電傳動履帶車輛轉向補償控制策略研究*

涂群章，張曉辰，潘 明，馮 霞，鄭偉杰

(解放軍理工大學野戰工程學院，江蘇南京210007)

0 引言

電傳動履帶車輛憑借其良好的動力性以及在節能、環保、降噪方面的杰出表現，近年來在農業、礦用工程機械和軍用車輛領域得到了廣泛應用［1-2］。轉向控制是電傳動履帶車輛驅動系統研究的重難點方向，主要體現為:高速轉向過程中功率需求大、平穩性差;低速轉向過程中系統響應能力差、轉向可控性不強［3］。

近年來，在轉向控制策略方面，國內外學者開展了大量理論分析與實驗研究，目前應用最廣泛的是直接轉矩控制策略，該控制方法簡單易行，但控制效果有限，無法實現對駕駛員瞬時操控意圖的快速響應［4］;在控制其設計方面，研究人員普遍采用離線仿真技術和實車測試方法，但離線仿真不能真實反映駕駛員的實時操控意圖，而實車測試往往周期較長，成本較高。

為了解決上述問題，提高電傳動履帶車輛轉向系統的響應能力和工作效率，本研究針對轉向補償控制策略的設計與實時仿真驗證展開研究。

1 面向實時控制的系統模型建立

1.1 履帶車輛動力學模型

為研究電傳動履帶車輛的轉向控制策略，需首先對車輛轉向過程進行動力學分析，建立面向實時控制的車輛動力學模型?；谙鄬D向半徑，電傳動履帶車輛轉向，可分為大半徑修正轉向、再生制動轉向、小半徑轉向3 種工況。對于采用雙側電機獨立驅動布置方式的車輛而言，通過精確、合理地控制兩側驅動輪轉速差，即可根據駕駛員意圖實現不同工況的轉向。典型的車輛轉向運動平面如圖1所示。

圖1 車輛轉向動力學示意圖

本研究將車輛轉向運動簡化為具有集中質量的剛體平面運動，忽略車輛的側傾和俯仰，只考慮履帶縱向運動?？紤]到轉向速度不高，忽略離心力對轉向穩定性的影響，不計履帶的滑轉、滑移，根據平衡關系可建立履帶車輛動力學模型:

式中:m—整車質量;Iz—轉動慣量;R—轉向半徑;n1，2—雙側驅動輪轉速;i0—減速器傳動比;r—驅動輪半徑;μ—轉向阻力系數，由A.O.尼基金經驗公式［5］，取μ=μmax/(0.925 +0.15R/B);Mh—轉向阻力矩，當轉速不為零時取Mh=μLG/4。

由于車輛行駛過程中的牽引力F1，2由驅動電機提供，在實際情況中需綜合考慮地面附著力和電機驅動能力對最大牽引力的影響，因此雙側履帶牽引力可表示為:

式中:T1，2—雙側電機驅動(制動)力矩，φ—地面附著系數，ηm—側傳動效率，ηt—履帶效率，α—表征制動狀態的參數。

1.2 驅動電機模型

電傳動履帶車輛的轉向動力學特性取決于電機的驅動控制特性，因此有必要對電機驅動系統進行建模。由于工況仿真時只需要獲取驅動電機轉子端的輸出轉矩和轉速，不關注電機內部電流電壓的變換關系，本研究在建模中采用基于臺架實驗的查表計算模型，考慮控制響應時間的電機轉子端輸出轉矩可表示為:

式中:Treq—目標轉矩;Ttmax(n)，Tbmax(n)—轉速為n 時的電機最大驅動與制動轉矩;τ—由實驗標定的輸出響應時間。

本研究選用三相交流永磁同步電機作為驅動電機，在仿真進程中目標轉矩根據不同轉速范圍的電機外特性曲線進行限幅。

根據臺架實驗測得的電機轉矩-轉速-效率特性圖如圖2所示。通過圖2 中的特性曲線和不同轉速下的效率分布即可在Simulink 中準確建立驅動電機的查表模型。

圖2 驅動電機轉矩-轉速-效率特性MAP 圖

2 電驅動系統轉向控制策略

在轉向方式上，電傳動履帶車輛通過調節驅動電機正/反轉輸出轉矩來實現車輛轉向。這種方式能夠大幅簡化轉向機械結構，但對系統的控制提出了更高要求。轉向控制策略設計的基本原則為:能夠及時有效地解讀駕駛員的操作意圖，結合不同行駛工況合理分配、確定雙側電機的目標轉矩，實現車輛的安全、快速轉向。

2.1 駕駛員輸入定義

在基于轉矩調節的動力學控制策略中，駕駛員不必考慮外界阻力變化的影響，只需通過對實時行駛信息進行判別、處理即可完成對車輛的操作控制。采集的駕駛員輸入信號主要包括:加速踏板信號、制動踏板信號和方向盤信號。將加速/制動踏板的輸入信號定義如下:

式中:δ，δmax，δ0—加速/制動踏板的瞬時角位移、最大角位移、自由行程角位移。本研究中δ0、δmax分別5°、60°。取k 為符號函數，驅動時取1，制動時?。?。

電傳動履帶車輛能夠實現3 種不同半徑的轉向工況，因此將方向盤轉角劃分為3 個過渡區，以便實現雙側電機的驅動/制動狀態切換。根據方向盤的對稱性，只考慮其左轉情況，將方向盤輸入信號定義如下:

式中:λ，λ0，λ1，λ2—轉向盤瞬時轉角、自由行程區切換轉角、雙側驅動區切換轉角、單側驅動/制動區切換轉角。本研究設定的λ0、λ1、λ2值分別為18°、90°、180°。當方向盤由λ0向左旋轉到λ2時，ψ 值由1 線性遞減為－1。

2.2 直接轉矩轉向控制策略

轉向過程當中，為了使車輛迅速響應駕駛員操縱意圖，需控制外側電機目標轉矩始終大于內側轉矩，且最好形成較大轉矩差，基于此制定的轉向控制策略如表1所示。

表1 基于轉矩調節的轉向控制策略

轉向完畢后，為保證車輛盡快回正，應根據駕駛意圖迅速縮小內外側電機轉矩差或為車輛提供與原轉向方向相反的負轉矩。因此在設計回正策略時可控制車輛進行逆轉向，基于轉矩調節的回正控制策略如表2所示。

表2 基于轉矩調節的回正控制策略

結合表(1，2)及對駕駛輸入信號的定義可以看出，當同時操縱踏板和方向盤時，基于轉矩的控制策略能夠從一定程度上解讀駕駛意圖并控制車輛完成不同的轉向/回正工況，但其控制效果往往取決于策略中門限值的設定。當踏板位移或方向盤轉角位于狀態切換值附近時，狀態的頻繁轉換使系統無法及時跟隨駕駛意圖，進而影響車輛的轉向效率與回正安全性?；谠撉闆r，本研究在轉矩調節的基礎上引入模糊控制以提高電傳動履帶車輛的轉向/回正相應速度。

2.3 基于模糊的轉向補償控制策略

模糊控制是一種擬人化的控制方法，它以模糊數學和模糊邏輯推理為理論基礎，首先將輸入變量模糊化，再按照控制器中預先設定的模糊規則進行判斷、分類與決策，最終將推理結果解模糊化，輸出實際系統易于識別的控制量，從而實現對系統的智能控制［6］。

由前面分析可知，車輛轉向過程中，由于電機低速時制動效率不高，本研究重點考慮對外側電機驅動力的控制。外側驅動轉矩增長速度越快，車輛的轉向效率和靈敏度就越高。而當駕駛員有回正意圖時，外側電機轉矩衰減速度越快，車輛回正所需的時間也越短。因此，本研究為了合理描述駕駛員的轉向/回正意圖，選取方向盤轉角λ、轉角變化率dλ/dt、加速/制動踏板開度a 作為模糊控制器的輸入量，選取外側電機轉矩調節系數κ 作為輸出量，選擇S、MS、M、MB、B 作為輸入/輸出量的模糊子集。

根據駕駛經驗設計的輸入/輸出隸屬度函數如圖3所示。

圖3 模糊輸入/輸出量的隸屬度函數

經模糊控制器調節后輸出的外側電機轉矩可表示為:

模糊策略的基本思路為:

(1)當方向盤行程λ 較小且車輛有轉向意圖時(dλ/dt ＞0)，給外側驅動轉矩一個較大增量以便車輛迅速進入轉向狀態;

(2)當方向盤行程較大且車輛有回正意圖時，給外側電機一個較大的衰減量以便車輛及時回正;

(3)當駕駛員有明顯加速轉向/回正意圖時，給電機轉矩一個較大增量/衰減量以滿足控制需求。反之，當制動踏板行程較大時則需降低增量/衰減量以盡量維持原行駛狀態;

(4)當方向盤處于中間行程且無明顯加速/制動意圖時應弱化模糊控制調節效果，系統將根據駕駛員輸入對驅動轉矩進行線性調節。

根據以上規則，本研究采用Mamdani 解模糊化算法，為模糊控制器設計出60 條模糊規則，模糊規則的語法形式為“if λ and dλ/dt and a，then κ”。

3 轉向系統半實物仿真平臺的建立

為保證所設計轉向控制策略的實時高效性，需要結合具體工況對其進行仿真驗證。傳統離線仿真技術雖然較為方便，但是鑒于其仿真輸入信號由人為確定，不具備隨機性，無法模擬駕駛員的真實操控需求。另一方面，由于離線仿真的控制策略未能轉換為代碼寫入測試控制器，其運算的實時高效性難以得到驗證。基于上述問題，本研究采用dSPACE 系統，將駕駛員輸入設備與測試控制器作為在環硬件，對轉向控制策略進行半實物仿真驗證。

dSPACE 實時仿真系統由德國dSPACE 公司開發，該系統具備與Simulink 的無縫連接技術，可將創建的Simulink 模型自動轉換為C 代碼并下載到dSPACE 系統中［7］。系統配備豐富的I/O 接口和強大的實時計算能力，能夠在真實環境下對控制器進行高效測試［8-10］。

本研究選用 MicroAutoBox1401/1504 作為dSPACE 硬件，整車與電機模型在上位機終端中建立，并通過RTW 接口編譯、下載到dSPACE 中?？刂撇呗阅Ｐ蛣t首先通過Stateflow 編譯，再由TargetLink 轉碼并下載到測試控制器中。駕駛員信號通過駕駛員輸入設備采集并輸入到控制器當中，控制器通過A/D 轉換讀入信號，通過CAN 接口卡與dSPACE 通訊，接收雙側電機的轉矩信號?；贑ontroldesk 創建的虛擬儀表儲存在監控機當中，為駕駛員提供車輛的實時行駛信息。

本研究采用的系統硬件和創建的監控界面如圖4、圖5所示。

圖4 半實物仿真平臺硬件

圖5 基于Controldesk 的轉向行駛監控界面

4 實驗與結果分析

本研究的研究對象為電傳動履帶車輛，實時仿真的參數設置參考某型12 t 履帶式推土機的設計參數［11］。仿真中主要參數的設置如表3所示。

表3 仿真中主要參數的設置

為了檢驗系統的轉向與回正效率，選擇具有代表性的加速轉向過程和加速回正過程作為仿真參考工況。在仿真進程中，駕駛員根據監控儀表隨時獲取車輛行駛狀態，通過操控方向盤與踏板使虛擬轉向系統完成預定的轉向/回正工況。

由監控機采集的仿真結果如圖6所示。

車輛行駛中的橫擺角速度及駕駛員輸入設備輸出的方向盤、加速踏板信號如圖6(a)所示?？梢钥闯?，在10 s～15 s 階段，駕駛員控制車輛加速轉向;在15 s～20 s 階段，車輛處于平穩轉向狀態;在20 s～25 s 階段，車輛加速回正。橫擺角速度的變化趨勢與加速踏板基本一致，說明車輛能夠較好地響應駕駛意圖。

圖6 轉向/回正控制半實物仿真結果

轉向/回正過程中雙側電機的轉速變化如圖6(b)所示。轉向過程中，外側電機轉速不斷提高，內側電機轉速不斷衰減，較大轉速差的形成有助于車輛實現快速轉向。當車輛進入穩定轉向階段時，雙側電機轉速趨穩，模糊控制的影響降低，有助于維持駕駛穩定性?；卣^程則可以視作“逆轉向”過程，其轉速變化情況與轉向工況相反。圖6(c)、6(d)對比了兩種控制策略的轉向控制效果。車輛的行駛軌跡如圖6(c)所示，當車輛收到轉向/回正指令時，加入模糊補償的轉矩控制策略能夠幫助車輛實現快速轉向/回正，而直接轉矩控制對駕駛員意圖的響應較慢。兩種控制策略下的車輛相對轉向半徑如圖6(d)所示，可以清楚地看到，與直接轉矩控制相比，加入模糊補償的控制策略在轉向和回正工況中均能明顯提高系統的信號響應能力(響應時間分別提前了0.873 s 和0.550 s)，進而優化了車輛的轉向靈敏度。

5 結束語

本研究以電傳動履帶車輛轉向控制策略為研究對象，通過實時仿真得到了以下結論:

(1)建立了面向轉矩實時控制的履帶車輛轉向動力學模型，結合電機效率及外特性臺架實驗建立了驅動系統模型;

(2)在原有轉向控制策略的基礎上，基于模糊理論提出了一種轉向/回正補償控制策略;

(3)本研究基于dSPACE 半實物仿真技術建立了駕駛員-測試控制器在環的轉向控制實時仿真平臺，對提出策略進行了仿真驗證。仿真結果表明:與直接轉矩策略相比，基于模糊的轉向補償控制策略提高了系統的轉向和回正響應能力(系統響應時間分別提前了0.873 s 和0.550 s)，為同類車輛的轉向系統穩定性與靈敏性研究提供了參考。

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