輪轂電機驅(qū)動裝甲車輛“駕駛員-綜合控制器”在環(huán)實時仿真

張運銀， 馬曉軍， 劉春光， 廖自力

(裝甲兵工程學院控制工程系, 北京 100072)

輪轂電機驅(qū)動裝甲車輛“駕駛員-綜合控制器”在環(huán)實時仿真

張運銀， 馬曉軍， 劉春光， 廖自力

(裝甲兵工程學院控制工程系, 北京 100072)

為驗證輪轂電機驅(qū)動裝甲車輛控制方案的可行性，在仿真系統(tǒng)中引入真實的駕駛員操縱輸入，構(gòu)建了“駕駛員-綜合控制器-電機驅(qū)動系統(tǒng)-車輛動力學”整車閉環(huán)控制系統(tǒng)，并建立了基于橫擺轉(zhuǎn)矩控制的輪轂電機驅(qū)動裝甲車輛控制模型，實現(xiàn)了各驅(qū)動電機驅(qū)動轉(zhuǎn)矩的合理分配。采用真實的車輛綜合控制器，與 RT-LAB仿真平臺中建立的驅(qū)動電機模型和Vortex仿真平臺構(gòu)建的車輛動力學仿真系統(tǒng)共同組成 “駕駛員-綜合控制器”在環(huán)實時仿真系統(tǒng)，并在此基礎(chǔ)上開展了真實駕駛員操控下整車動力性能實時仿真，驗證了實車綜合控制器控制算法的可靠性，同時分析了車輛動力性能。

電傳動；實時仿真；硬件在環(huán)；橫擺轉(zhuǎn)矩控制

采用輪轂電機驅(qū)動是實現(xiàn)車輛電傳動的重要手段。目前，基于輪轂電機驅(qū)動的4輪獨立驅(qū)動電動汽車技術(shù)發(fā)展迅速，且關(guān)于其經(jīng)濟性及行駛穩(wěn)定性控制方面的研究較多[1-4]。然而，對8輪獨立驅(qū)動控制車輛的相關(guān)研究極少，國內(nèi)只有部分類似方案的簡單動力學仿真[5]，國外也只有簡單的方案介紹。對相關(guān)的電傳動車輛進行研究時，通常采用離線仿真的方法建立整車的動力學模型及綜合控制系統(tǒng)，仿真運行環(huán)境理想化，強調(diào)整車的控制效果，同時采用簡單的電機外特性曲線模擬驅(qū)動電機性能，忽略了驅(qū)動電機仿真模型精度對整車動力性能的影響[6-7]。與離線仿真相比，硬件在環(huán)實時仿真采用真實的車輛綜合控制器,且結(jié)合真實的駕駛員操縱設(shè)備，不僅能極大地提高仿真的可靠性，還能進一步對實車綜合控制器軟硬件系統(tǒng)展開測試[8-9]。因此，采用硬件在環(huán)實時仿真是進行輪轂電機驅(qū)動裝甲車輛行駛控制研究的有效手段。

筆者以4軸車輛單軌模型為基礎(chǔ)進行車輛動力學參考模型的解算，設(shè)計了基于橫擺轉(zhuǎn)矩控制的輪轂電機驅(qū)動裝甲車輛行駛控制方案。同時，基于RT-LAB和Vortex仿真平臺，構(gòu)建了輪轂電機驅(qū)動裝甲車輛“駕駛員-綜合控制器”在環(huán)聯(lián)合實時仿真平臺，并在此平臺上開展了真實駕駛員操縱下的整車動力性能實時仿真，對實車綜合控制器控制方案進行了測試。

1 驅(qū)動系統(tǒng)建模

1.1 輪轂電機驅(qū)動裝甲車輛總體結(jié)構(gòu)

輪轂電機驅(qū)動裝甲車輛的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示，其中：8個車輪均為輪轂電機驅(qū)動的電動輪，且各個電動輪之間無機械連接，可實現(xiàn)獨立驅(qū)動控制，8個輪轂電機為相同的永磁同步電動機。

圖1 輪轂電機驅(qū)動裝甲車輛總體結(jié)構(gòu)

1.2 基于橫擺轉(zhuǎn)矩控制的車輛驅(qū)動系統(tǒng)模型

輪轂電機驅(qū)動裝甲車輛實現(xiàn)了功率的柔性傳遞，車輛綜合控制器直接通過總線將控制指令傳輸?shù)捷嗇烌?qū)動電機，調(diào)節(jié)兩側(cè)電機的轉(zhuǎn)矩輸出，產(chǎn)生車輛需求的橫擺力矩，以改變裝甲車輛的轉(zhuǎn)向半徑，提高輪式裝甲車輛的轉(zhuǎn)向能力。

筆者設(shè)計的8×8輪轂電機驅(qū)動裝甲車輛整車驅(qū)動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 8×8輪轂電機驅(qū)動裝甲車輛整車驅(qū)動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.3 4軸車輛參考橫擺角速度計算

忽略車輛的側(cè)傾運動和俯仰運動，則車輛的運動可看作具有集中質(zhì)量的剛體平面運動[10-12]。可選取4軸車輛單軌模型作為駕駛員參考模型，如圖3所示。

圖3 4軸車輛單軌模型

其中:側(cè)向力平衡方程為

(1)

繞z軸力矩平衡方程為

Fy2cosδ2)-L3Fy3-L4Fy4+M。

(2)

式中：Vx為車輛縱向速度；Vy為車輛橫向速度；Fxj、Fyj(j=1,2,3,4)分別為第j軸輪子的縱向力和橫向力；β為質(zhì)心側(cè)偏角；δj為第j軸輪胎轉(zhuǎn)向角；m為整車質(zhì)量；Iz為繞質(zhì)心的轉(zhuǎn)動慣量；Lj為第j軸距離車輛質(zhì)心坐標系y軸的距離。

輪胎橫向力Fyj的計算公式為

Fyj=f(αj)=Cjαj,

(3)

式中:Cj為第j軸車輪側(cè)偏剛度;αj為第j軸車輪側(cè)偏角。

輪胎側(cè)偏角αj、橫擺角速度β與轉(zhuǎn)向角δj存在如下關(guān)系[13]：

(4)

(5)

式中：

由線性疊加原理可知：

(6)

由式(6)可得到理論橫擺角速度γref為

(7)

同時，受附著系數(shù)影響，不同路面狀況下的輪胎側(cè)向力必須滿足[14]

(8)

(9)

1.4 轉(zhuǎn)矩分配控制策略

在理想狀態(tài)下，驅(qū)動力平均分配于各個車輪;但在路況較差時，車輛各輪負載變化較大且各不相同，極易發(fā)生滑轉(zhuǎn)或滑移情況，嚴重影響車輛的控制性能。因此，有必要根據(jù)車輛運行狀態(tài)，實時調(diào)整各驅(qū)動輪的轉(zhuǎn)矩輸出。本文主要進行以下3個層次的轉(zhuǎn)矩調(diào)整。

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1) 根據(jù)油門踏板/制動踏板信號計算車輛總需求轉(zhuǎn)矩，并初步平均分配于各個驅(qū)動輪。駕駛員對驅(qū)動電機的總需求轉(zhuǎn)矩Tref可表示為

(10)

式中：η∈[0,1],為油門開度；n為電機的轉(zhuǎn)速；Ti_max(ni)為電機在轉(zhuǎn)速ni時的最大輸出扭矩。

每個驅(qū)動輪的轉(zhuǎn)矩給定為

(11)

2) 將期望的橫擺轉(zhuǎn)矩平均分配于每個驅(qū)動輪。橫擺轉(zhuǎn)矩M由γd與γ之差進行PI控制：

M=kp(γ-γd)+ki∫(γ-γd) dt。

(12)

式中：kp和ki分別為比例系數(shù)和積分系數(shù)。

左、右側(cè)的各個驅(qū)動輪轉(zhuǎn)矩給定調(diào)整如下：

(13)

3) 根據(jù)車輛各驅(qū)動輪滑移/滑轉(zhuǎn)情況，減小已滑移/滑轉(zhuǎn)驅(qū)動輪的轉(zhuǎn)矩給定。為保證車輛總體驅(qū)動力不降低并且橫擺轉(zhuǎn)矩不變，將轉(zhuǎn)矩減小量平均分配于同側(cè)其他驅(qū)動輪。已滑移/滑轉(zhuǎn)驅(qū)動輪轉(zhuǎn)矩調(diào)整量ΔT為

(14)

式中：λopt為當前路面最佳滑移/滑轉(zhuǎn)率;Tyaw為驅(qū)動輪轉(zhuǎn)矩。則非滑轉(zhuǎn)/滑移驅(qū)動輪給定轉(zhuǎn)矩Tu為

Tu=Tyaw+ΔT/N，

(15)

式中：N為滑轉(zhuǎn)/滑移驅(qū)動輪個數(shù)。

2 硬件在環(huán)實時仿真平臺

2.1 仿真平臺的總體結(jié)構(gòu)

輪轂電機驅(qū)動裝甲車輛“駕駛員-綜合控制器”硬件在環(huán)實時仿真平臺總體結(jié)構(gòu)如圖4所示。其中：1)駕駛員模擬操作平臺為一套羅技的游戲操控系統(tǒng)以及自研的真實車輛駕駛員控制盒，主要用于駕駛員操控信號采集及傳遞；2)綜合控制器以TMS28335型DSP為主控芯片，帶有數(shù)字信號接口、模擬信號、CAN總線接口以及FlexRay接口，主要進行既定車輛行駛控制策略的解算；3)RT-LAB仿真平臺用于進行輪轂電機及其驅(qū)動控制系統(tǒng)仿真，電機模型采用真實的電機實驗數(shù)據(jù)擬合；4)基于Vortex仿真平臺進行車輛動力學實時仿真，將RT-LAB仿真平臺計算的真實電機轉(zhuǎn)矩給定經(jīng)過相應(yīng)的效率折算后，直接加載到車輛模型的輪胎上；5)基于dSPACE仿真平臺的狀態(tài)參數(shù)監(jiān)控系統(tǒng)，實時顯示系統(tǒng)運行參數(shù)。

圖4 硬件在環(huán)實時仿真平臺總體結(jié)構(gòu)

2.2 仿真平臺通訊系統(tǒng)及工作原理

輪轂電機驅(qū)動裝甲車輛“駕駛員-綜合控制器”硬件在環(huán)實時仿真平臺通訊網(wǎng)絡(luò)及主要信號流向如圖5所示。可知: 此通訊網(wǎng)絡(luò)按照整車控制性能需求，同時采用CAN總線和FlexRay總線，以滿足不同控制對象的通訊實時性要求。具體工作原理為：1)綜合控制器根據(jù)車輛運行狀態(tài)及駕駛員控制指令，按照既定的控制算法解算出各電機的轉(zhuǎn)矩給定，并傳遞給RT-LAB仿真平臺;2)RT-LAB仿真平臺根據(jù)轉(zhuǎn)矩給定及實際轉(zhuǎn)速反饋,解算出實際電機轉(zhuǎn)矩輸出;3) Vortex仿真平臺將該轉(zhuǎn)矩輸出直接加載到車輛各驅(qū)動輪，進行車輛實時動力學仿真，并反饋車輛狀態(tài)[15]。

圖5 硬件在環(huán)實時仿真平臺通訊網(wǎng)絡(luò)及主要信號流向

3 實時仿真驗證

輪轂電機驅(qū)動裝甲車輛“駕駛員-綜合控制器”硬件在環(huán)實時仿真平臺能在考慮駕駛員輸入影響的條件下，對不同動力學控制算法進行測試與驗證，進而可以評價不同控制策略下的整車性能。

圖6為車輛分別在良好、濕滑路面連續(xù)進行加速、轉(zhuǎn)向及制動操作時的仿真結(jié)果。仿真總時長設(shè)定為80 s，前40 s為良好路面，后40 s為濕滑路面。由圖6可知：駕駛員在2種路面上的操作命令一致，且車速變化趨勢與操作命令相對應(yīng);輸出轉(zhuǎn)矩隨著車速(電機轉(zhuǎn)速)的增加而降低，總體符合電機輸出特性。其原因如下:1)初始加速階段，在濕滑路面多個車輪發(fā)生滑轉(zhuǎn)，車輛的驅(qū)動防滑控制迅速調(diào)節(jié)各驅(qū)動輪轉(zhuǎn)速，導致初始輸出轉(zhuǎn)矩發(fā)生多次跳變,而在良好路面只有個別驅(qū)動輪發(fā)生滑轉(zhuǎn)；2)轉(zhuǎn)向階段，隨著轉(zhuǎn)向盤輸入增加，橫擺轉(zhuǎn)矩控制發(fā)揮作用，左右兩側(cè)驅(qū)動輪輸出轉(zhuǎn)矩出現(xiàn)差值，外側(cè)轉(zhuǎn)矩不斷增加，內(nèi)側(cè)轉(zhuǎn)矩不斷減小,在轉(zhuǎn)向盤輸入信號較大時，內(nèi)側(cè)驅(qū)動輪輸出負轉(zhuǎn)矩，而在濕滑路面，由于轉(zhuǎn)向車速較高，轉(zhuǎn)向開始時，有部分車輪發(fā)生滑轉(zhuǎn),轉(zhuǎn)向盤回正后，電機輸出轉(zhuǎn)矩迅速恢復到一致狀態(tài)；3)制動階段，由于在濕滑路面多個車輪發(fā)生滑移，因而轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)波動大。

圖6 車輛分別在良好、濕滑路面連續(xù)進行加速、轉(zhuǎn)向及制動操作時的仿真結(jié)果

圖7為車輛連續(xù)過壕溝和垂直崖壁時的仿真結(jié)果。由圖7(a)可知：整個仿真過程中，油門開度保持在0.8左右。由圖7(b)可知：1)車輛開始處于加速階段，在7 s左右過壕溝時，車輛增速變緩慢，通過壕溝后，車輛增速加快；2)在17 s時，車輛遭遇垂直崖壁，車速迅速降低，通過垂直崖壁后，車速又迅速增加。由圖7(c)可知：1)在過壕溝時，驅(qū)動輪由前至后先后懸空，因而轉(zhuǎn)矩輸出先后調(diào)整；2)在爬垂直崖壁時，車輛因碰撞崖壁被阻擋前進，車速迅速減小，各驅(qū)動輪滑轉(zhuǎn)運行，轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)變化大；3)當車頭抬高爬上崖壁時，中間車輪懸空，稍后崖壁上車輪懸空。因而，整個過程中各驅(qū)動輪輸出防滑控制調(diào)整持續(xù)時間長，調(diào)整頻繁。

圖7 車輛連續(xù)過壕溝和垂直崖壁時的仿真結(jié)果

4 結(jié)論

筆者基于RT-LAB和Vortex仿真平臺構(gòu)建了輪轂電機驅(qū)動裝甲車輛“駕駛員-綜合控制器”硬件在環(huán)實時仿真系統(tǒng),8輪獨立驅(qū)動控制仿真實驗表明：橫擺轉(zhuǎn)矩控制能有效調(diào)節(jié)兩側(cè)轉(zhuǎn)矩分配，產(chǎn)生橫擺轉(zhuǎn)矩，提高車輛的轉(zhuǎn)向性能；驅(qū)動防滑控制能有效抑制車輪懸空狀態(tài)下的空轉(zhuǎn)現(xiàn)象，仿真結(jié)果符合預期的控制目標。采用硬件在環(huán)仿真能夠快速、準確地驗證綜合控制器控制策略及算法的有效性，為輪轂電機驅(qū)動裝甲車輛控制策略及算法代碼開發(fā)奠定基礎(chǔ)。下一步將提高各仿真分系統(tǒng)的模型精度，同時完善整車綜合控制策略。

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(責任編輯: 尚菲菲)

Driver-integrated Controller In-loop Real-time Simulation of In-wheel Motor Driving Armored Vehicles

ZHANG Yun-yin, MA Xiao-jun, LIU Chun-guang, LIAO Zi-li

(Department of Control Engineering, Academy of Armored Force Engineering, Beijing 100072, China)

To validate the feasibility of control scheme for in-wheel motor driving armored vehicles, the driver′s real operating input is introduced into the simulation system, and a closed-loop control system including driver, integrated controller, motor driving system and vehicle dynamics system is established. For the rational torque distribution of every driven motor, the in-wheel motor driving armored vehicle controlling model is built based on yaw torque control theory. The driven motor model built by RT-LAB and the vehicle dynamics simulation system built in Vortex make up the driver-integrated controller in-loop real-time simulation system with real integrated controller. Vehicle dynamic performance with real driver input is simulated based on this simulation system,the real vehicle integrated controller’s algorithm is verified to be reliable and the vehicle power performance is analyzed and evaluated.

electric drive; real-time simulation; hardware-in-loop; yaw torque control

1672-1497(2015)03-0032-05

2015-03-09

軍隊科研計劃項目

張運銀(1987-)，男，博士研究生。

TJ81+0.323; TP391.9

A

10.3969/j.issn.1672-1497.2015.03.007