（光学工程专业论文）电动代步车人机电综合系统联合仿真与分析.pdf

中文摘要 摘要 近年来，由于交通的拥挤、油价的持续上涨，以及老年人口比例的逐年增加， 使得电动车的发展非常迅速。为了开发出新型的电动代步车，虚拟样机的仿真技 术已成为一个重要的研究课题。 为了优化电动代步车的结构及设计尺寸、调整其控制参数，本文采用了计算 机虚拟仿真技术，同时依靠软件问的协同合作平台，建立了电动代步车人机电综 合系统模型，并对电动代步车的动态特性进行了仿真分析。 本文的研究主要内容包括： 1基于多体动力学相关理论，在a d a m s 软件中分别建立了电动代步车的 轮胎、人体、座椅、柔性体支架、路面谱等子模型，并在a d a m s 计算环境下， 通过添加约束的方式，把这些子模型组成一个整体，从而建立了电动代步车人机 刚柔机械系统模型。 2 在m a t l 蛆s i m u l i n k 平台上建立电动代步车永磁无刷直流电机模型，并 对电机的动力性能进行测试。通过软件间的接口，搭建了a d a m s m a t l a b s i m u l i n k 平台。将生成的电动代步车人机刚柔机械系统模型与电机模型在此平台 上进行联合仿真，从而建立了电动代步车人机电综合系统模型。 3利用a d a m s 软件对电动代步车人机刚柔机械系统模型进行动态特性仿 真分析。电动代步车操纵稳定性仿真分析内容包括：、爬坡性能仿真分析、 稳态转向仿真分析：、转向回正性仿真分析；、蛇形仿真分析；电动代步车 平顺性仿真分析内容包括：、随机路面的仿真分析；、脉冲路面的仿真分析； 、凹坑路面的仿真分析；、台阶路面的仿真分析。并对仿真结果进行分析和 总结。 4 建立电动代步车驱动系统控制方案，并对电动代步车加速和差速转向进行 联合仿真，调解p d 参数，观察p d 控制效果，验证控制方案的可行性。 5 针对仿真过程中遇到的问题进行了归纳与总结，并提出了改进意见与展 望。 本文的仿真分析与研究，对电动代步车产品的研发具有重要的推进作用，其 分析计算结果对电动代步车样机的调试具有一定的指导意义，所提出的人机电综 合系统的仿真方法对产品的设计与参数的优化具有很强的参考价值。 关键词：电动代步车；人机电综合系统；动态特性；p d ；联合仿真 重庆大学硕士学位论文 i i 英文摘要 a b s t r a c t r e c e n t l y ，m ed e v d o p m e n to fe l e c t r i cs c o o t e ri s 镪| 仃e i i l e l yr a p i d l yb e c a u s eo ft h e s u s t a i n e dh i 曲e ro i l 曲c e ，m ei n c r e a s i n 9 1 yb l o c h n g 仃a 伍ca n dc u 皿u l a t i v e l yh i 曲e r a g e i n gp o p u l a t i o n h 1o r d e rt 0d e v e l o pan e w do fe l 眦i cs c o o t e r m a lp r o t o t y p e s i m u l a t i o nt e c h n o l o g yh a sb e c o m ea ni m p o r t a i l tr e s e a r c hp r o j e c t i i lo r d e rt oo p t i i n i z et 1 1 es 觚l 曲l r e ：a n dd e s i 萨s i z e ，a 由u s tm ec o n 缸0 1p 黜眦l e t e r so f t h ee l e c t r i cs c o o t e r c o m p u t e ra i dv i r t u a ls i m u l a t i o nt o c h n 0 1 0 9 yh a sb e e nu s e di nm i s p a p e r d e p e n d i n g o nc o l l a b o 谢o n p l a t f o m b e t w e e nd i 丘e r e n t s o r w a r e ， h u m a n - m a c h i n e - e l e c t i i ci n t e g r a t e dm o d e lo fe l e c t r i cs c o o t e rh a sb e e ne s t a b l i s h e d ，a 1 1 d t h es i m u l a t i o na n a l y s i so fm ed y n 锄i c 曲【a r a c t 甜s t i c so fm i sm o d e lh a sb e e nm a d e t h em a i nc o n t e n t so ft h i sp a p e ri n c l u d e ： 1b a s e do nm u l t i - b o d yd y i l 锄i c st 1 1 e o t 1 1 es u b 锄o d e l so ft i r e s ，b o d y ，c h a i r ， n e x i b l eb r a c k e ta j l dp a v e m e n ts p e 咖mh a v eb e e nm a d e a n dm a k et 1 1 e s es u b m o d e l s i n t oa na s s e m b l ym r o u 曲a d d i n gr e s 臼限i ni na d a m s t h u s ，t h eh u m a n - m a c h i n e ， r i 舀d f i x em e c h a 1 1 _ i c a ls y s t e mm o d e lh a sb e e nm a d e 一 2p m b l d cm o d e lo fe l e c t r i cs c o o t e rh a sb e e ne s t a b l i s h e do n m a t l a b s i m u l i n kp l a t f 0 r n l ，a 芏l dt l l ed y n 锄i cp e r ：f o m a n c eo ft h ep m b l d ch a sb e c n t a s t e d a d m a s m a t l a b s i m u l i n kp l a t f 0 咖h a sb e e nc r e a t e db ym ed a t ai n t 刊沁e b e t 、) l ，e e l ld i 丘研e n ts o 胁a r e c o - s i m u l a t i o nb e t 、) l ，e e nm eh u m a n m a c h i n e ，r i 百d - 丘x e m e c h a i l i c a ls y s t e mm o d e lo ft 1 1 ee l e c t r i cs c o o t e ra i l dp m b l d cm o d e lh a sb e e n c o n d u c t e dt oe s t a b l i s ht h eh 1 1 m a n - m a c h i i l e - e l e c t r i ci n t e 笋a t e ds y s t e mm o d e lo fe l e c t r i c s c o o t e r 3 d ) ，1 1 a m i cc h a r a c t i e r i s t i c ss i m u l a t i o no fh 1 1 i n a n m a c h i n e ，r i 百d - f i x em e c h a n i c a l s y s t e mm o d e lo fe l e c t r i cs c 0 0 t e rh a db e e nm a d ei na d a m s t h ec o n t e n t so fc o n n 0 1 s t a b i l i t ys i m u l a t i o n i n c l u d e ： c l i m b i n ga b i l i 锣s i m u l a t i o n ；s t e a d y 觚i n g s i m u l a t i o n ；r e 衄n a b 姐i t ys i m u l a t i o n ；s - s h a p e ds i m u l a t i o n t l l ec o n t e n t so f r i d e c o m f o r ts i m u l a t i o ni n c l u d e ：r a n d o mr o a ds i m u l a t i o n ； p u l s er o a ds i i l l u l a t i o n ； p i tr o d es i m u l a t i o n ；s t 印sr o d es i m u l a t i o n f i l l a l l y ，a i l a l y s i sa n ds u m m a 巧o f t h e s i m u l a t i o nr e s u l t sh a sb e e nm a d e 4c o 劬lp r o 伊锄o fe l e c t r i cs c o o t e r 嘶v i n gs y s t e mh a sb e e ne s t a b l i s h e d c o - s i m u l a t i o no fa c c e l e r a t i o na n dd i 妇f 如l t i a ls t e e 血go fm ee l e c t r i cs c o o t e rh a v eb e e n m a d e ，p i dp a r a m e t e r sh a v eb e e na d j u s t e d ，r e s u l t so fp dc o n 缸d lh a v eb e e n0 b s e e d ， i i i 重庆大学硕士学位论文 f e a s i b i l i t yo f t h i sp r o 乒a mh a sb e e nv e r i 6 e d 5c o n c l u s i o n 锄ds u m m a 巧a b o u tm ep r o b l e m so c c u r r e di nt 1 1 es i m u l a t i o nh a v e b e c nm a d e ，a n ds u g g e s t i o n sa n do u u o o k so fm em t l l r ed e v e l o p m e n ta n di m p r o v e m e n t o fm ev i r t u a lp r o t o t y p et e c l l i l o l o g yo fm ee l e c t r i cv e _ m c l eh a v e b e e np r o p o s e d s i m u l a t ea n a l y s i s 趾dr e s e a r c hi nm i sp 印e rp r o c e s s e sas i 弘i f i c a n tp r o p e le 髓c t i nt h er e s e a r c 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) ，氮氧化物( n o x ) 等有害气 体排放的下降。由此可见，汽车轻量化【l 】意义明显，受到业界和政府高度重视， 是汽车研究发展的重要方向。 汽车微型化又显然是实现轻量化的重要途径。另外，微型化可减少迎风面积， 降低汽车行驶时的空气阻力，能节省大量材料以及行车和驻车的交通空间。所以， 根据用途不同，对乘坐和载运空间需求较小的交通场合应该尽量减小汽车尺寸， 以减少浪费、实现节能减排。随着政府对节能减排的政策调控力度不断增强、城 市化交通网络建设的进一步推进和完善、人们环保意识提高和消费观念进步，可 以预见：未来私人交通领域中，当需要家人集体出行时，将采用多人座轿车，而 在中青年人上下班出勤和老年人、家庭主妇的生活通行时，则采用双人甚至单人 座的超微型小汽车。 因此，未来轻量化、微型化汽车发展具有很大的市场空间，国家政府也大力 支持和倡导微型汽车的研究发展【2 j 。 1 2 国内外研究现状分析与未来发展趋势 1 2 1 电动代步车国内外开发现状 电动代步车在国外已经有了几十年的发展历史，在电动代步车主要零部件的 基础研究、关键零部件动力学分析、不同结构类型的分析以及整车结构的优化设 计研究等方面，计算机的虚拟仿真技术的运用已经相当深入和广泛，积累了丰富 的经验和大量的数据资料，并成功地应用到了电动代步车产品的开发中，使得所 生产的电动代步车在结构的可靠性和对乘员的保护方面都处于领先水平。最早研 究电动代步车的法国人把电动代步车分为a 、b 、c 三类【3 】，室内使用为a 类， 重庆大学硕士学位论文 室内外两用为b 类，室外使用为c 类。将操纵加速度、速度、制动、动力学稳定 性和碰撞损伤进行综合考虑。现在，采用最新的电动机直接驱动的法国动代步车， 操纵起来更加轻巧、灵活，并且实现大的轻量化设计。在整车设计上，安装了可 调装置，电动车可以在高度、长度、宽度上都可以分别进行调节，并且可以折叠， 使代步车的存放、携带变得简单、方便。 当我国发明家刚刚迈入为老年人生产舒适、方便的代步工具的初步阶段【4 j 时， 国外的技术已经达到相当高的水平，例如：2 0 0 4 年s h o p r i d e r 推出的新产品 t f 8 8 8 w l ，该车拥有全球首创四轮避震系统，并荣获世界专利；充满创意的人 性化设计包括：车辆可自转3 6 0 度、左右边操控组可相互对调等；在开发制造车 身的过程中完全秉承了人机工程学的原理；由于采用内建式充电器，因此，为用 户提供了非常顺畅、平稳的行车速度睁j 。 在研究方法上，在汽车行业广泛运用多体动力学和c a e 方法，成为了电动代 步车产品开发最有力的工具之一。 1 9 9 4 年亚利桑那大学的t yt s a l l g 和a 知a b y a n 发表了便于求解大变形体动 力学问题的新方法【6 。西班牙的a g o n z a l e z 等设计了为电动轮椅车提供在翻越楼 梯和其他障碍时所需动力的前轮机电系统，试验表明：该系统具有很高的稳定性 和实用性【6 】。宾夕法尼亚大学的k 矾eu 1 r i c h 系统地分析了各种电动代步车技术 的发展前景，创建了为了实现某种性能而消耗系统质量的模型。对个人电动代步 车的开发与改进具有极高的指导意义【7 j 。 在我国，台湾地区的电动代步车已有几十年的发展历史，不但拥有相当多的 技术人才，而且加工制造技术娴熟，对于电动车的发展来说，已经具有良好的前 提条件。此外，台湾生产的小型马达己达到国际先进水平，再加上电子和电机等 配套产业的崛起，在发展小型电动车方面潜力十足。j y h r o n gc h o u 为了开发各 种电动代步车，建立了人机工程学数据库，表现出了较高的技术水平和人文精神 f 8 】 o 大陆地区的电动代步车开发起步较晚，主要对引进的产品进行测绘、模仿等 改进手段。相对来说，深入研究电动代步车工作和文献较少。要想早日赶上国外 同行的步伐，最行之有效就是采用c a e 方法。李勇，来自昆明理工大学。他带领 的团队对老年人用电动代步车的外形设计进行了详细研究，并提出了各种方案并 对比了它们的优劣【9 。柯尊凤，来自北京科技大学。她带领的队伍采用虚拟样机 方法将某电动代步车的动力学特性【lo 】进行分析改进。舒红宇，重庆大学教授，他 和他的团队在电动代步车领域研究多年，先后申请了十几项发明专利 1 1 】【1 2 】，并用 虚拟样机仿真的方法 1 3 】 1 4 】，对电动代步车的动力学特性进行分析，并将其结构进 行优化改进，然而，目前电动代步车的计算机仿真在国内的研究还远远不够。虽 2 1 绪论 然在电动代步车的外形、结构设计、关键零部件的动力学研究和计算机仿真模拟 方面初步开展了一些工作，也取得了一些成绩，但是对电动代步车人机电综合系 统的动态特性联合仿真分析方面做的比较少，。也不够全面，这方面与国外的差距 依然很大。 1 2 2 电动代步车未来发展趋势 人口老龄化是当今社会所面临的最严峻的问题之一，随着中国人口的不断增 长，老年人在总人口中所占的比例也在不断增加。电动代步车作为一种专为老年 人及残疾人设计的轻便休闲代步工具，已经快速发展起来，具有非常好的发展前 暑【1 5 】【1 6 】 17 】 小。 随着医学技术的快速发展，使得全球老龄化人口比重持续增长，老年人的身 体机能衰老以及经常被慢性疾病困扰，从而愈加依赖于代步工具。这极大地带动 了市场对电动代步车的需求。例如，美国市场是电动代步车销售量最高的国家， 就是因为他们有较高的保健支付体系。许多欧洲国家医疗保健制度比较完善，人 们的生活水平较高，代步车的销量也比较好。由于电动代步车不仅适用于老年人， 还适用于有轻度残疾的人、行动不便者等群体，如孕妇和小孩等，因此电动代步 车相对其它电动车产品来说，能更快速的占据市场。在此背景下，电动代步车产 品的发展将越来越受到世界的注目和青睐。 另外，随着我国工业的快速发展、安全保障设施不完善、道路拥挤，导致意 外事故发生频繁，残疾人人数也随之增多。同时，2 1 世纪初，作为作为一个发展 中国家却较早的进入老龄化社会。据国家相关部门的研究与预测，2 0 世纪末，我 国人口老龄化的人数已突破了1 0 ，预计未来4 0 年内，我国人口老龄化的人数 将在3 0 左右，达到人口老龄化的顶峰。因此，针对老年人和残疾人这一非常特 殊、庞大的群体，更应该得到社会更多的关爱，以便享受高质量的生活。因此， 迫切需要为他们提供一种操作简便、可靠性高的代步工具。 从经济发展角度出发，欧美日等发达国家对电动代步车的需求增加，使得我 国电动代步车出口量也逐年升高，近五年的复合平均增长率达6 5 以上，成为我 国电动车辆出口主力。由于电动代步车的使用者多为残疾人或老年人，因此必须 重视车子的稳定性及安全性，从而提高国产电动代步车的品质和市场竞争力。 因此，汽车电动化是世界汽车发展的主流，具有广阔研究发展前景。汽车电 动化技术也更适宜于汽车的轻量化与微型化。一方面，尤其是电机驱动的电动小 汽车，由于没有笨重的内燃式发动机及其变速传动系统，结构简单、空间设计灵 活，更容易实现轻量化和微型化，另一方面，由于电池容量和一次充电能量以及 高电压、大电流等的限制，要实现大功率汽车运行要求，目前的汽车电动化技术 还存在较大困难。正因如此，世界各国近年来在各种汽车展览会上不断推出各种 重庆大学硕士学位论文 结构简捷新颖的超微型电动概念车型，其中，特别是专为老年人与残疾人设计的 电动代步车备受瞩目。 正因为电动代步车轻量化与微型化的特点，将会是未来城市化道路交通工具、 家庭小轿车族的重要成员之一。但是，也正因为其轻量化、微型化，在汽车运动 稳定性和行车安全性方面将会面临新的难题。这是因为：一旦人体质量和大小尺 度均接近甚至大于汽车以后，人体和汽车间的动力学行为耦合作用就被显现出来， 人体的力学特性、乘坐姿态的变换行为将对汽车行驶的动力学稳定性产生不可忽 略的影响和作用。 1 3 论文研究的主要方法和内容 本文研究的主要目的是对人机系统的电动代步车的操纵稳定性、平顺性等动 态特性方面进行仿真分析，对其运动稳定性和行车安全性等方面做出合理的评价； 建立电动代步车人机电综合系统，并对其加速、差速转向特性进行联合仿真分析， 调整p d 控制参数，得到最佳控制效果。 本文研究的主要内容包括： 基于多体动力学相关理论，在a d 蝴s 软件中分别建立了电动代步车的 轮胎、人体、座椅、柔性体支架、路面谱等子模型，并在a d a m s 计算环境下， 通过添加约束的方式，把这些子模型组成一个整体，从而建立了电动代步车人机 刚柔机械系统模型。 在m a t l a b s i m u l i n k 平台上建立电动代步车永磁无刷直流电机模型， 并对电机的动力性能进行测试。通过软件间的接口，搭建了a d 蝴s m a t l a b s i m u l i n k 平台。将生成的电动代步车人机刚柔机械系统模型与电机模型在此平台 上进行联合仿真，从而建立了电动代步车人机电综合系统模型。 利用a d a m s 软件对电动代步车人机刚柔机械系统模型进行动态特性仿 真分析，并对仿真结果进行分析和总结。 建立电动代步车驱动系统控制方案，并对电动代步车加速和差速转向进 行联合仿真，调解p d 参数，观察p d 控制效果，验证控制方案的正确性、准确 性，为研发控制器提供有效数据。 论文所使用的研究方法如下： 静力学分析是指系统在不受外载荷作用的情况下的力平衡分析，当系统受到 外界载荷作用时，就就要对系统进行动力学分析。机械系统在做静力学、动力学、 运动学分析方面常用的软件主要有：以刚体为主要研究对象的a d a m s 软件；以 柔性体为主要研究对象的a n s y s 、m a r c 等软件。 前者分析对象以刚性体模型为主，后者以柔性体模型为主，在工程实际中， 4 1 绪论 为了研究方便，般的机械机构做运动学分析时一般不考虑其弹性变形，将构建 都视为刚体。但实际实际过程中，由于机构往往受到较大的载荷作用，在加速或 减速运动中，由于惯性的作用，可能某些构件会产生较大的弹性形变，为了能够 真实的反映出机械系统的动态性能，往往将大形变的构件建立为弹性体，否则的 话可能会造成很大的误差，机械系统的动态特性也影响着各构件的力学性能及内 部的应力、应变分布。由于a d a m s 软件在参数建模、有限元网格划分、控制系 统建模上比较麻烦。所以在做这方面分析时，一般选择在有限元前处理和求解上 功能比较强大的h y p e r m e s h 与a n s y s 软件，因此，为了使仿真结果更真实可靠， 往往将a n s y s 与a d a m s 软件联合使用，大大提高工作效率。 在控制方面，m a t l a b 的控制功能强大，但在有限元网格划分与机械系统仿 真等方面却很不方便。a d a m s 具有双向数据接口，可以把建立好的控制系统导 入到a d a m s 中，进行机械系统动态特性仿真分析。将不同软件的优点相结合， 能快速有效的验证控制算法。 为了系统能顺利的进行仿真，必须要将各软件联合使用。 a d a m s a n s y s 的数据接口：a n s y s 对构件进行有限元网格划分，生 成模态中性文件( m n f 文件) ，可以通过a d s 的f l e x 将m f 文件导入a d a m s 中，从而就可以对构件进行模态分析，提高系统仿真的精度。 a d 舢v i s m a t l a b 联合仿真技术：利用a d a m s c o 曲0 l 把m a t l a b s i n l u l i n k 与a d a m s 模块连接在一起进行联合仿真，此时受控的物理模型是可以是线性和 非线性的。a d a m s c o n 仃0 1 的模块可以模型转化为c + + 或者f o r t r a n 代码后导入 m a t l a b s i m u l i n k 中作为广义状态方程。这样仿真就完全在s i i n u l i n k 中进行了。这 种方法最大的好处就是机械系统和控制系统的积分求解器、积分步长、相对误差、 绝对误差可以设为一致，避免了由于积分步长不一致带来的错误，大大提高了仿 真的效率。 本文用a d a m s 软件建立了新型电动代步车多体动力学仿真模型，在 m a t l a b s i m u l i i l k 中创建了控制模型，两个软件通过a d a m s c o i 帅l 接口进行联合 仿真，在多种路况下验证控制算法，确定控制参数，经过反复调试，最终达到满 意效果。 重庆大学硕士学位论文 6 2 电动代步车机械系统模型的建立与分析 2 电动代步车机械系统模型的建立与分析 计算多体系统动力学分析时，首先提供一个便于建立多体系统的力学模型的 界面，并在系统内部由多体系统动力学模型得到动力学数学模型；再通过积分求 解器求解数学模型，在求解器的选择上，效率必须要高、稳定性必须要好，并要 求其具有广泛的适应性；最后，还要有丰富的显示手段来查询求解结果。其中， 最关键的部分是自动建模技术和求解器设计。 自动建模技术是指通过多体系统力学模型自动建立动力学数学模型过程的技 术，设计求解器时则需要结合系统的模型，求解时则需要用到特定的动力学算法。 一个机械系统，从最初建立几何模型到建立动力学模型，到对动力学模型的 求解，到得到最后的分析结果，其整个流程如图2 1 所示。 一( ：j i 多- 一r 一 山 ，1 52 2 - 53 t i m e ( s ) o 0 511 与22 53 t i m e ( s ) t i m e ( s ) t i m e ( s ) 图3 1 4 永磁无刷直流电机动态特性测试结果 f i g 3 1 4t e s tr e s u l t so f p l d cd y n 锄i cb e h 撕0 r 3 4a d a m s m a a b 联合仿真模型 电动代步车的驱动系统及控制系统的特性，主要是由电动代步车的轮毂电机、 传动部件以及控制系统的性能决定的。在a d a m s 中如要得到电机较准确的动态 特性表达式，通常采用微分方程模拟电机的数学模型，而在用a d a m s 单独仿真 的时候，实现驱动的最常用函数是s t e p 函数，但是它无法模拟电机的动态特性， 实现电机的仿真比较困难。转向控制系统是驾驶员把车辆的转向控制指令传递给 车辆，是人车重要的沟通渠道，其性能直接影响着车辆的操纵稳定性。 尽管a d a m s 在机械系统动力学和运动学上的功能很强大，但对于轮毂电机 驱动系统的的设计，却有些力不从心。而m a t l a b 在控制系统仿真上功能非常强大， 3 电动代步车人椅与电机控制系统模型的建立与分析 支持用户从概念设计、算法开发、建模仿真、实时实现的理想的集成环境，被广 泛地应用到信号与图象处理、控制系统设计、通讯、系统仿真等诸多领域，它具 有以下优点： 把复杂的控制加到a d a m s 模型上，可以做整个系统的联合仿真，遇到 问题，可以分别从机械系统和控制系统进行调整； 直接用a d w s 建立机械系统仿真模型，而不用推导出复杂的动力学方 程来描述机械系统，不仅简化了其建模过程，也提高了仿真精度。 a d a m s 和m a t l a b 联合仿真是利用a d a m s c o n t r o l 模块定义输入、 输出变量，生成m a t l 惦所需要的文件，然后在m a t l a b 中通过命令调用 a d a m s 中生成的文件，最后与m a t l a b s i m u l i n l 【的控制系统模块相连即可。 因此，通过a d a m s m a t l a b 的联合仿真，能对复杂的机电耦合系统进行仿真 分析，使仿真的结果更接近真实情况，为产品结构优化与改进提供更准确的数据 支持。 3 4 1a d a m s m a t i a b 联合仿真模型的创建过程 电动代步车的a d a m s m a t l a b 联合仿真的设计过程，主要分为以下几步： 定义输入、输出状态变量 打开创建好的a d a m s 电动代步车整车模型，依次选择b u i l d s y s t e m e l e m e n t s ，设置左右轮转速为系统状态变量，将其函数值设为0 ，然后将状态 变量分别赋给两驱动轮的驱动，将驱动函数分别设置为咏v a l ( r o t a t el ) 、 、，a r ：、，a l ( r o t a t er ) ，它将从控制系统中取值；创建电动代步车左右轮转矩的状态 变量分别为t o r q u el 和t o r q u er ，得到的值将在每一步计算后反馈给电动机作 为电机的负载力矩；然后建立人体质心处的纵向x 的速度v x ( m m s ) 、位移d x ( m m ) 和加速度a c c x ( m m 2 j ) 为状态变量，人体质心处的横摆角速度为 w _ y ( d s ) 。 导出控制参数 打开b u i l d 菜单，选择d a t ae 1 e m e n t s p l a n t p l a n th 1 p u t ( p 1 a n to u t p u t ) j n e w ，创建系统的输入、输出，在a d m s c o n 仃o l 模块下，单击p 1 a i l te x p o r t ， 选定输入、输出状态变量等参数，单击o k ，在a d 蝴s 的工作目录下，生成 c h a s u z h u a l l ) 【i a n g m 、c h a s u z h u a i u 【i a i l g c m d 和c h a s u z h u a n ) 【a i n g 础n 这3 个文件。 将a d a m s 模型转化为s i m u l i n k 模块 将a d a m m s 与m a t l 墟设置为同一个工作目录a d 锄sw o r k ；打开 m a t l a b 软件，在命令窗口下键入文件名c h a s u z h u a n x a i n g ，这时各参数的信息将 显示在m a t l a b 工作空间内；键入a d 锄ss y s 命令后，出现如图3 1 5 所示的新 窗口，其中a d a m ss u b 子模块是a d a m s 中的电动代步车模型的信息模块，里面 重庆大学硕士学位论文 有电动车模型的输入、输出变量和运动微分方程等全部信息。 s t a t e 6 d a c e a d a m s - 剐b 眦 图3 1 5 a d 锄s s y s 模块 f i g 3 1 5m o d u l eo f a d 锄s - s y s 仿真模型的整合与合理布局 新建s i m u l i n k 仿真模型，将生成的a d a m ss u b 、电机等模块连接起来；设置 参数；合理布局。得到的仿真模型如图3 1 6 所示。 控制方案的建立 电动代步车模型建立合适的控制方案，每一步都将电动代步车行驶的速度或 横摆角速度状态变量进行反馈，与给定的初始目标值进行比较，通过p w m 产生 模块，便能够得到p w m 占空比控制常数，作为控制系统的输入，便得到了电动 代步车的速度闭环控制模型。具体分析将在本文第五章中详细介绍。 3 2 3 电动代步车人椅与电机控制系统模型的建立与分析 图3 1 6 差速转向联合仿真模型 f i g 3 1 6c o - s i m u l a t i o nm o d e lo f d i 蜀f e r e n t i a ls t e e 血g 3 3 重庆大学硕士学位论文 3 4 2 联合仿真模型的调试方法及注意事项 设置仿真步长。 m a t l a b 与a d a m s 的仿真步长设置有可能不同，但每步都要将计算结果相 互传递，这样两个软件的仿真时间可能不同，对整体的联合仿真速度影响也比较 大，因此要设置合适的步长一般选择m a t l a b 与a d a m s 两种求解器仿真步长 的公约数。并且适当增大相对误差，避免仿真过程不收敛或出现错误。如果仿真 精度要求不高，也可以增大仿真步长，从而加快仿真速度。 仿真速度的提高方法。 可以通过减小步长来提高仿真精度，若是最大仿真步长设置小了，将会消耗 更多的电脑存储空间，使仿真速度变慢，所以尽可能的用系统默认的a u t o 方式。 一般将误差设置为0 1 。若是系统的精度要求不是很高，可以将误差设置大一些， 能够减小总的仿真时间。 微分方程的求解算法 s i m u l i i l k 中求解器常用的定步长和变步长两种方法，一般来讲用定步长系统 仿真速度更快，但是仿真误差相对比较大，而且，对于复杂的系统用定步长计算 容易不收敛或出现错误，本文建立的电机和电动代步车模型都比较复杂，所以采 用变步长的求解器。 一 s i m u l i i l l 【变步长求器比较常用的方法主要有：o d e 4 5 ( 4 阶或5 阶r 1 m g e - k 吡a 方法) 、o d e 2 3 ( 2 阶或3 阶r 吼g e k u t t a 方法) 、o d e l l 3 ( 变阶的a d 锄s 方法) 、o d e l 5 s 、 o d e 2 3 s ，对比以上几种方法，o d e l 5 s 属于多步预测算法，是以数值微分公式的变 阶算法为基础，研究对象的系统刚度比较大，计算精度也比较高。 一般的把既有慢变特性又有快变特性的系统叫做刚性系统，电动代步车采用 p w m 脉冲电流调速，位移、相电流等特性是慢变的，而瞬时的电磁扭矩的特性 是快变的。因此本文采用o d e l 5 s 多步预测算法，能够实现较快的仿真速度和达 到预期的精确度。 a d a m s 、s i m u l i n k 两软件间的单位转换 为了使软件间的数据进行交换，一般将a d a m s 中单位设置为“m m k s ”， 由于m a t l 媪是通用的国际数值计算工具，因此采用国际单位制，在联合仿真 的方框图中，通过用g a i n 模块把两个软件中的数据单位进行转换，伎联合仿真能 够顺利进行，得到正确的仿真数据。 3 4 3 联合仿真模型的封装 m a t l b s i m u l i i l k 在创建系统模型的过程中，通常采用分层的思想。尤其是在 动态系统建模的过程中，可以对比较复杂的模型，或者共同完成某一功能的基本 模块封装起来，。封装之后的模型思路清楚、结构简单。仿真模型的封装，能够完 3 4 3 电动代步车人椅与电机控制系统模型的建立与分析 全体现出一个人的设计思想【3 9 】。 本章建立了结构比较复杂的电动代步车联合仿真模型，当中有很多基本模块， 比如电源模块、逆变桥电路模块、逻辑换相模块和p w m 产生模块等。在联合仿 真的过程中，通过p d 调节的p w m 带宽控制常数作为系统的输入信号，将图3 1 3 永磁无刷直流电机测试模型进行封装，把电机的转速作为电机的输出。封装之后 结构比较简单，因此模块的封装非常必要，这种方法的优点如下： 充分体现出个人的设计思路，只需考虑系统的输入、输出信号； 工作效率与可靠性大大提高，可以反复利用封装后的子系统； 封装后系统与各基本模块的工作空间相互独立，简化了模型设计； 采用分层的建模思想，建模思路非常清晰。 对图3 1 3 永磁无刷直流电机测试模型进行封装，封装成s u b s v s t e m ，得到电 动代步车差速转向联合仿真的模型如图3 1 7 封装后的电动代步车仿真模型所示。 模块的输入为左右侧车轮电机p w m 带宽的控制常数，模块的输出为电动代步车 的响应信息以及与电机耦合的载荷转矩， 包括纵向位移、纵向速度、纵向加速度、 度等。 输出信息也可以根据试验的需要更改， 左车轮转矩、右车轮转矩以及横摆角速 图3 1 7 封装后的电动代步车仿真模型 f i g 3 17e 1 e c t r i cs c o o t e rs i m u l a d o nm o d e l 撕e re n c a p s u l a t i o n 重庆大学硕士学位论文 3 6 4 电动代步车人机电综合系统动态特性仿真与分析 4 电动代步车人机电综合系统动态特性仿真与分析 4 1 电动代步车操纵稳定性仿真分析 汽车的操纵稳定性是指在驾驶者不感到过分紧张、疲劳的条件下，汽车能遵 循驾驶者通过转向系及转向轮给定的方向的行驶，并且当受到外界的干扰时，汽 车能够抗干扰并继续稳定行驶的能力。即汽车操纵稳定性就是指汽车的操纵性和 稳定性。操纵性是指汽车能够准确的响应驾驶员指令；稳定性是指汽车具有抵抗 各种外界干扰，并能保持稳定行驶状态，而不会因为失去控制而导致侧滑或翻车 的能力。稳定性与操纵性相互影响，因此一般将汽车的操纵稳定性作为一个整体 来考虑。 汽车的操纵性主要反映在汽车的质心侧偏角，稳定性主要反映在汽车的横摆 角速度。另外，汽车在以最高速度或在低附着路面转向或制动时，其侧向加速度、 横摆角速度以及质心侧偏角将会出现较大的变动，因此这三个状态变量能够较好 的反应出汽车的行驶稳定性。 国内现在对电动代步车的操纵稳定性研究的比较少，还没有规范的研究方法， 本文参照了汽车操纵稳定性的研究方法m 】【4 ，对本文中的电动代步车在爬坡、稳 态转向、转向回正性等方面进行仿真分析，并对其操纵稳定性进行总体评价。 4 1 1 爬坡性能仿真分析 爬坡能力是车辆动力性能的重要指标之一，是指车辆在满载的情况下，在良 好的路面上所能爬行的最大坡度。坡度越大其性能就越好。本文设计的路面为间 距为5 0 0 0 m m 的变坡度路面，斜坡坡度分别为5 度、1 0 度、1 5 度，其几何尺寸 如图4 1 所示，所建的斜坡路面谱如图2 6 所示。 图4 1 斜坡路面的几何尺寸 f 培4 1g e o m e t r i cd i i i l e n s i o no fs l o p e 鲥硼1 d 实验时，车子从静止开始加速，3 秒内达到最大速度，然后以1 6 0 0 m m s 的最 大速度在斜坡路面上行驶，得到的数据曲线如图4 2 一图4 4 所示： 重庆大学硕士学位论文 m 高 。 口 蚤 1 石 主 旦 2 0 0 0 d 1 5 0 00 ，0 0 0 0 5 0 0 _ ；0 o 0 2 0 0 1 50 1 0 0 5 o 0 0 5 0 1 0 0 1 5o | | 一p a r _ ；l _ 1 3 9 c 虹v e l o a m 黼a 窖l j j l 厂f ri r r 0 0 _ 丌m e ( s e c j 1 0 0 图4 2 人体质心处的速度时间曲线 f i g 4 2v 色l o c i t yc u r v eo f h u m a nb o d yb a r y c e n t e r 1 50 l 一一 k - 一。d 一，、j 。1 “ ，了l 熄 l h l k ku l 蓝。 l 嚣7 ”一一甲一r f 1 7 f 。 l i _ _ 一 0 05 0 t i m ei s e c ) 1 0 0 图4 3 人体质心处俯仰角速度 f i g 4 3p i t c h i n ga n 鲥a rv e l o c 蚵c u r v eo f h u m a l lb o d yb a d ，c e n t e r 3 8 1 5 0 雷价、ee一扫130面 4 电动代步车人机电综合系统动态特性仿真与分析 l l o n 9 l d n a 矧 pi 。 趣m l 一一 t 一。 缸 l l 。 f 5 0 1 00 耵m e ( s e c ) 图4