連鳳霞，鄧金濤

濰柴動力股份有限公司 電控研究院，山東 濰坊 261061

0 引言

推土機是土木工程中最常見的設(shè)備之一[1]，其能耗高、排放高的缺點已成為不可忽視的問題[2]。電傳動技術(shù)中的分布式驅(qū)動技術(shù)驅(qū)動傳動鏈短，傳動效率高，結(jié)構(gòu)緊湊[3]，越來越受到國內(nèi)外專家學(xué)者的關(guān)注。電傳動技術(shù)已在交通技術(shù)上得到廣泛應(yīng)用，工程機械開始采用電傳動技術(shù)[4]。目前投放市場的分布式電傳動推土機只有美國卡特彼勒公司研制的 D7E型推土機，國內(nèi)的電傳動推土機還處在起步階段[5]。趙勇等[6]參與研制的電傳動推土機即采用分布式驅(qū)動技術(shù)，目前尚未大規(guī)模推向市場。國內(nèi)外在大功率電傳動履帶推土機上的研究開發(fā)和應(yīng)用尚屬空白。

本文以某分布式純電動推土機為研究對象，基于推土機實際應(yīng)用場景和工作模式，開發(fā)整車控制策略，搭建整車物理模型，通過離線仿真分析和實車驗證控制策略是否合理。

1 分布式純電動推土機電傳動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)介紹

常見的電傳動系統(tǒng)主要包括動力源、電源逆變器、驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)、機械耦合和傳動系等，動力源一般包括發(fā)動機-發(fā)電機組、蓄電池組和超級電容等，驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)包括驅(qū)動電機、液壓馬達(dá)。與傳統(tǒng)履帶推土機不同，電傳動系統(tǒng)沒有離合器、傳動軸、變速箱等機械部件，整機結(jié)構(gòu)布置空間更大，可以實現(xiàn)原地轉(zhuǎn)向，行駛更加靈活，在制動或下坡工況時，還可實現(xiàn)再生制動能量回收[7-8]，進(jìn)一步提高整車的經(jīng)濟(jì)性。

在履帶式車輛中，驅(qū)動電機最常見的結(jié)構(gòu)布置形式有3種：雙側(cè)獨立電傳動結(jié)構(gòu)、“直駛電機+轉(zhuǎn)向液壓馬達(dá)”電液混合結(jié)構(gòu)和“直駛電機+轉(zhuǎn)向電機”電傳動結(jié)構(gòu)。根據(jù)能量流通路線與控制端口組件之間的連接關(guān)系，可分為串聯(lián)式、并聯(lián)式和混聯(lián)式3種結(jié)構(gòu)形式，進(jìn)而可以組合成9種電傳動結(jié)構(gòu)形式[9-10]。與現(xiàn)有的電傳動系統(tǒng)不同，本文研究分布式純電動推土機，采用雙側(cè)獨立電機傳動結(jié)構(gòu)，其能量來源是動力電池，結(jié)構(gòu)更簡潔，如圖1所示。

圖1 分布式純電動推土機電傳動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡圖

整車控制器只需獨立控制兩側(cè)驅(qū)動電機的目標(biāo)指令，實現(xiàn)車輛的正常行駛[11]，通過調(diào)整兩側(cè)電機的轉(zhuǎn)速差可實現(xiàn)不同方向盤轉(zhuǎn)角下的轉(zhuǎn)向需求。但在實際應(yīng)用中，因路面不平、履帶兩側(cè)著陸地面附著系統(tǒng)不同、兩側(cè)系統(tǒng)載荷不同[12]或兩側(cè)驅(qū)動電機響應(yīng)不一致等問題，可能存在行駛中自動偏離前進(jìn)方向的現(xiàn)象[13]，轉(zhuǎn)向控制是電傳動履帶式車輛研究開發(fā)過程中的重要環(huán)節(jié)[14]。

2 分布式純電動推土機系統(tǒng)模型

2.1 整車行駛阻力模型

推土機作業(yè)時受到的阻力[15]

F=Ff+Fw+Fi+Fj+Fx，

式中：Ff為滾動阻力，F(xiàn)w為空氣阻力，F(xiàn)i為坡道阻力，F(xiàn)j為加速阻力，F(xiàn)x為工作阻力。

2.2 基于轉(zhuǎn)速控制的電機物理模型

本文推土機的驅(qū)動電機和工作電機均采用永磁同步電機[16]，永磁同步電機數(shù)學(xué)模型較復(fù)雜，工程應(yīng)用時需對其進(jìn)行簡化，保證可以反映電機的基本輸出特性，并提高策略驗證時聯(lián)合仿真運行的速度。

根據(jù)推土機的工作模式，驅(qū)動電機和工作電機均采用轉(zhuǎn)速控制模式[17]，根據(jù)電機工作特性數(shù)據(jù)在MATLAB/Simulink中建立基于轉(zhuǎn)速控制的電機物理模型[18]，電機的外特性曲線如圖2所示。

圖2 電機外特性曲線

根據(jù)圖2可得電機在任意轉(zhuǎn)速下的最大輸出轉(zhuǎn)矩

Tmax(n)=f(n)，

式中：f(n)為任意轉(zhuǎn)速下的外特性扭矩函數(shù)，n為電機轉(zhuǎn)速。

基于轉(zhuǎn)速控制方法對電機建模時，采用比例-積分-微分(proportion integration differentiation，PID)控制算法計算目標(biāo)轉(zhuǎn)速和實際轉(zhuǎn)速的偏差[19-20]，并對計算結(jié)果進(jìn)行上、下限值及步長的限制，得到電機實際響應(yīng)轉(zhuǎn)矩

約束條件為:

式中：e(t)為設(shè)定轉(zhuǎn)速nr和實際轉(zhuǎn)速na的偏差，e(t)=nr-na，Kp、Ki、Kd分別為PID算法中的比例系數(shù)、積分系數(shù)和微分系數(shù)；t為時間;f(na)為當(dāng)前轉(zhuǎn)速下的最大驅(qū)動扭矩;-f(na)為當(dāng)前轉(zhuǎn)速下的最大制動扭矩;T(t-1)為上一時刻驅(qū)動電機的輸出轉(zhuǎn)矩;TStepLimit為電機最大允許的扭矩調(diào)整步長。

電機的物理模型如圖3所示。

圖3 電機物理模型示意圖

2.3 基于轉(zhuǎn)速控制的分布式純電動推土機電傳動系統(tǒng)模型

結(jié)合整車行駛阻力模型、基于轉(zhuǎn)速控的電機物理模型、駕駛員模型及整車控制模型，得到完整的基于轉(zhuǎn)速控制的分布式純電動推土機的電傳動控制系統(tǒng)模型，如圖4所示。

圖4 基于轉(zhuǎn)速控制的分布式純電動推土機電傳動系統(tǒng)模型

3 分布式純電動推土機系統(tǒng)控制策略設(shè)計開發(fā)

整車控制策略的主要作用是根據(jù)駕駛員的操作指令、整車各零部件的工作特性和工作要求，以及整車和各零部件的運行狀態(tài)的實時反饋信息，決策整車的工作模式及動力分配，在滿足各約束條件的前提下，實現(xiàn)駕駛員的作業(yè)要求[21-22]。整車控制策略是分布式純電動推土機系統(tǒng)的“大腦”，整車架構(gòu)、零部件選型和運行工況等確定時，整車控制策略對整車動力性和經(jīng)濟(jì)性的發(fā)揮起決定性作用。整車控制策略設(shè)計的核心是建立控制系統(tǒng)架構(gòu)，整車控制策略框架如圖5所示。本文重點關(guān)注整車行走和作業(yè)控制。

圖5 分布式純電動推土機系統(tǒng)整車控制策略框架

由圖5可知：整車控制策略分為3個子模塊，即車速設(shè)定子模塊、電機轉(zhuǎn)速設(shè)定子模塊及功率限制子模塊。車速設(shè)定子模塊的主要功能是根據(jù)駕駛員的操作，決策當(dāng)前狀態(tài)下駕駛員的車速需求以及液壓電機的工作模式；電機轉(zhuǎn)速設(shè)定子模塊的主要功能是根據(jù)車速設(shè)定子模塊決策的車速需求和液壓電機的工作模式，決策驅(qū)動電機和液壓電機的設(shè)定轉(zhuǎn)速，然后判斷整車是否存在轉(zhuǎn)向不足或轉(zhuǎn)向過度的情況，并根據(jù)判斷結(jié)果調(diào)整設(shè)定轉(zhuǎn)速，保證駕駛員的駕駛需求；功率限制子模塊主要根據(jù)動力電池的充放電限制功率，配合轉(zhuǎn)速設(shè)定功能決策的設(shè)定轉(zhuǎn)速，限制液壓電機和兩側(cè)驅(qū)動電機的功率。

4 分布式純電動推土機控制系統(tǒng)仿真分析與實車驗證

4.1 分布式純電動推土機控制系統(tǒng)仿真模型搭建

搭建分布式純電動推土機系統(tǒng)模型和控制策略開發(fā)完成后，在MATLAB/Simulink中搭建仿真模型,如圖6所示。左側(cè)藍(lán)綠色模塊為整車的控制模型，右側(cè)綠色模塊為整車的物理模型。

圖6 推土機系統(tǒng)Simulink模型

4.2 分布式純電動推土機控制系統(tǒng)仿真結(jié)果分析

4.2.1 車速設(shè)定子模塊仿真結(jié)果分析

車速設(shè)定是決定車輛能否按照駕駛員意圖行走的第一步，也是非常關(guān)鍵的一步。車速設(shè)定仿真結(jié)果如圖7所示。圖7a)中拇指滾輪狀態(tài)分別為0、1.0、-1.0時表示駕駛員沒有操作拇指滾輪、有增大設(shè)定車速需求、有減小設(shè)定車速需求。圖7b)中轉(zhuǎn)向狀態(tài)為分別0、1.0、-1.0時表示駕駛員希望車輛直行、希望車輛右轉(zhuǎn)、希望車輛左轉(zhuǎn)。圖7c)中擋位狀態(tài)分別為0、1.0、-1.0時表示當(dāng)前擋位分別為空擋、前進(jìn)擋、倒擋。

由圖7可知：前進(jìn)擋初始設(shè)定車速為4 km/h，倒擋初始設(shè)定車速為5 km/h，通過調(diào)節(jié)拇指滾輪可增大或減小設(shè)定車速，空擋時可同時調(diào)整前進(jìn)擋和倒擋設(shè)定車速，前進(jìn)擋時只調(diào)整前進(jìn)擋設(shè)定車速，倒擋時只調(diào)整倒擋設(shè)定車速，轉(zhuǎn)向時限制最高車速(設(shè)定前進(jìn)擋最高車速為10 km/h，倒擋最高車速為6 km/h)。

圖7 車速設(shè)定子模塊仿真結(jié)果

4.2.2 轉(zhuǎn)速設(shè)定子模塊仿真結(jié)果分析

根據(jù)車速設(shè)定子模塊的計算結(jié)果，轉(zhuǎn)速設(shè)定子模塊將駕駛員的需求進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為電機的轉(zhuǎn)速控制需求，仿真結(jié)果如圖8所示。方向盤轉(zhuǎn)角信號為方向盤的轉(zhuǎn)向角，負(fù)值為左轉(zhuǎn)，正值為右轉(zhuǎn)，0為直行，左轉(zhuǎn)和右轉(zhuǎn)的相對轉(zhuǎn)向角為-100%～100%。設(shè)定轉(zhuǎn)速和設(shè)定車速成線性對應(yīng)關(guān)系，車速為10 km/h時轉(zhuǎn)速為3000 r/min。

a)方向盤相對轉(zhuǎn)角 b)左側(cè)電機需求轉(zhuǎn)速 c)右側(cè)電機需求轉(zhuǎn)速 圖8 轉(zhuǎn)速設(shè)定子模塊仿真結(jié)果

由圖8可知：在擋狀態(tài)，直行時左、右側(cè)電機轉(zhuǎn)速相等，轉(zhuǎn)向時根據(jù)方向盤轉(zhuǎn)角的正負(fù)和大小調(diào)整兩側(cè)電機的需求轉(zhuǎn)速。

轉(zhuǎn)速設(shè)定原則為：1)低速轉(zhuǎn)向時，優(yōu)先保證轉(zhuǎn)向需求，小轉(zhuǎn)向角轉(zhuǎn)向時內(nèi)側(cè)電機轉(zhuǎn)速減小，外側(cè)電機轉(zhuǎn)速增大，達(dá)到某一設(shè)定值時內(nèi)側(cè)電機轉(zhuǎn)速為0，外側(cè)電機達(dá)到轉(zhuǎn)向最大轉(zhuǎn)速。達(dá)到轉(zhuǎn)向最大角時，內(nèi)側(cè)電機反轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速的絕對值為當(dāng)前設(shè)定車速對應(yīng)轉(zhuǎn)速，外側(cè)電機正轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速的絕對值同樣為當(dāng)前設(shè)定車速對應(yīng)轉(zhuǎn)速；2)中速轉(zhuǎn)向時，保證轉(zhuǎn)向并考慮整車的安全性，外側(cè)電機保持設(shè)定轉(zhuǎn)速，內(nèi)側(cè)電機根據(jù)轉(zhuǎn)向角的變化進(jìn)行調(diào)整，轉(zhuǎn)向角較小時，減小內(nèi)側(cè)電機轉(zhuǎn)速，隨著轉(zhuǎn)向角的增大，轉(zhuǎn)速降至0，然后反轉(zhuǎn)，反轉(zhuǎn)最大轉(zhuǎn)速為設(shè)定車速對應(yīng)轉(zhuǎn)速；3)高速轉(zhuǎn)向時，優(yōu)先保證整車轉(zhuǎn)向安全，同時限制兩側(cè)電機最高車速，外側(cè)電機保持限制后的設(shè)定車速對應(yīng)轉(zhuǎn)速，內(nèi)側(cè)電機以限制后的車速對應(yīng)轉(zhuǎn)速為基準(zhǔn)，根據(jù)轉(zhuǎn)速設(shè)定原則2)調(diào)整內(nèi)側(cè)電機轉(zhuǎn)速。電機轉(zhuǎn)速響應(yīng)曲線如圖9所示。

由圖9可知，電機物理模型合理，可及時、準(zhǔn)確地跟蹤整車的控制目標(biāo)。

4.2.3 功率限制子模塊仿真結(jié)果分析

根據(jù)動力電池以及其他用電附件的工作情況，功率限制子模塊分別對液壓工作電機和驅(qū)動電機進(jìn)行功率限制，保證動力電池不過充或過放，同時在電池能力范圍內(nèi)保證駕駛員需求。

a)左側(cè)電機 b)右側(cè)電機 圖9 電機轉(zhuǎn)速響應(yīng)曲線

首先對直行時兩驅(qū)動電機的功率進(jìn)行仿真分析，如圖10所示。

圖10 直行驅(qū)動功率受限時電機轉(zhuǎn)速響應(yīng)曲線

從圖10可知：驅(qū)動功率受限、轉(zhuǎn)速需求較高時，兩電機均在功率限制范圍內(nèi)達(dá)到最高轉(zhuǎn)速；在轉(zhuǎn)速需求較低時，實際需求轉(zhuǎn)速按照駕駛員需求響應(yīng)。

兩側(cè)驅(qū)動電機響應(yīng)不一致時，通過功率限制可以保證電機實際轉(zhuǎn)速比與設(shè)定轉(zhuǎn)速比的差保持在一定范圍內(nèi)，從而保證按照駕駛員意圖直行或者以某一轉(zhuǎn)向半徑轉(zhuǎn)向。左側(cè)電機最大轉(zhuǎn)速受限時功率限制調(diào)整右側(cè)電機轉(zhuǎn)速曲線如圖11所示，左側(cè)電機最大轉(zhuǎn)速受限時功率限值調(diào)整曲線如圖12所示。

圖11 左側(cè)電機最大轉(zhuǎn)速受限時功率限制調(diào)整右側(cè)電機轉(zhuǎn)速曲線

圖12 左側(cè)電機最大轉(zhuǎn)速受限時功率限值調(diào)整曲線

由圖11、12可知：左側(cè)電機出現(xiàn)正向最大轉(zhuǎn)速受限故障，限速1000 r/min時，通過功率限制可以調(diào)整直行時左側(cè)電機達(dá)到最高限制轉(zhuǎn)速時，右側(cè)電機轉(zhuǎn)速也在此最高限制轉(zhuǎn)速左右，轉(zhuǎn)向時以左側(cè)電機最高限制轉(zhuǎn)速調(diào)整右側(cè)電機轉(zhuǎn)速需求，從而保證實際轉(zhuǎn)速速比與設(shè)定轉(zhuǎn)速速比趨于一致。

4.3 分布式純電動推土機控制系統(tǒng)實車驗證結(jié)果

分布式純電動推土機實車外觀如圖13所示。

圖13 分布式純電動推土機

在分布式純電動推土機離線仿真的基礎(chǔ)上對控制策略進(jìn)行驗證，車速設(shè)定子模塊實車驗證如圖14所示。

由圖14可知：前進(jìn)擋初始設(shè)定車速為9 km/h，倒擋初始設(shè)定車速為9 km/h，調(diào)節(jié)拇指滾輪時可以增大或減小設(shè)定車速，在空擋時同時對前進(jìn)擋和倒擋車速進(jìn)行調(diào)整，轉(zhuǎn)向時限制最高車速(前進(jìn)擋最高車速設(shè)定為10 km/h，倒擋最高車速設(shè)定為10 km/h)，并且轉(zhuǎn)向時對最高車速進(jìn)一步限制(這里，轉(zhuǎn)向時前進(jìn)擋最高車速設(shè)定為8 km/h，倒擋最高車速設(shè)定為6 km/h)，由轉(zhuǎn)向回到直行時設(shè)定車速同時恢復(fù)到轉(zhuǎn)向前設(shè)置。

圖14 車速設(shè)定子模塊實車驗證結(jié)果

轉(zhuǎn)速設(shè)定及整車響應(yīng)實車驗證如圖15所示。

圖15 轉(zhuǎn)速設(shè)定及整車響應(yīng)實車驗證結(jié)果

由圖15可知：在不同擋位狀態(tài)、不同轉(zhuǎn)向角度下，兩側(cè)電機均能按照轉(zhuǎn)速設(shè)定原則設(shè)定需求轉(zhuǎn)速，兩側(cè)電機響應(yīng)均滿足驅(qū)動需求。

5 結(jié)語

本文從分布式純電動推土機的工作原理和實際運行模式出發(fā)，搭建了基于轉(zhuǎn)速控制方法的電機物理模型以及整車行駛阻力模型，并針對車速設(shè)定、電機轉(zhuǎn)速設(shè)定及功率限制功能等整車主要功能設(shè)計了整車控制策略，將物理模型和控制模型結(jié)合起來進(jìn)行離線仿真分析，驗證了該車控制策略基本滿足需求。將經(jīng)過離線測試驗證過的控制策略用于實車測試，進(jìn)一步驗證了該策略的合理性和有效性。