趙富強 董競 李玉貴 鄧海龍 王鐵

（1.太原科技大學，重型機械教育部工程研究中心，太原 030024；2.太原理工大學，太原 030024）

主題詞：電動清掃車 多電機 模糊控制 道路垃圾數(shù)量

1 前言

電動清掃車動力系統(tǒng)將驅動電機、掃刷電機、吸塵電機等產生的轉矩和轉速，經過一系列動力傳動裝置傳遞給車輪及作業(yè)裝置，實現(xiàn)行駛與作業(yè)裝置運行。在清掃過程中，清掃效率受到掃刷轉速、道路清潔度、車速等多個因素共同作用；同時，受道路垃圾量影響，電動清掃車清掃工況頻繁加速、制動。為了更好地滿足道路保潔要求，避免清掃車動力供給不足、清掃效率低下、能耗損失大等問題，有必要開展電動清掃車多電機動力系統(tǒng)轉矩控制研究，實現(xiàn)轉矩合理分配，提高能效。

目前，對于電動汽車轉矩控制的研究主要集中于針對不同控制目標的控制策略。陳龍[1]等采用模糊控制策略對電動汽車的加速輸出轉矩進行控制，但未考慮電池組荷電狀態(tài)（State Of Charge，SOC）對輸出轉矩的影響。秦大同[2]、Tianjun Zhu[3]、徐凱[4]等提出了基于駕駛意圖識別的電動汽車驅動控制策略，該策略可根據(jù)駕駛意圖提高整車動力性；宋強[5]等提出了以油門踏板開度和電動機轉速確定純電動汽車基準轉矩的方法；Justo J J[6]等提出了利用電動汽車永磁同步電動機的模糊模型預測轉矩的控制策略，該策略具有控制簡單、能適應工況變化的特點。Anselma P G[7]、Runlin He[8]、B.Lenzo[9]等提出了轉矩優(yōu)化策略，改善了電動汽車的經濟性和動力性。上述文獻主要是針對影響電動汽車單個驅動電機轉矩開展的控制研究，而對電動清掃車這類多電機系統(tǒng)的轉矩控制還需要考慮道路垃圾數(shù)量變化造成的影響。

此外，針對多電機動力系統(tǒng)轉矩控制策略的研究主要有：羅亞琴[10]等提出以轉矩為控制量，將主電機控制器的輸出轉矩作為給定轉矩，從電機跟隨主電機轉矩的控制策略；Mr.Rajeev Singh[11]、薛誠[12]等提出基于空間矢量的轉矩控制策略，轉矩控制動態(tài)響應快；Gmyrek Z[13]等利用建立的靜態(tài)模型估計電機的滯后損失；黃啟然[14]等提出了快速終端滑?？刂扑惴ㄅc直接轉矩分配相結合的控制策略。張緩緩[15]等利用橫擺角速度作為反饋變量，對直線行駛過程中的驅動電機轉矩進行協(xié)調控制；佘致廷[16]等提出了一種無離合器兩擋變速電動汽車驅動電機控制方案，提升了電機的工作特性。上述文獻結合先進控制算法解決多電機動力系統(tǒng)轉矩分配問題，這為電動清掃車轉矩分配提供了一種思路。

綜上，現(xiàn)有文獻主要針對電動汽車驅動轉矩開展通用技術研究，而對于電動清掃車這類專用車輛，有必要考慮作業(yè)過程中道路垃圾數(shù)量對多電機轉矩分配的影響，從而提高整車動力性和經濟性。為此，本文在分析清掃車運行工況和道路垃圾量的基礎上，提出一種基于模糊控制的電動清掃車多電機動力系統(tǒng)轉矩控制方法。

2 電動清掃車多電機動力系統(tǒng)

吸掃式電動清掃車動力系統(tǒng)包括行駛驅動系統(tǒng)和作業(yè)裝置驅動系統(tǒng)，結構如圖1所示。清掃車運行過程包括清掃模式和轉場模式。在轉場模式下，驅動電機經由離合器、變速器等組成的動力傳動系統(tǒng)將動力輸出至后車輪，作業(yè)裝置的動力系統(tǒng)不輸出。在清掃模式下，驅動電機輸出動力至后車輪，掃刷電機經減速器帶動兩側掃刷旋轉，吸塵電機為風機吸塵系統(tǒng)提供動力。

圖1 多電機動力系統(tǒng)結構示意

行駛驅動系統(tǒng)采用永磁同步電機，驅動電機的需求轉矩可由行駛驅動系統(tǒng)動力方程計算：

式中，T為需求轉矩；ig為變速器傳動比；i0為主減速器傳動比；ηt為傳動效率；m為整車質量；g為重力加速度；α為最大爬坡度；CD為空氣阻力系數(shù)；A為迎風面積；u為車速；r為輪胎滾動半徑；δ為汽車旋轉質量換算系數(shù)。

作業(yè)系統(tǒng)中，掃刷電機與吸塵電機均采用串勵直流電機。掃刷電機需求轉矩為：

式中，Ps為掃刷電機功率；P1為掃刷刷毛與路面的摩擦損耗功率；P2為刷毛的形變損耗功率；P3為掃刷旋轉的空氣阻力損耗功率；ns為掃刷電機轉速。

吸塵電機需求轉矩為：

式中，Q為風量；P為風壓；μf為吸塵電機效率；ρ為力率；nf為吸塵電機轉速。

在道路垃圾數(shù)量相同、道路保潔等級恒定的條件下：掃刷電機轉速恒定時，車速越低，清掃效率越低，相應的吸塵電機轉速越低；以同一清掃車速行駛時，掃刷電機轉速越高，清掃效率越高，吸塵電機轉速越高[17]。

3 清掃作業(yè)模式分析

3.1 構建道路垃圾數(shù)量譜

本文依據(jù)QC/T 51—2006《掃路車》及DB11/T 353—2014《城市道路清掃保潔質量與作業(yè)要求》中城鄉(xiāng)道路的保潔要求，結合太原市萬柏林區(qū)城市路段情況，觀測范圍涉及一級公共交通路線、二級城市次干道和三級居民區(qū)路段，不考慮城鄉(xiāng)支路。

觀測800 m×3.5 m的清掃道路可見垃圾數(shù)量，每3.5 m×1 m作為1個數(shù)據(jù)點，共采集800個數(shù)據(jù)點，不計入碎石和塵土。依據(jù)DB11/T 353—2006中路面垃圾保潔等級分布（見表1），確定了0～800 m范圍內清掃道路垃圾數(shù)量，構建4次循環(huán)的道路垃圾數(shù)量譜，如圖2所示。

表1 路面垃圾保潔等級分布

圖2 道路垃圾數(shù)量譜

3.2 清掃車清掃工況圖

電動清掃車清掃工況依據(jù)道路垃圾數(shù)量的分布情況，作業(yè)時調整油門踏板開度實現(xiàn)加速、減速、勻速運行，通常清掃車車速控制在3～8 km/h，清掃車轉場模式的車速設置在20 km/h左右。

綜合考慮整車在不同車速、道路垃圾數(shù)量下輸入轉矩分配的變化，同時依據(jù)太原市清掃車實際作業(yè)工況以及駕駛員駕駛經驗，設計電動清掃車仿真單次循環(huán)工況，時間為120 s，如圖3所示，清掃車速中，低速范圍為[0,10]km/h，中速范圍為(10,15]km/h，高速范圍為(15,20]km/h。

圖3 電動清掃車仿真單次循環(huán)工況

道路垃圾數(shù)量譜的單次循環(huán)里程與電動清掃車單次循環(huán)工況相對應，由于道路垃圾數(shù)量與電動清掃車速相關，進而影響整車轉矩,因此，對驅動電機轉矩分配時應將道路垃圾數(shù)量作為多電機轉矩控制的一個因素。

4 電動清掃車多電機轉矩控制

4.1 多電機轉矩模糊控制方法

為使電動清掃車多電機相互耦合作業(yè)過程中，合理分配電機轉矩以提高清掃效率，本文建立了基于模糊控制的多電機轉矩控制策略，如圖4所示。

圖4 多電機轉矩控制模型

首先構建驅動電機、作業(yè)系統(tǒng)電機分層控制模型。在保證SOC值約束條件下，以道路垃圾數(shù)量、油門踏板信號和清掃車清掃工況作為輸入量，構建了驅動電機轉矩補償控制器和作業(yè)裝置控制器；并構建了整車驅動力模型，對整車動力性進行設計。同時，構建了作業(yè)裝置控制器，對吸塵電機、掃刷電機需求功率進行分配；再依據(jù)驅動電機、吸塵電機和掃刷電機的需求功率求解電池組SOC，并反饋到驅動電機轉矩補償控制器。

4.2 驅動電機需求轉矩控制

道路垃圾數(shù)量G、車速及油門踏板開度變化等直接影響驅動電機需求轉矩，因此，在保證清掃效率的前提下合理匹配驅動電機轉矩有助于提高整車動力性。

設計驅動電機需求轉矩模糊控制模型為：

式中，AP為油門踏板信號；nm為驅動電機轉速。

為了考慮道路垃圾數(shù)量、SOC和油門踏板開度的變化，構造了補償轉矩因子ΔT，得到需求轉矩為：

此外，考慮電池組SOC最小范圍對作業(yè)過程的影響，添加SOC的約束：

綜上，建立驅動電機需求轉矩補償控制模型，如圖5所示。以驅動電機轉速和油門踏板開度對照基準轉矩MAP圖得出基準轉矩，以道路垃圾數(shù)量、車速和SOC為輸入對轉矩補償因子修正驅動電機需求轉矩。

圖5 驅動電機轉矩補償模型

在轉矩補償中：電池組SOC的論域為[0.3,0.8]，模糊子集取為{S,M,B}；道路垃圾數(shù)量分布論域為[0,12]，模糊子集為{S,M,B}；車速的論域為[0,20]km/h，模糊子集取為{S,SM,M,MB,B}。對應的隸屬度函數(shù)如圖6所示。

設定模糊控制轉矩補償規(guī)則：以電池組SOC、道路垃圾數(shù)量和清掃車速為輸入控制轉矩補償因子，當電池組SOC在0.3～0.8范圍內時，道路垃圾數(shù)量和車速提高，補償轉矩因子增大，反之，補償轉矩因子減小。

圖6 輸入量隸屬度函數(shù)

驅動電機模型主要依據(jù)模糊控制器輸出的補償轉矩和車速對驅動電機需求功率、轉速以及整車驅動力進行計算。驅動力F和電機轉速nm分別為：

依據(jù)電機的轉速、轉矩利用電機效率MAP圖查表求得驅動電機的需求功率。

整車模型主要依據(jù)驅動力對車速積分進行求解：

式中，F(xiàn)f為滾動阻力；D為空氣阻力。

4.3 作業(yè)裝置需求轉矩控制

作業(yè)裝置采用模糊控制方法實現(xiàn)對掃刷電機的轉速、轉矩以及吸塵電機的轉速、轉矩的控制，如圖7所示。

4.3.1 掃刷電機需求轉矩

首先以車速和加速度為輸入量，建立掃刷電機二維模糊控制模型器1（見圖7），其中，掃刷電機需求轉矩模糊控制模型為：

式中，V(t)為t時刻車速；a(t)為t時刻加速度。

圖7 作業(yè)裝置模糊控制模型

輸入量中，最高車速設為20 km/h，車速論域為[0,20]km/h，模糊子集取為{S,SM,M,MB,B}。由于最優(yōu)清掃車速為3～8 km/h，車速采用Z型隸屬度函數(shù)，最優(yōu)清掃車速采用三角隸屬度函數(shù)，見圖6b。由于整車行駛加速度變化小，設定加速度論域為[-0.2,0.2]m/s2，模糊子集取為{NB,NS,ZO,PS,PB}，如圖8所示。

圖8 加速度隸屬度函數(shù)

4.3.2 吸塵電機需求轉矩

清掃過程中，道路垃圾數(shù)量增大時，掃刷轉速提高，吸塵風機轉速也需增大。因此，根據(jù)掃刷轉速、轉矩和車速對吸塵風機轉速、轉矩進行模糊控制，構建模糊控制器2（見圖7），實現(xiàn)吸塵風機與掃刷合理匹配作業(yè)，提高了清掃效率。吸塵電機需求轉矩模糊控制模型為：

式中，nrs(t)為掃刷電機需求轉速。

設定車速論域為[0,20]km/h，模糊子集取為{S,SM,M,MB,B}；根據(jù)掃刷電機參數(shù)，設定掃刷轉速論域為[0,2 000]r/min，模糊子集為{S,SM,M,MB,B}，掃刷電機需求轉矩的論域為[0,10]N·m，并設定相應輸出量。輸入量的隸屬度函數(shù)如圖9所示。起步或轉場時，掃刷電機需求轉矩、轉速和車速采用Z型隸屬度函數(shù)；最優(yōu)清掃車速作業(yè)時，掃刷轉速、轉矩和車速采用三角隸屬度函數(shù)。

圖9 控制器2的輸入量隸屬度函數(shù)

為了保證吸塵電機與掃刷電機的轉速、轉矩匹配，即，掃刷電機轉速轉矩增大，則吸塵電機的轉速、轉矩相應增大，反之減小。分別制定基于模糊控制對掃刷電機、吸塵電機的轉速與轉矩控制規(guī)則，如表2、表3所示。

表2 掃刷電機模糊控制規(guī)則

表3 吸塵電機模糊控制規(guī)則

掃刷和吸塵風機需求功率依據(jù)作業(yè)裝置控制器輸出的轉速、轉矩進行計算：

在不考慮損耗的前提下，將掃刷電機功率、吸塵電機功率、驅動電機功率轉化為電池的放電輸出功率對電池進行建模，同時對電池組SOC進行計算。

采用等效內阻建立電池模型：

式中，E為電池兩端電勢差；U為電池輸出端電壓；I為電池電流；Rint為電池的等效內阻。

電池的輸出功率P和內阻Rint分別為：

式中，N為單體電池個數(shù)；Rdan為單體電池內阻。

充、放電功率Pb可以表示為：

SOC的計算過程為：

式中，Qu為電池消耗總電量；SOC0為電池SOC初始值；CN為電池額定容量。

5 實例驗證

電動清掃車整車控制器作為核心部件，主要采集油門踏板信號、道路垃圾數(shù)量信號，從而控制驅動電機、作業(yè)電機和電池管理系統(tǒng)工作，實現(xiàn)清掃模式和轉場模式。

為驗證本文提出的基于多電機轉矩的控制策略，采用MATLAB/Simulink實時仿真系統(tǒng)建立半實物的軟件和硬件平臺。首先建立電動清掃車系統(tǒng)的仿真模型，并進行離線仿真驗證控制策略；再提取控制策略模型，并結合dSPACE物理接口實現(xiàn)與清掃車實時測試的I/O連接，然后生成策略模型代碼下載到硬件中，實現(xiàn)驅動電機和作業(yè)電機的實時在線調節(jié)；同時，依據(jù)上述設定的工況和道路環(huán)境，采用電動清掃車吸塵測控試驗臺[18]模擬道路垃圾清掃過程，仿真模型與試驗模型驗證的主要參數(shù)如表4所示。電動清掃車吸塵測控試驗臺參考電動清掃車MN-S2000進行設計，如圖10所示。

表4 試驗驗證參數(shù)

圖10 電動清掃車試驗臺

以清掃工況（見圖3）單個循環(huán)進行仿真與試驗驗證，結果如圖11所示。對比轉矩補償與無補償?shù)姆抡孑敵鼋Y果：在第6～20 s低速清掃階段，道路垃圾數(shù)量為1～5個時，驅動電機的轉矩補償??；在第21～100 s中速清掃階段，道路垃圾數(shù)量為5～10個時，驅動電機的轉矩補償大；第101～120 s為轉場模式，不進行清掃，基本不對驅動電機進行轉矩補償。對比轉矩補償后的曲線與試驗驗證曲線可知，試驗結果與仿真值呈相同的變化規(guī)律。

掃刷電機和吸塵電機需求轉矩如圖12所示。第0～5 s為電動清掃車啟動階段，掃刷電機和吸塵電機無轉矩輸出；第6～100 s時車速小于5 km/h，吸塵電機轉矩隨掃刷電機轉矩變化趨勢一致；第101～120 s為高速轉場模式，掃刷電機和吸塵電機無轉矩輸出。比較仿真與試驗曲線，掃刷電機、吸塵電機的需求轉矩變化一致，由于存在較大試驗能耗損失，試驗結果較仿真結果略大。

圖11 驅動電機需求轉矩

圖12 作業(yè)裝置用電機需求轉矩

6 結束語

電動清掃車行駛驅動系統(tǒng)和作業(yè)系統(tǒng)需求轉矩受道路垃圾數(shù)量和運行工況影響，為解決多電機動力系統(tǒng)轉矩的高效分配問題，本文在構建道路垃圾數(shù)量譜的基礎上，提出了考慮道路垃圾數(shù)量和運行工況影響的電動清掃車多電機動力系統(tǒng)轉矩模糊控制策略。驗證結果表明，該方法能滿足道路保潔和動力性需求，有助于提高電動清掃車的清掃效率，同時可保證整車動力性。