电传动推土机双侧驱动控制策略与仿真研究

I 摘 要 电传动推土机双侧驱动控制策略及仿真研究 推土机在工程机械领域占有重要的位置,在国家的各项工程建设中，推土机都发挥着重要的作用。随着国家大力倡导节能减排，传统的推土机能源利用率较低，达不到环保要求。很多推土机厂家为了自身的生存和发展，开始对新的传动形式进行研究，电传动技术就是其中的一个重要的方向。本文结合课题组所研究的项目实际，对电传动推土机进行了研究，主要研究内容和结论如下： 对电传动履带车辆的发展过程和国内外的研究现状进行了简单的介绍，虽然国内的相关研究与国外还有一点差距，但是也取得了一定的成果。 析，确定驱动结构为双侧独立驱动结构。另外，根据电传动推土机的行驶特点，建立了面向控制的动力学模型，并以两侧电机的转矩为输入信号对模型进行了初步的仿真，结果表明该模型能较好的反映履带推土机的运动特点，为后面的研究做好了基础。 根据在动力学控制中对驾驶员输入信息的不同解释和选择的不同控制量，确定了采用基于转速调节和基于转矩调节的动力学控制方案，并对两种控制策略进行了对比分析。 在 建立了驱动电机模型和推土机的终传动模型。引入电机的转速闭环，采用 法控制电机的转矩输出。然后对驾驶员输入信号进行定义，在 编写推土机行驶控制逻辑。最后得到了包含驾驶员输入的整车模型，并利用该模型，对推土机的不同作业工况进行仿真分析。仿真结果表明，转速调节的动力学控制策略可以很好的解释驾驶员的操作意图，推土机整车的控制效果较理想，验证了转速调节控制策略的正确性和可行性。 整车角度出发，对转矩调节的动力学 制策略进行设计与建模，并对驾驶员输入信号进行定义，建立包含驾驶员输入的整车模型。利用该模型，对推土机的两种作业工况进行仿真分析，仿真结果表明基于转矩调节的动力学控制策略是可行的。接着对转速调节和转矩调节的两种动力学控制方案进行对比分析，得出基于转速调节的控制方案更适合于电传动推土机的实际应用。 出一定的结论，并对电传动推土机的进一步研究提出一点建议。 关键词： 推土机，电传动，动力学 ,控制策略，仿真 an in of as is of to of is In of as 1 of of of is 2. of In to of of as of of 3. of to of s in on V 4. on s of ID to of s s at s to of s be in on of on 5. of of on s s to of on 6. At of of V 目 录 第 1 章 绪论 . 1课题背景及意义 . 1国内外研究现状 . 2国外电传动履带车辆研究现状 . 3国内电传动履带车辆研究现状 . 4电传动履带车辆行驶控制及仿真技术的发展状况 . 5本文的研究内容 . 6第 2 章 电传动推土机驱动结构选型与行驶动力学建模 . 9电传动系统驱动结构形式简介与选型 . 9电传动系统驱动结构形式的比较分析 . 9电传动推土机的结构特点 . 10履带与地面的相互作用 . 11地面在履带车辆载荷作用下的力学特性 . 11地面对履带的驱动力 . 12电传动推土机行驶动力学建模 . 13推土机受力情况分析 . 13推土机行驶动力学建模 . 15基于面向控制的电传动推土机动力学模型的仿真 . 18本章小结 . 21第 3 章 电传动推土机双侧驱动控制特征及控制方案 . 23电传动推土机动力学控制特征 . 23电传动推土机整车的控制系统 . 24两种动力学控制方案 . 25本章小结 . 26第 4 章 转速调节的双侧驱动控制策略 . 27 转速调节的控制任务与难点 . 27电传动推土机整车驱动系统建模 . 27驱动电机及其控制器的建模 . 27推土机整车驱动系统的建模 . 28电传动推土机终传动结构分析 . 30三种转向方式 . 32转速调节的动力学控制策略建模 . 33转速调节的动力学控制任务及难点 . 33驾驶员输入信号的定义和解释 . 33转速调节的动力学控制方案建模 . 36不同作业工况的仿真分析 . 40线运行作业工况仿真分析 . 40线运行作业进行仿真分析 . 45梭运行作业仿真分析 . 49向制动仿真分析 . 54驶稳定性仿真分析 . 57本章小结 . 60第 5 章 转矩调节的双侧驱动控制策略 . 61转矩调节的可行性分析 . 61转矩调节的动力学控制策略建模 . 62不同工况的仿真分析 . 63种地面上直驶仿真分析 . 63进中转向仿真分析 . 66两种控制策略的比较 . 69本章小结 . 70第 6 章 结论与展望 . 71结论 . 71 展望 . 71参考文献 . 73作者简介及在学期间所取得的科研成果 . 77致 谢 . 79 1 第 1 章 绪论 课题背景及意义 人类为了自身生活的更加舒适，从未停止向大 自然的索取，目前传统能源面临枯竭。世界各国经济的快速发展是以资源的巨大消耗为支撑的，造成很多的浪费环节，并对环境产生了恶劣的影响。如今随着 象在我国北方出现给人们带来的恐慌，使人们更加关注环境污染的日益严重性。工程机械行业已渐渐取代汽车行业即将成为被诟病最多的环境污染行业之一1,2。 “十二五”期间，我国经济建设持续快速发展 ，国家大型基础建设（如水利建设、快速铁路网、农村城镇化等工程）的投入和步伐进一步加快，加上对西部大开发的投资力度的增加，还有第三世界国家正在大力发展基础设施建设，鉴于此，国内外市场对工程机械的需求快速增大，我国的工程机械行业也因此快速发展。由于工程机械的工作环境恶劣、负载变化剧烈、作业对象多变，所以工程机械行业在目前的研发设计和使用中面临着两大严峻的问题：能源上对石油的依赖程度日趋紧张和生态上 对环境的污染破坏日趋严重3,5。因此，工程机械要想可持续发展，为人类的不断发展服务，不仅要具有良好的动力性能，而且还要提高燃油经济性和降低废气排放等。 推土机是我们日常生活中常见的一种工程机械 ，在工程机械领域占有重要的地位。无论是在公路铁路施工和露天采矿作业，还是水利水电和城市建设，都能见到推土机家族成员在大显身手。但是因为推土机的作业环境恶劣，负载具有范围大、变化非线性的特点，而稳定性、准确性和快速性等方面传统的控制方法还没有达到理想的水平，因此推土机燃油利用性能较低，排放废气多，对大气污染的程度大6。目前国家一直倡导节能减排，对推土机等工程机械的生产制造具有严格的标准，效率低，污染大的机种必然会被淘汰。国内外的工程机械生产厂家为了自身的生存和发展，一直在寻求新型的推土机以适应社会发 2 展的需要，电传动推土机就是很多企业正在研究开发的一个新的机种。 本文研究的双侧独立驱动电传动推土机，是一 种新型的推土机，课题来源于课题组与山推工程机械股份有限公司的合作的科研项目。静液压传动、液力机械传动和机械传动是推土机常用的传动形式，不同的传动形式各有特点7,10。机械传动方式作业效率低，不能适应外界阻力变化，牵引性能不如其他方式；采用液力机械传动形式的推土机，优点是车速和牵引力可以伴随着推土阻力自动调整，效率提高，但是具有较高的生产成本，也不方便进行维修。采用静液压传动的推土机具有良好的转向性能，可以进行原地转向，但没有配套的液压元件，还无法应用到大功率的推土机上11,13。本文研究的双侧独立驱动电传动推土机，能量源是发动机 动部分主要有两侧驱动电机、终传动和履带行走装置。两侧的电机经终传动驱动履带行走装置，由于取消了机械连接，没有变速结构，对控制策略的要求变得更为严格。 基于如上所述，本文在研究电传动推土机的动 力学控制方案的基础上，确定了分别控制两侧电机转速和电机转矩的两种控制方案。为了更深入的研究，本文也考虑了驾驶员输入指令信息， 并对驾驶员输入指令进行定义， 在 建立了驱动电机模型、终传动模型和行驶动力学模型，从而得到整车控制模型，并利用该模型对推土机的各种作业工况进行仿真分析，检验控制方案是否正确、可行，最后对两种控制方案进行比较分析，并得出一定的结论。 国内外研究现状 电传动技术不是一门新兴技术，它的发展过程 比较曲折。开始应用于内燃机车，后来又发展到矿用卡车、重型运输车辆、装甲车辆等领域14。随着电力电子器件及控制技术等的迅猛发展，基于发动机和电传动的混合动力技术成功的应用于汽车。同时，这些技术也必将会推动电传动技术在工程机械领域的发展。纵观电传动技术在车辆上的应用，可以得知电传动技术在轮式车辆上应用已经较为成熟、完善和可靠。而对于履带车辆，由于其自身的特点，有些发达 3 国家已在该领域取得相当的进展，如美国卡特彼勒公司生产的电传动推土机已经成功上市，而我国对电传动履带车辆的研究仅处于探索和尝试阶段。为了更好的参与国际竞争，发展民族产业，我们在这方面的研究就具有更加现实和深远的意义。所以，我们有必要对电传动履带车辆的发展进程进行系统的研究和分析。 国外电传动履带车辆研究现状 在国外，电传动履带车辆的研究将近有 100 年的历史，电传动技术开始应用于坦克装甲车辆，并不断取得进展。 1916 年法国的“圣沙蒙”坦克是世界首辆电传动装甲车辆，该车在第一次世界大战中亮相15。此后的数十年，因为驱动电机系统跟柴油机相比不具备任何技术优势，电传动的研究和技术开发经历了短暂的发展和繁荣后进入停滞时期，期间没有实质的技术进展。 20 世纪 60 年代以来，随着电机控制技术、功率半导体器件和微型处理器的发展，电传动履带车辆研究得以生机重现并取得长足进步16。二战之后美国通用电气公司研制了 型坦克，该坦克采用全直流电传动，由发动机驱动一台直流发电机，发电机发出的电供给两台直流电动机使用，电动机分别驱动两侧履带，在当时是最完备的电传动装甲车辆17。 20 世纪 90 年代，美国先后研制了 兵战车和布雷德利战车，都是基于混合动力源驱动模式18,19。1996 年美国陆军提出 150 亿的预算计划，用来研究混合动力驱动技术。2002 年德国研制的“仑克”传动系统通过了台架实验和车辆实验，英国等其他国家也纷纷提出了电传动履带车辆的研究计划。可以预测，电传动技术会成为未来履带装甲车辆的一个重要发展方向。 由于有着相似的结构特点，电传动技术在装甲 车领域的成功探索为工程机械的发展提供一条新的途径。 20 世纪末到 21 世纪初期，国外知名工程机械公司开始对基于柴油发动机和电传动技术的工程机械进行了相关的设计研发并相继申请了相关专利和下线了相关样机，通过试验得到了预期的效果20,23。 在电传动工程机械方面发展较好的要数美国的 卡特彼勒公司，卡特彼勒公 4 司自 20 世纪 90 年代就开始对混合动力电传动履带推土机的关键技术进行研究，并于 2008 年 3 月在拉斯维加斯举办的 览会上首次展出其生产的电传动履带式推土机 带式推土机使用柴油发动机驱动一台交流发电机。发电机发出的电流经过电源逆变器后供两侧驱动电机使用。电机发出的转矩经过简单的传动装置作用到差速转向机构上。差速转向机构的发出的动力通过传动轴传至双级减速终传动，给履带提供平稳的驱动力，推土机可以实现无级变速。该机器与相同重量和马力的液力机械传动履带推土机相比，可实现在减少 10% 30%燃料消耗的同时作业效率较以往机型提高 25%以上且有着更低的生命周期维修成本24,25。此外，美国凯斯公司在电传动技术方面也取得了较大的发展， 2009 年 4 月，该公司在法国工程机械展上展出了与日本住友公司合作开发的 合动力履带挖掘机，该挖掘机回转采用电机驱动，连接可储存电能的超级电容器且发动机工作在效率较高的区域，该机器除了作业时更安静外，其燃油消耗比传统的 减少 20%左右26。 国内电传动履带车辆研究现状 在国内，电传动履带车辆的研究起步较晚，是 属于比较前沿的技术，虽然和国外相比存在一定的差距，但是也取得了一定成果。 我国从“八五”开始进行电传动技术的研究探 索，到现在已经取得了较快的进步，“九五”、“十五”期间，上海电器科学研究院和装甲兵工程学院、北京理工大学等科研院所和高校先后研制出了基于电传动技术的样车，并且进行了实车调试和性能测试，在相关技术方面取得了较大的突破27。北京理工大学是最早研究电传动技术在轮式车辆和履带车辆上的应用的单位，他们取得了一些相当先进的技术和成果，并积累了大量的经验。进入21世纪后，同济大学、长安大学、吉林大学以及武汉理工大学等高校联合汽车和工程机械厂商对混合动力电传动技术在轮式和履带车辆上应用也做了很多前瞻性的探索和研究工作28。 就目前形势来看，随着国家建设节约型社会和 美丽中国的战略，节能减排 5 已是大势所趋，我国电传动技术在工程机械领域的应用已经到了活跃期，尤其是在装载机、挖掘机和叉车上的研究和应用。例如詹阳动力、柳工、三一重工、徐工、山河智能公司等相继研制出了混合动力电传动技术工程机械产品样机并在节能减排和作业效率方面取得了一定的突破，取得了良好的效果。詹阳动力公司在 2007年推出了首台 开创了我国混合动力电传动技术在工程机械应用的先河；随后该公司又开发了“神话”牌混合动力装载机，这个产品现已投放市场。混合动力电传动技术在工程机械上的技术应用前景已经引起了国家科技部的重视，我国 863科研攻关计划已经把混合动力电传动工程机械列入了的重点项目，国家给予科研经费的支持，现在已有多家工程机械生产厂商联合高校积极参与这个重点项目。 综合国内外对电传动履带车辆的研究情况，目 前电传动技术主要应用于普通的机械传动和液压传动优势不明显的领域，特别是大功率传动的场合。由于成本的制约，电传动在低功率传动领域依然无法和传统的机械及液压传动竞争。然而，随着电传动技术的不断发展与成熟，电传动技术在履带工程机械上的应用必将得到更好的发展。 电传动履带车辆行驶控制及仿真技术的发展状况 除了电传动系统的结构和组成，电传动履带车 辆的控制技术同样是属于关键技术，电传动履带车辆的控制技术包括履带车辆动力学控制技术，对驱动电机的控制技术29,31。 典型的电传动系统采用双侧独立驱动的结构形 式，两侧履带主动轮之间没有机械约束机构，因此如何有效的对驱动电机进行控制，使两侧驱动电机输出的转矩实现良好的配合是实现车辆正常形式的必要条件。由于国外对技术的严格保密，我们很难查阅到外国关于电传动技术的详细资料，但国内的专家学者在进行了大量的研究后取得了一定的成果。 装甲兵工程学院的臧克茂教授对双侧独立驱动 式的电传动坦克转向控制策略进行了系统的研究，以 主控芯片设计成数字控制的两个闭环系统，根 6 据能量回收或者快速性的要求， 相应的采取了 双极 制内侧驱动电机的减速，可以实现车辆的转向功能32。 北京理工大学的鲁连军博士分析了电传动履带 车辆的匀速转向和变速和稳态工况，他按照传统履带车辆的转向理论首次提出了电驱动履带车辆的中心式转向、独立式转向和降速式转向的概念，并对转向阻力系数进行修正，使其能够适用于小半径转向的工况33。 本文的研究内容 本文考虑到电传动工程机械的发展需要，对双 侧独立驱动式电传动推土机进行研究，探讨通过控制两侧履带主动轮的转速或转矩实现推土机正常作业的方法，提出了转速调节和转矩调节的控制策略，在 建立基于两种控制策略的整车仿真模型，并利用这两个模型对推土机的各种作业工况进行分析，以验证两种动力学方案的可行性，具体内容包括以下方面： 第 1 章：简单介绍了课题的背景及意义，对履带式推土机传统的几种传动形式的优缺点进行了对比分析，紧接着介绍了国内外电传动履带车辆的发展及现状，明确研究的对象是双侧独立驱动电传动推土机。 第 2 章：对推土机的履带行驶地面力学进行研究，建立面向控制和仿真的电传动推土机行驶动力学模型，并对该模型进行简单的仿真，以验证模型的正确性。 第 3 章：从实质上对电传动推土机的动力学控制进行分析，确定了分别以驱动电机转速和转矩的为控制量的两种控制方案，并对两种控制方案进行了简单的分析和对比。 第 4 章：主要研究了转速调节的控制策略，首先介绍了转速控制的任务和难点，然后对驱动电机进行建模和控制，并对驾驶员输入信号进行定义，得到了包含驾驶员输入的整车模型，并利用该模型，对推土机的不同作业工况进行仿真分析，验证转速调节控制策略的正确性和可行性。 第章：首先对转矩调节的可行性进行分析， 然后从整车角度出发，对转 7 矩调节的动力学控制进行设计与建模，并对驾驶员输入信号进行定义，建立包含驾驶员输入的整车模型，并利用该模型，对推土机的不同作业工况进行仿真分析，验证转矩调节控制策略的正确性和可行性。 第章：总结全文的研究内容，得出研究结论 ，并对本课题的进一步研究提出展望。8 9 第 2 章 电传动推土机驱动结构选型与行驶动力学建模 电传动系统驱动结构形式简介与选型 电传动系统驱动结构形式的比较分析 电传动系统的驱动结构选型是电传动履带车辆 研究的一个基础问题，目前基本的驱动结构主要有双侧独立驱动式结构、横轴式结构和复合式结构三种型式34,36，如图 示。 (a)双侧独立驱动结构 (b)横轴式结构 (c)复合式结构 图 三种电传动驱动结构形式 图 示的是双侧独立驱动结构。电子控制单元同时驱动两侧电机，电机经过侧传动后带动履带的主动轮，来实现车辆的直驶和转向。考虑到转向过程依赖于两侧履带主动轮的速差，地面的负载的复杂性等因素，该种结构对控制策略的要求很严格37。 图 示的是横轴式结构。两台电机非对称布置，分别用来提供主驱动力和辅助转向。两侧主动轮通过轴连接，车辆直驶时对转向电机进行制动，直驶电机带动轴来驱动两侧的履带主动轮，实现直线行驶。转向时，转向电 10 机提供转向功率，增加的轴是用来使两侧主动轮产生速差，以实现转向。 图 示的复合式结构。它集中了上面两种结构的特点，但是结构和控制过程变得过于复杂。 上面所介绍的三种结构中，双侧独立驱动结构 是最简单的，应用也最为广泛。横轴式结构增加了连接两侧主动轮的机械传动轴和行星转向系，但是转向电机功率和体积都比单侧驱动电机缩减很多。复合式结构虽然集中了前两种结构的优点，但是部件布置困难，控制复杂，很难应用于实际。综上所述，本文研究的电传动推土机采用双侧独立驱动结构。 电传动推土机的结构特点 双侧驱动电传动推土机与传统的推土机相比，其结构有以下特点： 第一：取消了变速机构，通过控制内外侧的电 机可以获得同步的无级可变的行驶速度。 第二：该结构没有专门的转向结构，通过控制 内外侧的电机使其形成速差来完成转向。 第三：发动机没有直接通过机械连接与侧传动相连接。 第四：系统结构简单，两侧驱动电机对称布置 ，可以统一开发控制策略，系统可靠性高。 正是基于以上的特点，电传动推土机有如下优 点：第一，结构简单，履带驱动动轮之间没有机械连接，电传动系统可以实现柔性布置，合理利用车内空间；其次，可以分别控制内外的电机转矩和转速，动态响应更加快速，转向方式较为灵活，并且可以进行原地转向；第三，在推土机制动或下坡时，驱动电机可以回收动能，提高能量利用率。由于该结构取消了机械转向和变速机构，必须通过控制内外侧电机来实现各种工况，对双侧电机控制提出了较高的要求。 11 履带与地面的相互作用 电传动推土机的动力学控制的前提是分析履带 车辆行驶的动力学过程和特点，掌握履带车辆行驶过程的动力学规律，然后在这个基础上施加更有意义的动力学控制，这也是本节的主要研究内容。 履带车辆与轮式车辆有不同的行动装置，所以 动力学特点也就不同。轮式车辆存在与传动系统相独立的转向机构，而履带车辆的直驶、转向和制动等功能，都是通过一套传动装置控制两侧履带输出的变化来实现的38。电传动履带车辆面临的一个关键技术问题是转向问题。履带车辆转向过程中，履带接地段相对于地面的复杂运动使地面对履带存在横向作用力和纵向作用力，履带车辆的转向过程就是上述作用的结果，表现出非线性、时变的特点39。对双侧独立驱动的电传动推土机来说，直线行驶也是关键的问题。直线行驶的过程中，作用在两侧履带的滚动阻力不同，会导致履带车辆偏离行驶方向，影响正常的作业。 较长时间以来，很多的履带车辆动力学的研究 都把直驶和转向分开，大多数研究放在转向过程，并没有注意直驶与转向相互切换的动态过程。对于双侧独立驱动的电传动推土机行驶动力学控制而言，还需要进一步揭示推土机直驶与转向的相互转换的连续动态过程。 由于推土机作业工况多变，负载复杂，地面的 力学特性对推土机的动力学性能和机动性能影响很大，对电传动推土机进行行驶动力学建模之前，有必要先研究一下履带与地面之间的力学特性。 地面在履带车辆载荷作用下的力学特性 履带车辆行驶在地面上时，地面土体会在车辆 载荷的作用下发生一定的变化。对地面土体产生影响的车辆载荷可以分为垂直载荷和水平载荷。和金属材料一样，地面土壤在垂直载荷的作用下，会表现出弹性材料和塑性材料的特点。履带车辆以较快的作用方式向地面土壤施加动载荷，因此履带车辆行驶时地面 12 土壤的沉陷是瞬时的，沉陷时超过地面土壤的弹性应力范围，发生塑性变形，引起土体破坏，形成车辙40,41。由于土体是一种复杂的混合材料，多种因素会对它的性能受到影响，用纯理论方法去计算和预测土体的变形规律是非常困难的。所以，目前各国的专家都是采用半经验公式来描述地表土壤与垂直载荷的作用关系42。 地面土体在水平载荷的作用下，也会产生力和 位移的变化，也就是在履带车辆水平载荷的作用下地面土壤的应力 履带被驱动时，在履带和地面接触的面积上会发生剪切作用。土壤的剪切应力和剪切变形之间的关系一般由剪切试验来决定。 地面对履带的驱动力 如上节所介绍的，履带车辆对地面的载荷作用 可以分为垂直方向的载荷和水平方向的载荷。在垂直方向上，地面承载履带式推土机的重力，该载荷会引起地面弹塑性形变，地面会对于履带片接触的部位产生法向作用力。 面承受的法向载荷分布是不均匀的，支重轮数目、支重轮的刚性和履带的挠性会影响法向载荷的分布，而其分布方式会对履带车辆的受力情况产生影响43。 履带和地面的水平方向上发生剪切的同时会产生剪切应力 ， 如图 示，在履带接地面积上的所有剪切力 的总和就是履带行驶的纵向驱动力。 当推土机行驶在松软地面时，在接地面积的范围内，履刺之间的空间里充满着泥土，履带与土体之间的剪切就是沿着这个接地面积产生的44。 图 地面受履带的剪切作用 设履带的宽度为 B，履带接地长度为 L,则履带受到的总驱动力 F 可以如式 13 （ 示： 02（ 由式 知，如果剪切力 达到最大时，推土机履带将获最大的驱动力，考虑到莫尔 5= +（ F =+（ 式中， 分别表示最大剪应力和剪切面法向应力； 、 分别表示地面内聚力和地面内抗剪强度角。 由上式可以看出，整车重量、接地面积和地面 性质会对推土机履带获得的最大驱动力产生影响。 电传动推土机行驶动力学建模 推土机受力情况分析 推土机在直线行驶受到的阻力主要有地面变形 阻力、纵向坡道阻力、空气阻力、加速阻力和推土阻力组成，在转向时会受到横向阻力和转向阻力矩的作用。 由于推土机的车速较低，可以忽略空气阻力的影响46。推土机在行驶时与地面的相互作用过于复杂，不能运用精确的数学模型进行描述。结合本文研究的实际情况，在建模中适当的进行了简化：本文设定推土机在水平路面运行，对其垂直和俯仰运行进行忽略，并且推土机的中心与其车辆几何中心相互重合。地面情况决定地面变形阻力系数，地面和转向半径共同决定推土机的转向阻力系数。 推土机在直驶和转向时受力情况不同，下面分 别介绍两种状态时的受力情况。 （ 1）