电传动履带车辆功率调节直线行驶控制仿真

刘春光，杨国军，郭志伸，曾庆含

(1.装甲兵工程学院　a.全电化技术实验室; b.控制工程系，北京　100072;2.内蒙古第一机械集团有限公司，内蒙古 包头　014032)



电传动履带车辆功率调节直线行驶控制仿真

刘春光1a,1b，杨国军2，郭志伸2，曾庆含1a

(1.装甲兵工程学院a.全电化技术实验室; b.控制工程系，北京100072;2.内蒙古第一机械集团有限公司，内蒙古 包头014032)

摘要：双侧电驱动履带车辆执行机构为驱动电机，两侧动力独立输出，控制灵活；为达到与传统机械车辆相同的驾驶感觉，设计了基于功率调节的直线行驶控制策略;为解决直线行驶两侧电机同步控制问题，研究了基于模糊规则的转矩补偿方法；基于Matlab和Recurdyn软件进行了直驶和转向工况仿真实验，表明所设计的控制策略能够提高车辆直线行驶的稳定性。

关键词：电传动；履带车辆；直线行驶；控制策略；联合仿真

军用电传动履带车辆行驶环境恶劣，运行工况复杂，路面负载具有很强的非线性和不确定性，常常导致两侧驱动电机负载的不均衡以及剧烈变化。与普通机械车辆相比，双侧独立式电传动履带车辆灵活实现了两侧主动轮不同的动力输出，但由于两侧驱动电机之间没有机械连接和约束[1]，因此将面临两侧主动轮速度差难以保持的问题。如何通过行驶控制合理地对两侧电机驱动系统进行动力分配，保证车辆直线行驶的稳定性，以满足不同工况下的行驶要求，提高车辆复杂路面的机动性、适应性以及操控性，成为电传动装甲车辆研究的重点。由于路面参数变化大，速度范围宽，采用固定参数PI控制补偿难以满足全工况直驶稳定性要求。要实现较宽速度范围内均能够实现对速度差的合理补偿，解决偏驶问题，可以借助模糊智能算法进行补偿控制器设计。

本文结合国内相关研究成果[1-2]，提出一种功率调节转矩补偿的直线行驶模糊控制策略，进行两侧动力调整，以实现车辆的稳定直驶。最后采用控制系统软件Matlab，结合能够精确模拟电机负载动态变化特性的动力学仿真软件RecurDyn，对控制策略进行了联合仿真实验验证。

1转向行驶控制策略

1.1控制策略需求分析

传统机械传动履带车辆直线行驶时，由于存在机械约束，直驶稳定性问题并不突出。比如单流传动履带车辆两侧主动轮间存在机械刚性连接，两侧主动轮速度任意时刻都相等，双流传动履带车辆转向功率流通过零轴能自动平衡两侧主动轮速差[1]。对于电传动履带车辆而言，双侧电机驱动系统相互独立，没有机械连接和约束，带来动力输出灵活的优点的同时，由于取消了转向机构以及转向离合器和制动器，主动轮没有任何机械连接和约束，面临两侧主动轮速度难以稳定保持同步的问题。

履带车辆行驶过程中，一方面两侧履带所受路面负载存在差异，另一方面实际当中电机特性不能完全达到设计要求，电机本身输出转矩存在不确定误差，造成电机动力输出与期望值存在差异[3]，若不对两侧转速进行控制，车辆直线行驶稳定性大大降低，降低车辆的操控性。尤其是当单侧电机故障时，故障电机处于自由旋转状态，完好侧电机仍然处于驱动状态，两侧驱动转矩出现较大偏差，高速行驶时引起车体行驶姿态变化，极其容易导致车辆冲出跑道，甚至出现急转弯、甩尾等极端情况，酿成事故。因此，制定相应的控制策略对两侧电机驱动力实施有效的动力学控制，以保证车辆直线行驶的稳定性，对于提高车辆的操控性、安全性等具有重要意义。

1.2控制策略总体结构

图1　功率调节控制结构框图

车辆直驶跑偏问题主要由在两侧路面阻力系数相差较大的对开路面条件下两侧电机负载出现差异以及电机输出转矩与期望值出现偏差，导致电机转速不同步引起的，为保证直驶稳定性，整车综合控制器必须能够根据电机状态变化不断调整电机输出转矩[4-5]，保证两侧转速尽量一致。本文采用取左、右侧主动轮的速度差值直接对两侧输出转矩进行补偿的控制策略解决直驶稳定性问题，提高车辆的直驶稳定性能，控制结构框如图2所示。

1.3模糊调节器设计

图2　直驶稳定性控制框图

图3　转矩补偿模糊控制器输入、输出模糊子集分布图

“如果E为PB和EC为ZE，则U为PB”

“如果E为ZE和EC为NB，则U为NB”

……

2基于Matlab与RecurDyn的联合仿真模型

电传动履带车辆具有复杂的多变量、非线性特征，是包括机械、控制、电子等多个不同学科领域子系统的综合体，为验证转向行驶控制策略的有效性，本文将基于Matlab的驾驶员操控系统、电机驱动系统以及行驶控制系统模型有机地和基于多体动力学仿真软件RecurDyn的车辆动力学模型结合起来，实现机械、电气、控制系统的一体化联合仿真[6]，联合仿真模型结构如图4所示。

图4　联合仿真模型结构

2.1电机驱动系统、行驶控制系统模型

电机输出性能(转矩、功率)是电机及其控制器的综合性能，建模时将它们视为一个整体考虑，不再考虑其内部复杂的电磁动态作用过程，而将重点放在输入输出特性上，直接利用Ansoft设计所得的稳态转速-最大转矩数据，生成外特性曲线，再加入一阶惯性环节进行动态修正，如图5所示。

图5　基于外特性曲线的电机驱动系统仿真模型

根据行驶控制策略，行驶控制器通过对驾驶员操控信号的解析，结合反馈的电机功率、转速信号，制定两侧电机的期望转矩，实现对两侧动力调节。以右侧行驶控制系统为例，其模型如图6所示。

图6　右侧驱动系统行驶控制模型

2.2车辆动力学模型

动力学模型包含车体、炮塔、行动装置三部分，首先根据实车原始设计尺寸建立了车辆三维实体模型；而后利用RecurDyn 的TrackHM模块中建立了车辆行动装置模型，采用主动轮前置、双销式履带、双轮缘负重轮结构，采用扭杆式独立悬挂，整车共有1 024个自由度、38个约束[7]，如图7所示。

图7　履带式步战车动力学仿真模型

3直线行驶联合仿真实验

为了验证所研究的行驶控制策略能否满足车辆直线行驶稳定性的控制目标，选取对开路面、单侧电机故障两种行驶工况，展开联合仿真实验。

3.1对开路面直线行驶稳定性实验

图8为对开路面条件下直线行驶特性曲线，1 s开始油门踏板踩到50%，车辆由静止状态开始加速，4 s时车辆右侧路面阻力系数大大增加，6 s时两侧路面条件变为一致。

曲线图8(a)、图8(b)、图8(c)、图8(d)、图8(e)、图8(f)分别为引入转矩补偿控制前后的电机转速、输出功率曲线、横向偏移曲线。对比分析可见未作补偿前，对开路面行驶时两侧电机出现较大的速度差，车体直驶稳定性较差；引入转矩补偿控制后，对开路面行驶时左侧电机输出功率降低，右侧电机输出功率增大，左侧电机功率降低，使两侧电机转速差大大减小，横向偏移量减少5 m以上，直线行驶稳定性大大提高。其中4～5 s主要是因为右侧阻力突然增大，单纯靠外侧增加功率难以实现较小转速差，因此还需要左侧输出功率迅速下降，使左侧速度下降。

3.2单侧电机故障时的高速直线行驶实验

图9为高速直线行驶单侧电机故障情况下特性曲线，1 s时油门踏板踩到底，车辆由静止状态开始加速；35 s时车辆加速到60 km/h左右，直驶距离480 m，直驶偏移0.5～0.7 m，在一般标准5‰以内，此时左侧电机故障输出零转矩，左侧转速降低车辆发生较大偏驶；45 s时偏驶位移为8 m左右，车体偏转5°，如曲线图9(a)、图9(b)中虚线所示。

加入速度偏差补偿控制后特性曲线如图9(a)、图9(b)中实线所示，对比分析可知同等情况下，45 s时偏驶位移为4 m 左右，车体偏转2.5°，均减少了50%，保证驾驶员有足够时间对车辆状态进行调整，控制策略能够达到单侧电机故障时的保护效果。

图8　对开路面直线行驶仿真曲线

图9　单侧电机故障仿真曲线

4结论

本文提出了一种功率调节转矩补偿的直线行驶控制策略，并设计了基于模糊控制的转矩补偿控制算法，通过检测两侧电机转速差值不断调整电机输出转矩，保证两侧转速尽量一致。采用基于Matlab和RecurDyn的电传动履带车辆联合仿真模型，进行了对开路面和单侧电机故障两种工况的仿真实验，结果表明：该控制策略能够有效调节两侧电机动力输出，提高车辆直线行驶的稳定性，克服单纯功率调节时直线行驶跑偏的问题，为实车综合控制器研制奠定了基础。

参考文献：

[1]李军求，孙逢春.双侧独立电驱动履带车辆直线行驶控制策略研究[C]//第二届全电战斗车辆发展趋势及关键技术研讨会论文集，2010.

[2]张缓缓，王庆年.采用电动轮驱动的电动汽车转矩协调控制研究[D].吉林:吉林大学汽车工程学院，2009.

[3]张缓缓，王庆年.电动轮驱动电动汽车直线行驶转矩协调试验研究[J].汽车技术，2010(8):16-18.

[4]李剑.混合动力履带车辆制动控制策略研究[D].北京:北京理工大学机械与车辆工程学院，2009.

[5]郭汾，孙逢春，吴涛.电传动履带车辆横坡直驶控制策略研究[J].兵工学报，2008，29(3):258-260.

[6]刘春光.基于多平台联合的电传动装甲车辆建模与仿真研究[D].北京:装甲兵工程学院，2008.

[7]焦晓娟.RecrDyn多体动力学优化仿真技术[M].北京:清华大学出版社,2010：349-362.

[8]贾小平，马骏，于魁龙，等.履带车辆机电复合传动技术分类及研究现状[J].四川兵工学报，2015(10):1-4.

(责任编辑周江川)

本文引用格式：刘春光，杨国军，郭志伸，等.电传动履带车辆功率调节直线行驶控制仿真[J].兵器装备工程学报，2016(4):24-28.

Citation format:LIU Chun-guang, YANG Guo-jun, GUO Zhi-Sheng, et al.Simulation Research of Power Regulation and Torque Compensating Straight Driving Control Strategy for Electric Drive Tracked Vehicle[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2016(4):24-28.

Simulation Research of Power Regulation and Torque Compensating Straight Driving Control Strategy for Electric Drive Tracked Vehicle

LIU Chun-guang1a, 1b, YANG Guo-jun2, GUO Zhi-Sheng2, ZENG Qing-han1a

(1.a.Laboratory of All-Electrization Technology; b.Department of Control Engineering,Academy of Armored Force Engineering, Bejing 100072, China;2.Inner Mongolia First Machinery Group Co., Ltd., Baotou 014032, China)

Abstract:The dual-motor electric drive tracked vehicle takes the driving motor as the dynamic part. It has a flexible control with dual dynamic independent output. In order to fit the electric drive vehicle in traditional mechanic vehicle, a straight driving control strategy based on power adjustment was established. And a torque compensation strategy based on fuzzy regular was established to solve the problem of synchronizing control of dual motor. A straight driving and steering experiment was simulated in Matlab and Recurdyn. The conclusion shows that the designed control strategy can prove the stability of straight driving vehicle.

Key words:electric drive; tracked vehicle; straight driving; control strategy; collaborative simulation

文章编号：1006-0707(2016)04-0024-05

中图分类号：TJ81

文献标识码：A

doi:10.11809/scbgxb2016.04.007

作者简介：刘春光(1980—)，男，讲师，主要从事电传动车辆设计技术、行驶控制技术研究。

收稿日期：2015-10-25；修回日期：2015-11-29

【装备理论与装备技术】