车辆动力学模型与电机驱动系统模型的联合搭建;通过机电联合仿真，实现了电机在动态加载的情况下，车辆性能的仿真分析.

1 串联式轮毂电机驱动方案［2］

该方案是由发动机带动发电机发电，发电机发出的电能以及动力电池发出的电能共同给轮毂电机供电，轮毂电机安装在车轮内部，通过行星减速机构驱动车轮，实现各轮独立驱动.该方案中没有传统机械传动车辆的变速箱、离合器、差速器、传动箱和传动轴等装置，增加了发电机、动力电池、超级电容、功率DC/DC变换器以及驱动电机及其控制器等装置.整体方案如图1所示.

图1 方案结构框图

2 驱动电机及其控制系统建模

轮毂电机采用永磁同步电机(PMSM)，这种电机具有功率密度高、运行稳定以及在低速时能输出较大的扭矩等特性［3］.采用最常用的dq轴数学模型法［4］，建立电机的dq轴的电压、磁链、电磁扭矩和机械运动方程.

电压方程为

磁链方程为

电磁扭矩方程为

运动方程为

式中:Lq、Ld分别为电机q轴和d轴电感，H;iq、id分别为电机q轴和d轴电流，A;Rs为电机定子绕组电阻，Ω;ω为电机转子机械角速度，rad/s;uq、ud为电机q轴、d轴电压，V;ψf为永磁磁链，Wb;P为电机磁极对数;Te为电机电磁扭矩，N·m;TL为负载扭矩，N·m;B为转动摩擦系数;J为总的转动惯量，kg·m2.

对永磁同步电机采取最大扭矩/电流控制和弱磁控制相结合的控制方法［5］.在Matlab中建立的永磁同步电机控制模型如图2所示.

图2 驱动电机的控制结构框图［5］

3 基于ADAMS的车辆动力学建模

在ADAMS环境下，以模板方式建立了车身模型、四桥的悬架模型、双桥转向系统模型、车轮和地面模型.车身模型是根据样车尺寸，在三维软件中建成并导入到ADAMS中;本车采用滑柱摆臂式独立悬架和单纵臂式独立悬架两种悬架模型;轮胎模型采用UA轮胎，通过修改轮胎特性属性文件对轮胎参数进行定义;路面模型通过ADAMS/Car模块下的路面建模器进行创建.整车模型如图3所示.

图3 车辆虚拟样机动力学模型

其中，双桥转向系统模型的建模依据原理如下:如图4所示.以三、四轴线之间的中间平行线为基线，可求出第一桥和第二桥的转向梯形理论特性关系.

图4 双桥转向原理示意图

为了保证各转向轮转向时都尽量作纯滚动，第一、二桥所有的转向轮转角应符合式(5)～式(7)的转角关系［6］.

式中:α1、α2分别为第一轴和第二轴的外轮转角;β1、β2分别为第一轴和第二轴的内轮转角;B为两主销中心线到地面交点之间的距离;L1、L2分别为第一轴和第二轴到转向中心的距离.

在ADAMS环境下，采用平面四连杆机构实现双桥转向的运动学关系［7］.将四连杆机构设计成断开的不等臂的梯形结构，使两转向桥的转角符合阿克曼理论转角关系.在ADAMS中，通过对单桥转向系统进行二次开发所建立的双前桥转向系统如图5所示.

图5 双前桥转向系统图

4 联合仿真模型

联合仿真模型如图6所示.各模块组成及定义如下:

1)定义油门开度.驾驶员输入信号用拟合的σ∈［0，1］表示油门开度，对应驱动电机扭矩的初始给定值T=σ×1000，单位N·m.

2)电机模块.电机模块包含8个完全相同的永磁同步电机模型，输入端为车速(v)、车轮转速(w1～w8)以及驾驶员所给定的电机扭矩初始值(Th1～Th8).输出为8个电机的扭矩(T1～T8).

3)车辆动力学模块.输入各车轮的扭矩，并将车辆的运行状态信息反馈给电机模块，形成闭环控制.

图6 联合仿真模型

5 联合仿真实验

5.1 车辆加速度性能及最高车速仿真

设置仿真路面为良好路面，其附着系数为0.8，仿真时间为45 s.对于轮式装甲车辆而言，通常车辆的加速性能是以车速由0加速到32 km/h时所用的加速时间来表示.采用8轮同时驱动，给定每个驱动电机相同的扭矩1000 N·m.通过仿真对车辆加速性能及最高行驶车速进行评价，仿真结果如图7～图9所示.

图7 车辆直驶加速仿真

图8 车辆加速性能仿真曲线

图9 电机输出扭矩曲线

由加速性能的仿真结果可知:在水平路面上加速时，所有驱动电机全功率运行时车辆由0加速到32 km/h时的加速时间为5.8 s，最高车速达到100 km/h.满足车辆行驶的加速性能和最高车速行驶指标:行驶速度由0加速到32 km/h时最大加速时间不得超过8 s，最高车速为100 km/h.

5.2 爬坡性能仿真分析

爬坡性能，是混合电驱动装甲车辆的一项重要性能指标.根据指标要求，最大爬坡度为30°.利用路面建模器建立30°坡度路面，坡面垂直高度为30 m，坡长60 m.仿真开始时，给每个驱动电机施加1000 N·m的最大驱动扭矩，仿真结果如图10～图12所示，其中，图12是最后轴的驱动电机扭矩输出.

由仿真结果可知:车辆在规定的驱动力范围内，顺利完成了30°坡的爬坡试验.从第5 s开始，车辆在坡道上以较平稳的速度进行爬坡，车速始终保持在10 km/h以上，达到爬坡规定的车速.

图10 车辆爬坡性能仿真

图11 爬坡性能仿真结果曲线

图12 电机扭矩输出曲线

5.3 转向性能仿真分析

采用轮毂电机驱动的轮式装甲车辆，转向时，可以通过转向机构实现自然转向，与此同时，也可以改变两侧电机的扭矩，实现如履带式车辆般的差速转向或叫滑移转向，以减小转向半径，增加转向的灵活性.仿真时，采用双重转向方式和纯转向桥转向两种方案作为对比:

纯转向桥转向:两侧电机扭矩始终保持不变，只依靠转向桥转向.

双重转向方式:转向桥转向的同时，根据车辆横摆角速度的要求，给定内外侧电机不同的的扭矩分配.仿真结果分别如图13和图14所示.

图13 纯转向桥转向仿真结果

图14 双重转向方式仿真结果

两种方案给定的8个电机的总扭矩相同.由图13可知，只依靠自然转向，车辆在较高车速时没能完成规定弯道的转向行驶.由图14可知，采用双重转向方式后，车辆成功实现规定的转向.仿真结果充分体现采用轮毂电机驱动轮式车辆具有更好的转向灵活性.

6 结论

以某型8轮独立驱动车辆为研究对象，分别基于动力学软件ADAMS和控制软件Matlab，建立了车辆动力学模型和电机控制系统模型，通过搭建机-电联合仿真模型，实现了电机在动态加载情况下的联合仿真实验，联合仿真结果表明，车辆的动力性能和转向性能都满足性能指标要求.下一步将通过样车试验，对多软件联合仿真的结果进行验证.

［1］熊光楞，郭 斌，陈晓波.协同仿真与虚拟样机技术［M］.北京:清华大学出版社，2004.

［2］廖自力，马晓军，臧克茂.履带装甲车辆电传动方案比较分析［J］.兵工学报.2006，27(4):583-586.

［3］李崇坚.交流同步电机调速系统［M］.北京:科学出版社，2005.

［4］唐任远，现代永磁电机理论与设计［M］.1版.北京:机械工业出版社，2006.

［5］刘春光，臧克茂，马晓军.电传动装甲车辆用永磁同步电机的弱磁控制算法［J］.微特电机，2007，16(4):20-24.

［6］张代胜，肖海萍，周福庚.双前桥重型汽车轴间距及操纵稳定性分析［J］.合肥工业大学学报，2007，3(2):156-159.

［7］唐应时，李 克，黄自强.双前桥转向杆系的空间优化分析［J］.汽车技术，2006，6(8):22-25.