景玉軍

(中山職業(yè)技術學院，中山 528400)

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基于整車行駛穩(wěn)定性的電機故障和同步控制分析

景玉軍

(中山職業(yè)技術學院，中山 528400)

電驅動平地機行駛路況復雜，行駛過程中時常會出現(xiàn)部分電機發(fā)生通訊或系統(tǒng)故障，需要在驅動控制過程中采用主動的故障控制機制，以確保車輛安全行駛。當平地機在兩側附著系數(shù)相差較大的路面行駛時，易出現(xiàn)單側驅動輪過度滑轉和偏載工況。針對以上問題，基于整車行駛穩(wěn)定性，對電機故障控制和同步控制策略進行分析，制定了電機故障工況各輪驅動轉矩再分配的安全控制解決方案。利用Simulink搭建故障控制器和同步控制器模型，分析故障工況對整車行駛性能的影響。結果表明：故障和同步控制提高了車輛故障行駛的穩(wěn)定性和通過性。利用設計的故障和同步控制器對車輛在對開路面加速過程的打滑工況進行分析，分析車輪打滑對整車行駛性能的影響，同步控制提高了有效驅動功率，增強了整車通過性和穩(wěn)定性。

六輪電驅動平地機；牽引電機；故障控制；同步控制；行駛穩(wěn)定性；通過性

0 引 言

平地機(Grader)是用于路面整形作業(yè)的工程機械，根據(jù)其低速大扭矩作業(yè)、高速轉場和偏載同步控制等工作特性需求，電傳動控制表現(xiàn)出明顯的優(yōu)勢，而且電傳動具有更高的工作效率，因此電傳動平地機發(fā)展迅速。原地平地機采用六輪驅動，具有前輪轉向和鉸接轉向的復合轉向特性，各輪之間沒有機械差速器連接，牽引電機與動力源之間采用電纜連接，當部分電機發(fā)生故障時，會對正常行車造成一定的影響和危害，要解決應對故障的行車控制問題[1]。當平地機行駛于兩側附著系數(shù)相差較大的路面或鏟刀外移偏載作業(yè)時，容易出現(xiàn)單側輪過度滑轉，導致整機失去作業(yè)同步性。使得整機牽引功率下降，加劇輪胎的磨損，影響工作效率和整機壽命。因此，對其點傳動系統(tǒng)進行分析，研究電機故障和同步控制策略，充分利用多輪獨立控制的特點，對各輪牽引電機進行單獨調節(jié)，滿足平地機不同工況要求。

針對多輪電驅動車輛控制，國內外學者進行了一定的研究。文獻[2]基于車載網(wǎng)絡技術提出了一種包括車體運動控制層和控制力分配層的整車集成控制框架；文獻[3]研究適用于多輪獨立驅動車輛的動力學分層集成控制方法，上層采用非線性滑?？刂破鞯玫秸嚳v向力、側向力和橫擺力矩；控制分配層采用廣義逆計算方法將整車力和力矩轉化為各輪縱向滑移率和側偏角；文獻[4]研究了獨立驅動電動汽車的防滑和穩(wěn)定性控制技術，針對四輪驅動電動汽車提出了一種防側滑的控制方法，僅通過檢測電動機的電流和轉速來檢測車輪的滑動狀態(tài)；文獻[5]針對四輪獨立驅動電動車提出了分層結構的驅動力分配算法，改善車輛在濕滑路面或轉彎工況下的操縱性和穩(wěn)定性；文獻[6]研究了直接橫擺力偶矩(DYC)控制系統(tǒng)，通過對內外輪轉矩的實時分配控制，改善車輛操縱穩(wěn)定性。

針對六輪獨立驅動平地機的特點，分析牽引電機故障對車輛驅動特性的影響，針對平地機在低附著路面行駛或偏載作業(yè)時出現(xiàn)的打滑工況，結合其轉向行駛運動學分析，研究有效的判定條件及同步控制方法?；谡囆旭偡€(wěn)定性，對電機故障控制和同步控制策略進行分析，制定了電機故障工況各輪驅動轉矩再分配的安全控制解決方案。利用Simulink搭建故障控制器和同步控制器模型，分析故障工況對整車行駛性能的影響。對車輛在對開路面加速過程的打滑工況進行仿真，分析車輪打滑對整車行駛性能的影響。

1 電機故障控制和同步策略

1.1 電機故障控制策略

六輪驅動平地機電傳動系統(tǒng)結構如圖1所示。

圖1 電傳動系統(tǒng)結構圖

當車輛行駛過程中電機發(fā)生通訊或系統(tǒng)故障時，主控制器通過CAN總線檢測到故障信息后應自動切入緊急故障控制狀態(tài)，并將檢測到的故障信息反饋到駕駛室的智能監(jiān)控界面，通知駕駛員采取緊急停車處理。若駕駛員無法及時察覺故障情況，不僅會造成車輛跑偏，甚至導致嚴重事故[7]。這些問題都會給車輛的安全行駛帶來隱患，也增大了駕駛員的駕駛負擔，因此有必要在驅動控制過程中采用主動的故障控制機制，以確保車輛安全行駛。

牽引電機的故障工況包括：單電機故障，對側或同側電機故障以及多電機故障[8]，各電機故障因子γi的定義：

(1)

當電機發(fā)生故障時，故障因子γi置 0，驅動系統(tǒng)對故障電機不分配驅動轉矩，對正常工作的牽引電機按等狀態(tài)重新分配驅動轉矩，這樣可以有效發(fā)揮車輪載荷的附著牽引能力[9]。通過限制給定牽引功率并按牽引特性曲線限制正常工作電機的給定轉矩指令，保證整車在較低車速和兩側牽引電機總輸出轉矩均衡的工況下運行，故障控制框圖如圖2所示。這樣使得整車在部分電機出現(xiàn)故障時仍具有較好通過性和安全行駛穩(wěn)定性[10]。

圖2 電驅動系統(tǒng)故障控制框圖

1.2 電機同步控制轉矩分配

當平地機在兩側附著系數(shù)相差較大的路面行駛時，易出現(xiàn)單側驅動輪過度滑轉的情況；作業(yè)過程中會出現(xiàn)偏載工況。這種負載引起非完全滑轉，會降低有效牽引力和整機壽命，加劇輪胎磨損，增大系統(tǒng)能量損耗，故要求整機具備同步控制作業(yè)功能。

同步控制是指在上述工況下保持兩側驅動輪轉速一致的控制方法。這種控制方法通過調節(jié)各輪電機的輸出轉矩實現(xiàn)多輪轉速同步協(xié)調控制，具有響應迅速、控制準確，可靠性高等優(yōu)點[11]。

平地機能夠通過前輪偏轉和鉸接兩種方式實現(xiàn)轉向，其作業(yè)和轉場行駛時主要采用前輪偏轉的形式，當鉸接轉向油缸以零度轉角鎖止時，視前后車架為剛性聯(lián)接[12]。前輪轉向示意圖如圖3所示，取右前轉向輪 f 為內輪，左前轉向輪a為外輪，則理想純滾動的內外輪轉向角關系如式：

圖3 平地機轉向示意圖

(2)

式中：α為f 輪轉向角；β為a輪轉向角；δ為前軸中點名義轉角；K為主銷中心距；L為前后軸距。

當平地機在水平地面上繞轉向中心O點采用鉸接轉向時，前軸中點和后軸中點的轉向半徑RH，RB滿足式(3)的關系：

(3)

式中：θ為鉸接轉向角；rl為后橋車輪中心至后軸的距離；B為輪距；LH,LB為前、后軸至鉸接點的距離。

由此可得到鉸接轉向時6個車輪的轉向半徑：

(4)

當復合轉向時，根據(jù)圖2中的圖形幾何關系并利用正弦定理得：

(5)

bc輪心連線中點的轉向半徑 Rbc和de輪心連線中點的轉向半徑 Rde滿足式如下的關系[13]：

(6)

聯(lián)合式(5)和式(6)可得：

(7)

則，復合轉向時各輪的轉向半徑：

(8)

2 基于Simulink控制策略模型

2.1 故障控制器模型

故障控制機制是利用 MATLAB提供的S函數(shù)實現(xiàn)控制，故障控制器模型如圖4所示。故障控制層是在上層驅動轉矩分配的基礎上，建立基于轉矩控制的多變量輸入、多變量輸出的S函數(shù)模塊。根據(jù)控制所需的驅動系統(tǒng)電機數(shù)量對mdlInitializeSizes子函數(shù)進行修改，并利用mdlOutputs 函數(shù)定義故障控制的輸入、輸出變量，按照故障控制機制定義控制語句。

2.2 同步控制器模型

車輛在附著系數(shù)較低路面或偏載工況下行駛，同步控制的目標是盡量充分利用打滑車輪的地面附著條件，提高整車的通過性。對于實際控制系統(tǒng)，由于控制對象結構參數(shù)的時變特性和外界負載干擾等因素的影響，很難保證打滑車輪電機轉速與目標轉速完全相等[14]。因此不要求驅動輪轉速恒等于目標轉速，只要保證驅動輪轉速和目標轉速的誤差在一定范圍內即可，這里取5%。

同步控制器的判定程序和轉速協(xié)調控制功能由MATLAB軟件提供的S函數(shù)完成，其Simulink模型如圖5所示。當打滑判定生效后，系統(tǒng)實時計算的平均轉速與打滑車輪輪電機轉速的偏差進行轉速協(xié)調控制，S函數(shù)的輸出為各輪電機轉矩(電流)的調節(jié)量。

圖5 同步控制器模型

2.3 同步控制整體結構模型

同步控制與電機驅動系統(tǒng)整體結構如圖6所示。同步控制器的輸入為各驅動電機當前轉速、上層分配目標電流和電機外特性參數(shù)，當判定成立后控制輸出目標電流的調節(jié)量，結合上層分配電流得到的最終目標電流值輸入電機驅動系統(tǒng)[15]。電機驅動系統(tǒng)輸出的電機轉矩經(jīng)輪邊減速器驅動以S函數(shù)形式調用的整車模型adams_sub，車輪轉速再反饋回電機驅動系統(tǒng)和同步控制器。

圖6 同步控制整體結構圖

3 故障控制和同步控制分析

3.1 故障控制分析

電機故障控制方法，對車輛在良好路面上啟動加速過程發(fā)生電機故障的工況進行控制仿真分析。設計的故障工況如表1所示。

表1 電機故障工況分析

工況I分析結果如圖7所示。由圖7(a)可知，車輛加速行駛過程第3 sa輪電機故障，根據(jù)安全性控制規(guī)則保證兩側正常工作電機的輸出轉矩均衡，即左側后橋b輪和c輪電機的轉矩之和等于右側電機的轉矩之和，且前、后橋電機按等狀態(tài)分配驅動轉矩。左側兩電機的轉矩明顯增大，右側電機轉矩經(jīng)過調整后略有增大，以滿足需求啟動轉矩的要求。圖7(b)為無控制和采用故障控制兩種模式的車輛橫擺角速度和側向加速度對比曲線。由圖可見，采取故障控制后車輛的橫擺角速度和側向加速度只出現(xiàn)了微小的波動，且最終穩(wěn)定在零附近，表明故障控制提高了車輛故障行駛的穩(wěn)定性。

(a) 各輪電機的轉矩曲線

(b) 橫擺角速度和側向加速度曲線

圖7 工況I分析結果

工況 II分析結果如圖8所示。

(a) 各輪電機的轉矩曲線

(b) 橫擺角速度和側向加速度曲線

圖8 工況II分析結果

由圖8(a)可知，當?shù)?3 sa輪和e輪電機發(fā)生故障，兩側正常工作電機的轉矩經(jīng)過調整后等幅繼續(xù)增大，始終保持兩側電機的輸出轉矩均衡。左側后橋兩輪驅動轉矩相等，右側f和d輪按橋荷比分配驅動轉矩。如圖8(b)所示，由于兩側各有一臺電機出現(xiàn)故障，所以對整車橫擺角速度和側向加速度的影響小于工況I，采用故障控制后兩個參數(shù)都基本穩(wěn)定在零附近，保證了車輛行駛穩(wěn)定性。

工況 III分析結果如圖9所示。

(a) 各輪電機的轉矩曲線

(b) 橫擺角速度和側向加速度曲線

圖9 工況III分析結果

由圖9(a)可知，當?shù)?3 s左側的a輪和b輪電機發(fā)生故障，基于上層轉矩分配和中層故障控制調節(jié)作用后保持兩側輸出轉矩均衡，c輪的輸出轉矩明顯增大，在有限的地面附著條件下易增大車輪的滑轉程度。曲線S1為單獨故障控制；曲線S2為駕駛員干涉的故障控制：第4～5 s減小2%踏板行程，駕駛員通過減小加速踏板行程使得整車驅動轉矩減小。如圖9(b)所示，即使同側兩臺電機故障，采用故障控制后整車仍能夠保持良好行駛穩(wěn)定性。

工況IV分析結果如圖10所示。

(a) 各輪電機的轉矩曲線

(b) 橫擺角速度和側向加速度曲線

圖10 工況IV分析結果

由圖10可知，當車輛行駛過程中出現(xiàn)單側電機全部故障時，較大的橫擺力矩會使得整車突然橫擺失穩(wěn)，容易造成駕駛員來不及修正或出現(xiàn)誤操作。為確保車輛緊急情況安全行駛，將對側電機的轉矩也置零，確保車輛兩側驅動轉矩的平衡，在一定程度上增加安全性能。轉矩曲線如圖10(b)所示，當需要緊急轉移或跛行回家時，通過使能開關強制控制單側電機工作，單靠駕駛員方向修正驅動車輛行駛。

3.2 同步控制分析

通過修改兩側車輪路面附著系數(shù)模擬車輛在對開路面行駛，左輪最高附著系數(shù)為0.8，右輪最高附著系數(shù)為0.2。車輛以等狀態(tài)控制加速至3.2 km/h后勻速行駛，第6～7 s各車輪施加1 500 N·m 的負載轉矩，模擬加載行駛工況。從第7 s開始駕駛員在0.2 s內突加20%加速踏板行程使車輛加速行駛。

(a) 電機轉速、轉矩曲線

(b) 橫擺角速度與轉速比曲線

圖11 無控制時分析結果

無同步控制時的分析結果如圖11所示，當同步控制沒有生效時，由于第6 s開始施加負載轉矩，在踏板給定功率下各輪轉速呈下降趨勢。第7 s加速時各輪電機驅動轉矩增大，低附著一側的f輪打滑，轉速迅速增大，轉矩下降至350 N·m，后橋e和d輪轉速也有較小波動。

結合電機的轉速和轉矩曲線可知，f輪打滑時電機的消耗功率比重增大，其他電機相應減少，導致整車牽引轉矩下降。由兩側車輪電機的轉速比和整車橫擺角速度曲線可見，前橋f輪與a輪的轉速比從第7.5 s 開始超出判定閾值，后橋兩側車輪的轉速比也有波動，但沒有超出閾值范圍。由于車速不高，f輪打滑時整車的橫擺角速度出現(xiàn)較小波動。

同步控制時的分析結果如圖12所示。

(a) 電機轉速-轉矩曲線

(b) 橫擺角速度與轉速比曲線

(c) 車速和電流系數(shù)曲線

圖12 同步控制下的分析結果

由圖12(a)和圖12(b)可知，前軸速比超出打滑判定閾值并持續(xù)1 s后，同步控制第8.6 s開始工作。在同步控制過程中，f輪消耗的功率隨著其轉速的下降而減小，整車用于驅動的有效功率隨之增加，因此其他車輪電機的驅動轉矩有所增大，從而增強了整車的通過性。同步控制使得打滑車輪轉速快速下降至平均水平，整車橫擺角速度的波動變得很小，車輛出現(xiàn)的輕微跑偏可以由駕駛員通過方向盤進行修正。由圖12(c)可知，同步控制是通過控制打滑車輪的轉矩達到調整轉速的效果，減小了系統(tǒng)損耗功率，從而增大了有效驅動功率，使車輛在同步控制時具有良好的通過性和穩(wěn)定性。在同步控制作用下，f輪的電流系數(shù)在 10.2 s 恢復到平均轉矩5%范圍內，可退出同步控制。

4 結 語

針對六輪獨立驅動平地機牽引電機故障及在低附著路面行駛或偏載作業(yè)時出現(xiàn)的打滑現(xiàn)象，結合其轉向行駛運動學分析，研究有效的故障控制和同步控制方法。基于整車行駛穩(wěn)定性，對電機故障控制和同步控制策略進行分析，制定了電機故障工況各輪驅動轉矩再分配的安全控制解決方案。利用Simulink搭建故障控制器和同步控制器模型，分析故障工況和打滑工況對整車行駛穩(wěn)定性的影響。結果表明：不同的電機故障工況分析可知，在控制策略下，故障輪的橫擺角速度和側向加速得到有效控制，車輛行駛穩(wěn)定；車輛在對開路面加速過程的打滑工況下，同步控制提高了有效驅動功率，有效控制車輪打滑，實現(xiàn)轉矩的再分配，增強了整車通過性和穩(wěn)定性；故障和同步控制提高了車輛故障行駛的穩(wěn)定性和通過性。

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Analysis of Fault and Synchronous Control of Traction Motor Based on Vehicle Handing Stability

JINGYu-jun

(Zhongshan Polytechnic, Guangdong 528400, China)

Electric drive grader driving road conditions is complex, and there are always some parts of motor communication or system failure in running, so the active fault control mechanism is need to be used to ensure that the vehicle safe driving. When the grader is running on the road that the friction coefficient of the road is a large difference between the two sides, there is easy to appear unilateral drive wheel over slip and partial load condition. To the above problems, based on the vehicle handing stability, the motor fault control and synchronous control strategy were analyzed, and the safety control solution of the wheel drive torque redistribution in motor fault conditions was established. The model of the fault controller and the synchronous controller was built based on Simulink, and the influence of the failure mode on the vehicle driving performance was analyzed. The results show that the stability and the passing of the vehicle fault are improved by the fault and the synchronous control. The design of the fault and synchronization controller for the vehicle in the process of driving on the road to speed up the process of the sliding mode, analysis of the impact of wheel slip on the vehicle driving performance, synchronous control to improve the effective driving power, and enhance the vehicle passed and stability.

six-wheel electric drive grader; traction motor; fault control; synchronous control; handing stability; traffic ability

2016-01-14

國家自然科學基金項目(51305333)；陜西省科學技術研究發(fā)展計劃工業(yè)攻關計劃項目(2014K07-23)

TM34

A

1004-7018(2016)08-0070-06

景玉軍(1979-)，男，碩士，講師，主要研究方向為智能交通及電機控制技術。