王雙嶺，陳會(huì)鴿

(1.中原工學(xué)院，鄭州 451191；2.黃河科技學(xué)院，鄭州 450001)

多輪電驅(qū)動(dòng)平地機(jī)驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)分析

王雙嶺1，陳會(huì)鴿2

(1.中原工學(xué)院，鄭州 451191；2.黃河科技學(xué)院，鄭州 450001)

柴油發(fā)電機(jī)組提供電源、永磁無(wú)刷直流電機(jī)獨(dú)立驅(qū)動(dòng)是目前電動(dòng)輪車(chē)輛采用的結(jié)構(gòu)形式，為了更好地實(shí)現(xiàn)整車(chē)低速度大扭矩高效運(yùn)輸，制定合理高效驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制系統(tǒng)顯得尤為重要。根據(jù)永磁無(wú)刷直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和性能特征，針對(duì)牽引電機(jī)的不同驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩分配控制進(jìn)行研究，并搭建系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。在ADAMS/View中搭建簡(jiǎn)化的電動(dòng)輪多電機(jī)驅(qū)動(dòng)六輪平地機(jī)虛擬樣機(jī)模型，并在 Simulink 中搭建簡(jiǎn)化的轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)模型，基于以上模型建立整車(chē)和控制系統(tǒng)聯(lián)合仿真分析模型，對(duì)不同轉(zhuǎn)矩控制方案在車(chē)輛運(yùn)行中的控制特點(diǎn)進(jìn)行對(duì)比分析。搭建地面臺(tái)架模擬試驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)，對(duì)開(kāi)環(huán)控制下，轉(zhuǎn)向過(guò)程中，內(nèi)、外側(cè)輪轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩的變化趨勢(shì)及其對(duì)車(chē)輛轉(zhuǎn)向特性的影響進(jìn)行分析；采用不同的控制方案對(duì)前輪轉(zhuǎn)向過(guò)程進(jìn)行分析，以等狀態(tài)轉(zhuǎn)矩控制車(chē)輛復(fù)合轉(zhuǎn)向，對(duì)比分析各種控制方法的轉(zhuǎn)向控制特性和自適應(yīng)差速效果，試驗(yàn)分析結(jié)果驗(yàn)證控制系統(tǒng)和模型仿真的準(zhǔn)確性與可靠性，為此類(lèi)車(chē)輛設(shè)計(jì)研究提供參考。

多輪電驅(qū)動(dòng)；平地機(jī)；轉(zhuǎn)矩控制；永磁無(wú)刷直流電機(jī)；驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

0 引 言

電傳動(dòng)車(chē)輛牽引轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)是整車(chē)控制的核心。對(duì)于交-直-交電傳動(dòng)結(jié)構(gòu)的多輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)車(chē)輛而言，牽引轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)通過(guò)對(duì)各輪牽引電動(dòng)機(jī)進(jìn)行單獨(dú)控制以實(shí)現(xiàn)柴電機(jī)組動(dòng)力源負(fù)載功率控制，能夠充分吸收柴油發(fā)電機(jī)組輸出的功率并轉(zhuǎn)變?yōu)檩敵鲛D(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速，因此，選擇合適的控制方法對(duì)整車(chē)的驅(qū)動(dòng)性能產(chǎn)生很大影響[1]。車(chē)輛電傳動(dòng)技術(shù)具有廣泛的應(yīng)用前景，對(duì)比國(guó)內(nèi)外的發(fā)展現(xiàn)狀可知，國(guó)外已處于應(yīng)用階段，國(guó)內(nèi)還處于試制階段，因此，實(shí)現(xiàn)對(duì)直流電機(jī)轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的國(guó)產(chǎn)化設(shè)計(jì)，是實(shí)現(xiàn)此類(lèi)車(chē)輛完全國(guó)產(chǎn)化應(yīng)用必須解決的問(wèn)題。

在相關(guān)電動(dòng)汽車(chē)控制領(lǐng)域，國(guó)外的專家學(xué)者對(duì)電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制研究取得了一定的成果：文獻(xiàn)[2]研究了適用于多輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)車(chē)輛的動(dòng)力學(xué)分層集成控制方法，上層采用非線性滑?？刂破鞯玫秸?chē)縱向力、側(cè)向力和橫擺力矩；文獻(xiàn)[3]研究了一種四輪驅(qū)動(dòng)力的協(xié)調(diào)控制方法，控制目標(biāo)是增強(qiáng)車(chē)輛穩(wěn)定性并降低能量消耗；文獻(xiàn)[4]針對(duì)四輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)車(chē)輛提出了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID電子差速轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩綜合控制策略，協(xié)調(diào)分配四輪轂電機(jī)的轉(zhuǎn)矩，實(shí)現(xiàn)車(chē)輛轉(zhuǎn)向的電子差速控制；文獻(xiàn)[5]基于滑?？刂评碚摰尿?qū)動(dòng)防滑控制器應(yīng)用到極限工況和不同道路條件下的仿真分析中，控制提高了車(chē)輛的操縱穩(wěn)定性；文獻(xiàn)[6]以驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)矩響應(yīng)誤差為出發(fā)點(diǎn)，提出了整車(chē)轉(zhuǎn)矩協(xié)調(diào)控制方法，改善了車(chē)輛直線跑偏情況。

本文基于六輪驅(qū)動(dòng)電傳動(dòng)平地機(jī)牽引電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，該機(jī)采用柴油發(fā)電機(jī)組供電、永磁無(wú)刷直流電機(jī)獨(dú)立驅(qū)動(dòng)，對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)矩控制進(jìn)行分析，分析了牽引電機(jī)的不同驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩分配方法。根據(jù)永磁無(wú)刷直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和性能特征，建立其數(shù)學(xué)模型；在ADAMS/View中建立簡(jiǎn)化的六輪平地機(jī)虛擬樣機(jī)模型；在Simulink 中建立簡(jiǎn)化的轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)模型，并將以上模型聯(lián)立搭建聯(lián)合仿真模型。分析不同的轉(zhuǎn)矩控制法在車(chē)輛運(yùn)行中的控制特點(diǎn)。搭建臺(tái)架模擬試驗(yàn)系統(tǒng)，分析了開(kāi)環(huán)控制時(shí)轉(zhuǎn)向過(guò)程內(nèi)、外側(cè)輪轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩的變化趨勢(shì)及其對(duì)車(chē)輛轉(zhuǎn)向特性的影響。

1 牽引電機(jī)轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)

電傳動(dòng)車(chē)輛牽引轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)是整車(chē)控制的核心。獨(dú)立電驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)的車(chē)輛在恒轉(zhuǎn)矩和恒功率控制模式下，各輪驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩可以自由分配，這也是傳統(tǒng)機(jī)械傳動(dòng)所不具有的優(yōu)勢(shì)[7]?；谵D(zhuǎn)矩分配的控制策略主要有：

1)等轉(zhuǎn)矩分配

在恒轉(zhuǎn)矩控制和恒功率控制模式下，等值分配各輪的驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩，能達(dá)到傳統(tǒng)機(jī)械傳動(dòng)方式的轉(zhuǎn)矩分配效果[8]。多用于車(chē)輛起步或壞路面控制，提高車(chē)輛通過(guò)性指標(biāo)，各輪電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩按式(1)分配。

(1)

式中：Ti為各輪電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩；Ttar∑為整車(chē)總驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩；N為車(chē)輪個(gè)數(shù)；Iw為輪邊減速比。

2)等功率分配

等值分配各輪電動(dòng)機(jī)的牽引功率。各車(chē)輪牽引電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩分配滿足式(2)約束條件：

(2)

式中：Pd為電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)目標(biāo)驅(qū)動(dòng)功率；Pi為第i輪牽引電機(jī)的驅(qū)動(dòng)功率，i=1，2,3，…，N；ηmi為各輪電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的工作效率。

3)等狀態(tài)分配

對(duì)于六輪平地機(jī)，其擺動(dòng)式前橋和后橋平衡箱式設(shè)計(jì)均無(wú)懸架結(jié)構(gòu)，本文采用滿足工程控制要求的等狀態(tài)分配控制進(jìn)行分析。等狀態(tài)分配方法為動(dòng)力型控制，可有效提高附著力利用率以及車(chē)輛爬坡、急加速作業(yè)能力[9]。當(dāng)鉸接轉(zhuǎn)向油缸鎖止時(shí)，平地機(jī)的前后車(chē)架視為剛性聯(lián)接，可將前后車(chē)體的兩個(gè)質(zhì)心簡(jiǎn)化為整車(chē)一個(gè)質(zhì)心處理，平地機(jī)整車(chē)受力如圖 1所示。因后橋的平衡箱結(jié)構(gòu)，使后四輪(b，c，d和e輪)均衡承載，a，f輪為前輪。

圖1 平地機(jī)整車(chē)受力圖

(3)

(4)

式中：m為整車(chē)質(zhì)量；Nq、Nr為前、后橋載荷；Lc為整車(chē)質(zhì)心與鉸接點(diǎn)的間距；Ld為鉸接點(diǎn)與后軸的間距；L為前、后軸距。

各輪電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩按式(5)分配：

(5)

式中：kts為前橋橋荷系數(shù)；Tf，Tr為前、后橋車(chē)輪電機(jī)轉(zhuǎn)矩。

2 基于轉(zhuǎn)矩分配控制聯(lián)合仿真模型

2.1 永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)模型

此電機(jī)由機(jī)體本體、換向電路及轉(zhuǎn)子位置傳感器等三部分組成。通過(guò)轉(zhuǎn)子位置傳感器檢測(cè)轉(zhuǎn)子的磁極位置[10]。電子換相電路根據(jù)位置傳感器的輸出信號(hào)控制功率開(kāi)關(guān)器件的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，電機(jī)的電樞繞組根據(jù)給定的導(dǎo)通順序通電， 產(chǎn)生持續(xù)旋轉(zhuǎn)的磁動(dòng)勢(shì)，永磁無(wú)刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)圖如圖2所示。

圖2 永磁無(wú)刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)圖

此處所用無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的三相繞組為 Y 型連接，為合理的簡(jiǎn)化分析和方便計(jì)算，可獲得如下定子繞組的電壓平衡方程：

(6)

式中：p為微分算子，p=d/dt；uA，uB，uC為三相繞組的相電壓；Rs為定子繞組的電阻；iA，iB，iC為定子的相電流；eA，eB，eC為三相繞組的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)；LA，LB，LC為定子各相繞組的自感；LAB，LBA，LAC，LCA，LBC，LCB為每?jī)上嗬@組之間的互感。

由于電機(jī)的結(jié)構(gòu)對(duì)稱，自感和互感可認(rèn)為是與轉(zhuǎn)子位置無(wú)關(guān)的常值，設(shè)每相繞組的自感為L(zhǎng)S，相間互感為M，可知：

(7)

由于星型連接無(wú)中線，故有：

(8)

則，式(6)轉(zhuǎn)化為：

(9)

(10)

當(dāng)AB兩相導(dǎo)通時(shí)，電壓uAB等于直流電源電壓U，則：

(11)

當(dāng)AB相導(dǎo)通時(shí)，有iA=-iB=ia，故：

(12)

式中：e為感應(yīng)電壓差，e=ea-eb。

當(dāng)電機(jī)穩(wěn)態(tài)時(shí)，則：

U=2Rsia+e

(13)

由反電動(dòng)勢(shì)特性和電樞電流-電磁轉(zhuǎn)矩特性可得， 反電動(dòng)勢(shì)Te與轉(zhuǎn)速n成正比，電磁轉(zhuǎn)矩Te與相電流ia成正比。

(14)

式中：Te為電磁轉(zhuǎn)矩；Ce為電動(dòng)勢(shì)常數(shù)；Cm為轉(zhuǎn)矩常數(shù)。式(14)組成了永磁無(wú)刷直流電機(jī)的數(shù)學(xué)模型。

2.2 整車(chē)虛擬樣機(jī)模型

在ADAMS中建立簡(jiǎn)化的15自由度六輪平地機(jī)模型。其中，鏟刀牽引架與前機(jī)架前端通過(guò)固定副聯(lián)接，忽略其轉(zhuǎn)動(dòng)和擺動(dòng)功能。前輪轉(zhuǎn)向節(jié)與前橋通過(guò)旋轉(zhuǎn)副聯(lián)接；前機(jī)架和前橋橫梁通過(guò)旋轉(zhuǎn)副聯(lián)接實(shí)現(xiàn)擺動(dòng)[11]。前、后機(jī)架以旋轉(zhuǎn)副聯(lián)接，前、后機(jī)架通過(guò)添加Motion以鉸接點(diǎn)為中心整體轉(zhuǎn)向，用以模擬液壓轉(zhuǎn)向功能；擺動(dòng)梁與后橋以旋轉(zhuǎn)副聯(lián)接。根據(jù)平地機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，前、后橋均未使用任何彈性元件，采取剛性連接方式，不計(jì)元件變形以及各運(yùn)動(dòng)副內(nèi)摩擦力，整車(chē)模型如圖3所示。

圖3 平地機(jī)模型

整車(chē)主要參數(shù)如表1所示。

表1 平地機(jī)整車(chē)參數(shù)

2.3 聯(lián)合仿真模型

主控制器轉(zhuǎn)矩分配控制模型如圖4(a)所示，整車(chē)恒轉(zhuǎn)矩控制和恒功控制采用名為PCS的S函數(shù)實(shí)現(xiàn)，輸入?yún)⒘繛榧铀偬ぐ逍盘?hào)ACC_pedal、反饋功率Pz_fb、車(chē)速Car_speed和各電機(jī)轉(zhuǎn)速n_motor，函數(shù)輸出各電機(jī)的目標(biāo)電流指令。

基于Simulink的整車(chē)及驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)聯(lián)合仿真分析模型如圖4(b)所示，在車(chē)輛行駛過(guò)程中，駕駛員的操控信息轉(zhuǎn)換為動(dòng)力源與執(zhí)行單元電機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制信號(hào)，電機(jī)模型與整車(chē)模型通過(guò)路邊減速系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速的控制與反饋，將行車(chē)參數(shù)實(shí)時(shí)反饋至整車(chē)控制系統(tǒng)模型[12]。

(a)主控制器轉(zhuǎn)矩分配控制模型

(b)Simulink 聯(lián)合仿真模型

3 不同工況控制分析

3.1 縱向行駛控制

以六輪平地機(jī)為原型，利用搭建的聯(lián)合仿真平臺(tái)對(duì)多輪獨(dú)立電驅(qū)動(dòng)車(chē)輛進(jìn)行縱向行駛仿真研究。主要考察車(chē)輛在良好水平路面、車(chē)輪半徑不相等和不平路面工況下，采用不同轉(zhuǎn)矩分配方法直線行駛的運(yùn)行特性[13]。

(1) 水平路面直線行駛分析

車(chē)輛在最高附著系數(shù)為0.8的良好路面直線行駛。仿真時(shí)，駕駛員加速踏板從零階躍給定至40%，直行過(guò)程只采用等轉(zhuǎn)矩和等狀態(tài)兩種控制方式按照給定的轉(zhuǎn)矩上升斜率進(jìn)行控制仿真。車(chē)輛在水平路面縱向行駛兩側(cè)輪狀態(tài)相近，因此取一側(cè)車(chē)輪狀態(tài)參數(shù)進(jìn)行分析[14]。由圖5的電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩曲線可知，牽引電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了不同分配方式的轉(zhuǎn)矩控制，圖5(a)為等狀態(tài)控制，圖5(b)為等轉(zhuǎn)矩控制。

圖5 牽引電機(jī)轉(zhuǎn)矩曲線

圖6 車(chē)輪滑轉(zhuǎn)率曲線

由圖5和圖6的仿真結(jié)果可知，電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)采用等轉(zhuǎn)矩和等狀態(tài)兩種控制方式都能保證車(chē)輛直線行駛時(shí)具有良好的驅(qū)動(dòng)性能，等狀態(tài)控制比等轉(zhuǎn)矩控制的效果更好。

(2) 車(chē)輪滾動(dòng)半徑不同的直線行駛分析

假設(shè)車(chē)輛右側(cè)d，e，f輪由于胎壓下降導(dǎo)致滾動(dòng)半徑比額定胎壓時(shí)減小60 mm，其它車(chē)輪滾動(dòng)半徑為額定值980 mm。整車(chē)在良好附著路面上以等狀態(tài)控制直線行駛，分析結(jié)果如圖7所示。

圖7 車(chē)輪半徑不等行駛曲線

從圖 7可以看出，車(chē)輪滾動(dòng)半徑的減小會(huì)導(dǎo)致行駛阻力增大，在給定目標(biāo)功率條件下的最高車(chē)速有所下降。同時(shí)，滾動(dòng)半徑小的車(chē)輪轉(zhuǎn)速要大于滾動(dòng)半徑大的車(chē)輪轉(zhuǎn)速。由車(chē)輪滑轉(zhuǎn)率曲線可知，雖然滾動(dòng)半徑小的車(chē)輪滑轉(zhuǎn)率增大，但在加速過(guò)程中沒(méi)有出現(xiàn)過(guò)度滑轉(zhuǎn)的情況。在勻速行駛階段，由于兩側(cè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩相等，但地面給左右輪的驅(qū)動(dòng)力不等，因此導(dǎo)致兩側(cè)輪的滑轉(zhuǎn)率有所不同。

車(chē)輪滾動(dòng)半徑不同的仿真證明采用轉(zhuǎn)矩控制能夠使車(chē)輛實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)差速。由車(chē)輛側(cè)向位移曲線可知，當(dāng)兩側(cè)驅(qū)動(dòng)輪半徑不相等時(shí)，驅(qū)動(dòng)輪的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)主要由滾動(dòng)半徑和滾動(dòng)阻力來(lái)決定。當(dāng)半徑差異和滾動(dòng)阻力差別不大時(shí)，只要駕駛員進(jìn)行輕微的轉(zhuǎn)向修正就可以實(shí)現(xiàn)直線行駛，出現(xiàn)的跑偏量很小。

(3) 路面不平工況分析

車(chē)輛以等狀態(tài)控制先加速至3 km/h，當(dāng)左前輪剛駛上障礙時(shí)，轉(zhuǎn)速比右前輪低略低；跨越障礙過(guò)程中車(chē)速降低，左前輪比右前輪的轉(zhuǎn)速下降得少，兩側(cè)形成轉(zhuǎn)速差。

圖8 單邊障礙路面行駛的兩側(cè)輪速比曲線

前輪和后橋后輪的右側(cè)與左側(cè)車(chē)輪轉(zhuǎn)速比曲線如圖8所示，在此期間后橋車(chē)輪轉(zhuǎn)速有微小波動(dòng)。在擺動(dòng)橋兩輪相繼跨越障礙過(guò)程中，左后輪轉(zhuǎn)速高于右后輪。整個(gè)行駛過(guò)程各輪都沒(méi)有出現(xiàn)過(guò)度滑轉(zhuǎn)，仿真表明采用轉(zhuǎn)矩控制較好地實(shí)現(xiàn)了車(chē)輛行駛于不平路面的自適應(yīng)差速。

我靜悄悄地把信帶回家。動(dòng)過(guò)剖腹產(chǎn)手術(shù)的內(nèi)人和搖籃里的兒子都在沉睡。我默默地看著他們，心里說(shuō)：同志們，買(mǎi)煉乳的錢(qián)不愁了。

3.2 轉(zhuǎn)向行駛控制

首先進(jìn)行前輪轉(zhuǎn)向控制仿真，將車(chē)輛加速到7.8 km/h后勻速行駛，在第13 s時(shí)輸入一個(gè)隨時(shí)間變化的轉(zhuǎn)角左轉(zhuǎn)，到第14 s時(shí)達(dá)到0.17 rad，分析結(jié)果如圖9所示。

(a)等轉(zhuǎn)矩控制

(b)等狀態(tài)控制

(c)等功率控制

圖9 不同控制轉(zhuǎn)向曲線

圖 9(a)和圖9(b)分別為采用等轉(zhuǎn)矩和等狀態(tài)控制時(shí)后橋電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩曲線。由動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩曲線可知，電機(jī)轉(zhuǎn)矩從第13.0～13.2s內(nèi)由于轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)作用呈增減發(fā)散趨勢(shì)，通過(guò)控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)使得各電機(jī)在0.3 s內(nèi)恢復(fù)轉(zhuǎn)矩均衡狀態(tài)。其中，圖9(b)添加了兩前橋電機(jī)的轉(zhuǎn)矩曲線a和f，后橋電機(jī)轉(zhuǎn)矩比前橋電機(jī)電流的變化幅度小，兩種方法均較好地實(shí)現(xiàn)了外側(cè)輪轉(zhuǎn)速大于內(nèi)側(cè)輪的自適應(yīng)差速。圖9(c)為等功率控制時(shí)后橋電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩曲線。由于等功率控制時(shí)母線功率等比例分配給各輪電機(jī)，導(dǎo)致外側(cè)輪轉(zhuǎn)速增大而轉(zhuǎn)矩減小，內(nèi)側(cè)輪則相反。等功率控制與開(kāi)環(huán)控制類(lèi)似，其差速效果優(yōu)于開(kāi)環(huán)控制，但不如等轉(zhuǎn)矩和等狀態(tài)控制。

4 轉(zhuǎn)向工作特性試驗(yàn)分析

為研究電動(dòng)輪轉(zhuǎn)向工作特性，搭建了地面臺(tái)架模擬試驗(yàn)系統(tǒng)，如圖10(a)所示。

實(shí)驗(yàn)臺(tái)由一臺(tái)變頻電動(dòng)機(jī)模擬柴油發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)交流同步發(fā)電機(jī)發(fā)電，產(chǎn)生的交流電經(jīng)三相不控整流器輸出直流電，2臺(tái)4 kW永磁同步直流電動(dòng)機(jī)與電渦流加載器相連，二者之間通過(guò)T系列減速機(jī)連接，采用直流母線控制實(shí)現(xiàn)對(duì)兩臺(tái)電機(jī)逆變器的控制。試驗(yàn)臺(tái)將電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩作為調(diào)控目標(biāo)，車(chē)輛的轉(zhuǎn)向則通過(guò)調(diào)節(jié)電壓來(lái)實(shí)現(xiàn)[15]。

測(cè)試時(shí)，調(diào)節(jié)兩臺(tái)電動(dòng)機(jī)的初始工作電壓相等，電渦流加載器以恒定電流提供負(fù)載轉(zhuǎn)矩TL。此時(shí)兩臺(tái)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩大致相等，模擬直行工況下兩側(cè)牽引電動(dòng)機(jī)的工作狀態(tài)[16-17]。安裝有NJ扭矩測(cè)量?jī)x的電機(jī)為M1(模擬外側(cè)輪電動(dòng)機(jī))，保持M1的工作電壓不變，升高M(jìn)2工作電壓(模擬轉(zhuǎn)向時(shí)外側(cè)車(chē)輪轉(zhuǎn)速升高工況)，試驗(yàn)原理如圖10(b)所示。

(a) 實(shí)驗(yàn)臺(tái)

(b) 電動(dòng)機(jī)機(jī)械特性曲線

圖10(b)中，電壓為U1時(shí)， M1和M2機(jī)械特性曲線為L(zhǎng)ine1，當(dāng)電壓升至U2時(shí)，Line1變成Line2。由于M1和M2同軸，則M1轉(zhuǎn)速被拖至nB，而轉(zhuǎn)矩減至TB，穩(wěn)定于點(diǎn)B；M2此時(shí)在B1點(diǎn)，轉(zhuǎn)矩增至Ta。試驗(yàn)反映了轉(zhuǎn)向時(shí)內(nèi)、外側(cè)輪電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速的變化趨勢(shì)：內(nèi)側(cè)輪轉(zhuǎn)速降低，轉(zhuǎn)矩增大；而外側(cè)則相反。為試驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 電動(dòng)機(jī)M1和電動(dòng)機(jī)M2試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果

試驗(yàn)結(jié)果表明：開(kāi)環(huán)控制時(shí)外側(cè)輪轉(zhuǎn)速被拖高時(shí)輸出轉(zhuǎn)矩減小，內(nèi)側(cè)輪轉(zhuǎn)速下降時(shí)轉(zhuǎn)矩增大。當(dāng)轉(zhuǎn)向角度(模擬工作電壓差)較大時(shí)，外側(cè)輪電動(dòng)機(jī)會(huì)被反拖產(chǎn)生制動(dòng)轉(zhuǎn)矩，反饋通過(guò)直流母線影響其他電機(jī)，負(fù)荷越大越難出現(xiàn)拖轉(zhuǎn)發(fā)電工況。這種趨勢(shì)將增大內(nèi)側(cè)輪的滑轉(zhuǎn)率，加劇車(chē)輪的磨損，還可能導(dǎo)致短時(shí)過(guò)載。而且外側(cè)輪轉(zhuǎn)矩的減小將不利于轉(zhuǎn)速的提高，影響轉(zhuǎn)向特性。

圖11為模擬大角度轉(zhuǎn)向時(shí)內(nèi)、外側(cè)輪電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩-電流曲線。a點(diǎn)和c點(diǎn)分別為內(nèi)、外輪轉(zhuǎn)向前的穩(wěn)態(tài)點(diǎn)，此時(shí)可知：Ta=Tc=10 N·m，Ia=Ic=4.1 A。實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向后，可知U2增大，而M1的輸出轉(zhuǎn)矩隨轉(zhuǎn)速升高而減小，而與之對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)矩由正轉(zhuǎn)負(fù)則表明電機(jī)被反拖進(jìn)入發(fā)電狀態(tài)，而輸出制動(dòng)轉(zhuǎn)矩。其電流呈先減小后增大的趨勢(shì)，轉(zhuǎn)矩穩(wěn)態(tài)點(diǎn)由c移至d點(diǎn)；內(nèi)側(cè)輪M2轉(zhuǎn)矩則持續(xù)增大，由于實(shí)際開(kāi)環(huán)控制時(shí)其電壓也為U1，轉(zhuǎn)速將沿著機(jī)械特性曲線下降，轉(zhuǎn)矩穩(wěn)態(tài)點(diǎn)由a移至b點(diǎn)。當(dāng)升高外側(cè)輪電機(jī)M1電壓達(dá)到轉(zhuǎn)矩均衡后，兩電機(jī)電流(轉(zhuǎn)矩)恢復(fù)至均衡位置(即a、c點(diǎn))，實(shí)際工況下內(nèi)、外輪在轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)作用下出現(xiàn)速差。

圖11 電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩-電流曲線

5 結(jié) 語(yǔ)

基于轉(zhuǎn)矩控制對(duì)永磁無(wú)刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行分析，對(duì)等轉(zhuǎn)矩分配、等功率分配、等狀態(tài)分配等牽引轉(zhuǎn)矩控制策略進(jìn)行對(duì)比分析，建立永磁式無(wú)刷電機(jī)的數(shù)學(xué)模型，搭建了15 自由度電驅(qū)動(dòng)六輪平地機(jī)模型，基于以上模型搭建聯(lián)合仿真平臺(tái)，對(duì)多輪電機(jī)獨(dú)立驅(qū)動(dòng)車(chē)輛牽引電機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行分析。搭建地面臺(tái)架模擬試驗(yàn)系統(tǒng)，研究了同軸牽引電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)向工作特性。分析了開(kāi)環(huán)控制時(shí)轉(zhuǎn)向過(guò)程內(nèi)、外側(cè)輪轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩的變化趨勢(shì)及其對(duì)車(chē)輛轉(zhuǎn)向特性的影響。同時(shí)，采用不同控制方法進(jìn)行前輪轉(zhuǎn)向，復(fù)合轉(zhuǎn)向等，對(duì)比分析了各種控制方法的轉(zhuǎn)向控制特性和自適應(yīng)差速效果。

分析結(jié)果可知：在水平良好路面縱向行駛時(shí)，等狀態(tài)控制能將各輪滑轉(zhuǎn)率控制在較低水平，有效提高了附著力的利用率；當(dāng)車(chē)輪滾動(dòng)半徑有差異時(shí)，滾動(dòng)半徑較小的車(chē)輪驅(qū)動(dòng)力更大，轉(zhuǎn)速比滾動(dòng)半徑大的車(chē)輪高；當(dāng)車(chē)輛在不平路面行駛時(shí)，兩側(cè)車(chē)輪形成轉(zhuǎn)速差，兩種工況均通過(guò)等狀態(tài)轉(zhuǎn)矩控制實(shí)現(xiàn)了自適應(yīng)差速。

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Torque Control System Analysis of Drive DC Motors in Multi-Wheel Electric Drive Grader

WANGShuang-ling1,CHENHui-ge2

(1.Zhongyuan University of Technology,Zhengzhou 451191,China;2.Huanghe Science and Technology College,Zhengzhou 450001,China)

The diesel generators to provide power and permanent magnet brushless DC motor independent drive is currently used in the structure of electric drive wheel vehicle. In order to achieve low speed and high torque in transport, the formulated reasonable and efficient driving motor control system is particularly important. According to the structural characteristics and performance characteristics of permanent magnet brushless DC motor, to the different driving torque distribution of traction motor control research, the mathematical model of the system was built. The virtual prototype model of the simplified electric wheel motor was built based on ADAMS/View, and the simplified model of the torque control system was built based on Simulink. Based on the above model, the integrated simulation analysis model of the vehicle and the control system was established. The control characteristics of different torque control method in vehicle operation were analyzed. The ground test bench simulation test system was built to analyze the changing trend of the rotation speed and torque of the steering wheel and the effect on the steering characteristics of the vehicle. The steering process of the front wheel was analyzed by using different control methods. The steering control and adaptive differential effect of various control methods were compared. The accuracy of the control system and the model simulation are verified by the experimental results, which provide reference for the design and research of this kind of vehicle.

multi-wheel electric drive; grader; torque control; permanent magnet brushless DC motors; drive system

2016-05-21

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(61305080)；河南省教育廳自然科學(xué)基金項(xiàng)目(2013B610013)

袁駿(1990-)，男，碩士，主要研究方向?yàn)槎嚯姍C(jī)控制、參數(shù)辨識(shí)。

TM33；TM351

A

1004-7018(2016)12-0081-06