电传动履带车辆电子差速转向控制策略_图文

1、 收稿日期:2008207211基金项目:国家部委预研项目(40402070104作者简介:翟丽(1973, 女, 博士, 讲师,E 2mail :. cn. 第29卷第2期2009年2月北京理工大学学报Transactions of Beijing Institute of TechnologyVol. 29No. 2Feb. 2009电传动履带车辆电子差速转向控制策略翟丽, 孙逢春, 谷中丽, 张承宁(北京理工大学机械与车辆工程学院, 北京100081摘要:提出一种电传动履带车辆电子差速转向控制策略. ; 通过履带车辆运动学和动力学分析, M 制策略; 建立了

2、感应电机间接磁场定向(I FOC 转速控制系统, RA C 控制模型, 并进行了Popov 超稳定性判稳分析. , , 该策略可使车辆获得良好的差速转向性能.关键词:电传动; 履带车辆; 中图分类号:U 4691:A 文章编号:100120645(2009 0220113205Control Strategy of E lectronic Differential Speedin E lectric Drive T racked V ehicleZHA I Li , SUN Feng 2chun , GU Zhong 2li , ZHAN G Cheng 2ning(School of Mec

3、hanical and Vehicular Engineering , Beijing Institute of Technology , Beijing 100081, China Abstract :A steering cont rol st rategy of electronic differential speed for electric drive t racked vehicles is p roposed. A cont rol system of electronic differential speed for t racked vehicle wit h dual i

4、nduction motors drive is established. According to t he kinematics and dynamics of vehicles , a steering cont rol st rategy of electronic differential speed based on reactive power model reference adaptive cont rol (MRAC of induction motor is proposed. A speed cont rol scheme of indirect field orien

5、ted control (IFOC of induction motor is developed. A cont rol model of MRAC based on reactive power is designed , and stability of t he model is analyzed by Popov s hyperstability. Experiment s wit h t he st rategy in running steering wit h different speeds were carried out. Experimental result s in

6、dicated t hat t he st rategy led to fine steering performances. K ey w ords :electric drive ; t racked vehicle ; elect ronic differential speed ; steering电传动履带车辆通过协调控制两侧驱动电机的转速和转矩, 可以实现无级转向, 提高车辆转向低速操控性和高速平稳性. 电子差速转向控制是电传动履带车辆的关键技术之一, 特别是驱动电机的控制特性直接影响差速转向性能. 鲁连军等1对电传动履带车辆转向理论进行了分析和仿真; 孙逢春等223提出了双侧独立

7、驱动的电传动履带车辆转矩或转速整车控制策略. 根据履带车辆转向行驶特性, 作者构建了双感应电机独立驱动履带车辆电子差速控制系统, 建立了基于无功功率感应电机模型参考自适应控制(M R A C 的电子差速转向控制策略, 采用该策略, 在不同速差行驶转向工况下进行实车试验, 验证了该策略的可行性.1电传动履带车辆电子差速分析111双电机驱动履带车辆电子差速系统双电机驱动履带车辆的两侧主动轮分别由两侧电机独立驱动. 车辆转向是采用电子差速技术实现 的, 所谓电子差速是完全采用电子控制的方式控制两侧电机的转速和转矩, 使履带车辆两侧主动轮以不同速度转动. 电子差速系统如图1所示, 综合电子差速控制器根

8、据方向盘、踏板和电子挡位传感器的信号, 计算速差和分配转速, 通过CA N 总线向两个电机控制器发送转速信号, 控制两个电机的速度以实现车辆无级转向.图1Fi g. 1B of di f f erenti als peed 112履带车辆转向运动学分析图2为履带车辆转向运动学和动力学简图. 图中R 为转向半径; c 为车辆转向角速度; v c 为履带车辆平面中心点的切线速度; v 1和v 2分别为内侧和外侧履带速度;B 为履带中心距;L 为接地端长度; T z 为转向阻力矩; F g1和F g2分别为内侧和外侧履带滚动摩擦阻力; F 1为转向所需内侧制动力或反向牵引力; F 2为外侧牵引力.图

9、2转向运动学和动力学简图Fi g. 2Diagram of kinematics and d y namics如图2(a 所示, 不考虑履带滑移和滑转, R 与v c 的关系为4R =B (v 2+v 1 /2(v 2-v 1 , v c =(v 2+v 1 /2.(1设v =v 2-v 1, 由式(1 可得R =Bv c /v =B (n 1+n 2 n/2=B (1+2 /2=v c /c .(2式中:n 1和n 2分别为内侧和外侧电机转速, n =n 2-n 1; 1和2分别为内侧和外侧电机角速度,=2-1.113履带车辆转向动力学分析通过图2(b , 对车辆转向时两侧履带纵向力进行分析

10、, F 1和F 2表示为F 2-F 1-F g1-F g2=m v c ,(F 2+F 1 B/2-T z -(F g2-F g1 B/2=J c ,max (F 1, F 2 m g/2, T z =m gL /4,=max /01925115 ,F g1=mg 2.(3;J 为车辆绕O 点的转;m 为整车质量; g 为重力加速度; 为履带与地面的附着系数; 为转向阻力系数; max 为最大转向阻力系数.由式(3 推导出车辆转向瞬态动力学方程为F =F 2-F 1=(F g1+F g2 +m (c R +R c , F 2=F g2+T z /B +(mR/2+J/B c +m c R /2

11、, F 1=-F g1+T z /B -(mR/2-J/B c -m c R /2.(4由图1可知, F 1, 2=T 1, 2i/r , 其中:T 1为内侧电机产生的再生制动转矩或反向牵引转矩; T 2为外侧电机产生的正向牵引转矩;为侧传动效率;i 为侧传动的传动比; r 为主动轮半径. 由式(4 可知,履带车辆转向模型是关于c ,R 以及f ,max 的多输入多输出非线性系统, 很难直接控制T 1及T 2. 车辆转向时, 电子差速控制器根据驾驶员期望转向半径R r ef 和期望转向切线速度v c, ref , 计算两侧电机给定角速度1, ref ,2, r ef , 由电机转速控制策略控制

12、输出T 1, T 2, 使两侧电机输出期望的角速度, 实现电子差速转向. 由于两侧电机的角速度1, 2是由T 1, T 2控制的, 因此电子差速转向最终是由电机驱动转矩控制转速来实现的.2电子差速控制策略211整车电子差速控制方法方向盘转角位移信号对应R ref , 方向盘旋转角度范围-30°, +30°, 方向盘传感器经A D 转换输出到综合电子差速控制器的信号为0, 80, 其中, 0, 35对应向左转向半径0, +, 45, 80对应向右转向半径+, 0, 35, 45表示直驶. 加速踏板位移信号对应v c, ref .由式(2 知, 差速模型是多输入、多输出的非线4

13、11北京理工大学学报第29卷 性模型, 因此综合电子差速控制器根据R r ef 和v c, r ef , 采用B P 神经元网络控制, 计算速差v 后, 输出v 1, r ef 和v 2, ref , 再经计算, 向两侧电机控制器分配两侧电机的给定角速度1, r ef , 2, r ef , 从而控制两侧驱动电机转速, 如图3所示. 由于电子差速转向最终是靠控制两侧电机角速度来实现的, 因此高性能电机速度控制系统是实现电子差速控制的关键.3Fi g. 3Elect ronic di f f erential s peed212基于无功功率的感应电机MRAC 转速控制策略21211感应电机I F

14、OC 控制策略感应电机I FOC 控制策略由转速环、转矩电流环、磁链环和磁链电流环组成4个闭环控制环, 产生空间矢量脉宽调制(S V PW M 所需定子电压, 驱动电压型逆变器. I FOC 控制只有在转子磁场位置定向准确时, 转矩电流分量和磁链电流分量才能解耦, 才能获得高性能控制特性. 为保证转子磁场位置定向准确, 采用M R A C 系统对转子磁场位置进行自适应校正. 负载转矩估算器用来估算T L , 并反馈给电子差速控制系统. 转子位置传感器采集转子角位移和角速度. 该策略采用高性能数字信号处理器DS P T M S 320F 2812实现. 21212感应电机M R A C 系统设计

15、感应电机同步旋转坐标系d , q 轴电压方程为5u ds =R s i ds L s i ds +L m dr /L r -L s e i qs -e L m qr /L r ,u qs =R s i qs +L s i qs +L m qr /L r +L s e i ds -e L m dr /L r . (5式中:u ds ,u q s 分别为定子d 轴及q 轴电压; R s 为定子相电阻;L s ,L r 分别为定子及转子相电感;L m 为定转子相间电感;dr 和qr 为转子d 轴及q 轴磁链;i ds , i q s 为定子d 轴及q 轴的电流;e 为同步旋转角速度, e =r +s

16、 1, 其中s 1为转差角速度, r 为转子角速度; =1-L 2m /(L r L s .瞬态无功功率Q 为Q =u qs i ds -u ds i qs .(6将式(5 代入式(6 得Q =L s ( i qs i ds - i ds i qs +L s e (i 2ds +i 2qs -L m ( dr i qs - qr i ds /L r +e L m (qr i qs +dr i ds /L r .(7由式(7 可以看出, Q . 稳态时Q Q L s (2ds +i 2qs e qr i +dr i ds /L r .(8, m i ds , qr =0, 式(8 变为Q =L

17、s e (i 2ds +i 2qs +e L 2m i 2ds /L r .(9当转子磁链方向与d 轴坐标轴不一致时, 实际无功功率不等于参考无功功率, 通过基于无功功率的M R A C 系统, 控制转子磁场位置尽可能与实际位置接近. 参考模型选用不含s 1的式(6 , 可调模型选用含s 1的式(9 , 建立基于无功功率的M R A C 系统模型, 实时计算并比较参考无功功率Q ref 和可调无功功率Q e st , 将产生的误差反馈给线性补偿器D 和自适应机构P I 调节器, 对e 进行自适应调节. 该系统可在线辨识转子电阻, 自适应校正转子电阻误差, 不受积分误差和定子电阻的影响. 212

18、13M RA C 系统稳定性分析根据Popov 超稳定理论, 基于无功功率M R A C 闭环系统全局渐进稳定的充要条件如下6:线性时不变反馈系统传递函数是严格正实. 非线性时变系统满足Popov 积分不等式(0, t =t 1v T w d t -2(t 10 .(10式中:v 为系统输入量; w 为系统输出量; 2为任意正有限常数.无功功率的感应电机MRAC 系统误差为=Q ref -Q est =(u qs i ds -u ds i qs -e (, t L s (i 2ds +i 2qs +(L 2m /L r i 2. (11 式中:e (, t =s1,con +s1,est (,

19、 t +r , 其中s1,con为计算转差角速度, s1,est 为辨识转差角速度. 定义v 和w 为v =D, w =-=-1+s1,con +s1,est (, t +2.(12式中:D 为线性补偿矩阵; 1=u qs i ds -u ds i qs ; 2=L s (i 2ds +i 2qs +(L 2m /L r i 2ds .自适应率采用PI 调节, 有511第2期翟丽等:电传动履带车辆电子差速转向控制策略 s1,est (, t =(k P +k I /s v . (13根据以上分析, 建立如图4所示的MRAC 系统, 当0时, 可调模型中的参数e 趋于实际值.图4MRAC 系统的

20、等效结构Fig. 4Equivalent structure of MRAC将式(12 代入式(10 , 得到t 1-1v 2k I /v 22+2t 2. (14式(14 满足不等式t 1d t f (t k I f (t d t -2k I f (0 2, k I >0.(15因此, PI 自适应调节器满足Popov 积分不等式, 通过Popov 超稳定性判稳分析, 调节PI 控制器参数, 可以获得合适的自适应率. 通过调节的符号, 使线性时不变反馈系统是正实的. 21214转矩估算器电机的电磁转矩T e 表示为T e -T L =m r , T e =3PL m /(2L r dr

21、 i sq .(16式中P 为极对数, 从式(16 可以看出, T L 可由dr ,i sq 及r 估算.3试验结果与分析对电子差速系统进行装车试验验证电子差速转向控制策略的可行性. 在石板路面上, 车辆以车速413km/h 匀速直驶, 然后, 向左将方向盘固定在20°, 以两侧电机速差为200r/min 向左进行匀速转向试验, 结果如图5所示; 向左将方向盘固定在5°, 以两侧电机速差为400r/min 向左进行匀速转向试验, 结果如图6所示. 由图5(a 和图6(a 可见, 电机1为内侧电机, 电机2为外侧电机, 双电机转速输出平稳; 由图5(b 和图6(b 可见, 两

22、侧电机保持稳定速差, 具有良好的低速转速控制特性; 由图5(b ,5(c ,5(d 和图6(b ,6(c ,6(d 可以看出, 实际速差及实际转向半径的变化与方向盘角度的变化一致.611北京理工大学学报第29卷 由于电机电流与输出转矩成正比, 由图7和图8可以看出, 电机2输出牵引转矩, 电机1输出再生制动转矩; 电机的输出转矩实时变化, 克服实时变化的转向阻力矩, 实现稳速转向. 由图6(b ,6(c , 6(d 可以看出, 速差400r/min 的方向盘角度比速差200r/min 时小, 因此实际的转向半径随之变小. 从图8可以看出, 电机2输出再生制动转矩随之增大. 在124s 时, 转

23、向结束, 由于外侧电机2转速降低, 内侧电机1转速没有增速, 车辆整体车速下降, 未能实现独立式转向. 124s 以后车辆加速直线行驶, 足加速的需求.4结论电子差速转向通过电子控制两侧电机变速可以实现履带车辆的平稳转向, 电传动履带车辆电子差速转向特性取决于两侧电机的转速控制特性. 电子差速转向控制策略包括整车差速控制和电机转速控制. 根据整车转向运动学和动力学, 建立整车差速控制策略, 电机转速控制采用基于无功功率的感应电机MRAC 转速控制策略可以在线辨识转子电阻、自适应校正转子电阻误差, 使转子磁场位置准确定向, 获得高性能的电机转速特性, 以满足整车差速转向的需求. 不同速差转向工况

24、的试验结果表明, 车辆低速转向时, 两侧双电机具有良好的低速转速控制特性, 可提高电传动履带车辆转向低速操控性和稳定性.参考文献:1, , . IN K 的电传J.,2006,27(1 :, Sun Fengchun , Zhai Li. Steering perform 2ance simulation for electric drive tracked vehicle based on Matlab SIMUL IN KJ.Acta Armamentarii , 2006, 27(1 :69274. (in Chinese 2孙逢春, 陈树勇, 郭汾. 基于转矩控制策略的电传动履带车辆驱

25、动特性研究J .兵工学报, 2007, 28(2 :1292133. Sun Fengchun , Chen Shuyong , Guo Fen. Research on driving performances of electric transmission tracked ve 2hicles based on torque control strategyJ.Acta Arma 2mentarii , 2007,28(2 :1292133. (in Chinese 3邹渊, 孙逢春, 张承宁. 电传动履带车辆双侧驱动转速调节控制策略J .北京理工大学学报, 2007, 27(4 :3032307.