電動自卸車輪邊驅動電機輸出轉矩控制分析

崔丹丹，崔高偉

（1.中原工學院信息商務學院，河南 鄭州 450007；2.上海航天控制技術研究所，上海201109）

1 引言

電傳動車輛高效的傳遞模式，被廣泛應用在各類礦山開采運輸中。此類車輛在實際使用過程中會有這樣的現象：由于輸出電機轉矩波動，造成部分工況車輛存在抖動現象，而這將造成系統部分單元磨損加劇而影響壽命[1]。電傳動車輛的常常工作在這些工況，所以對于此類車輛的設計者來講轉矩波動問題不可不考慮。

國內外學者取得一定的成果：文獻[2]提出模型跟蹤控制，將車輛動力學看作一個可變的慣量系統；文獻[3]通過實時測試路面滑移率，將其作為控制模型輸入，對車輛進行控制；文獻[4]提出通過控制附著系數與滑移率的斜率來保證車輛穩定運行；文獻[5]利用驅動電機估計出最大可傳遞轉矩輸出，通過直接限制轉矩參考值而防止車輛打滑。

針對電傳動車輛輪邊電機輸出轉矩波動問題進行分析，搭建輪邊電機矢量控制模型，從控制模型入手研究影響轉矩波動的原因以及應對的方法，基于Simulink 搭建動力傳遞系統模型，并對輪邊電機驅動及轉矩控制模塊進行封裝，基于Pharlap 系統，利用NI PXI 做目標機，對模型進行不同工況實時仿真，驗證所提出控制方法的有效性。

2 輪邊電機控制模型

2.1 電機數學模型

在靜止坐標系[6]，電機相關方程可寫作：

圖1 電機模型Fig.1 Motor Model

2.2 電機矢量控制模型

矢量控制系統的原理，如圖2 所示。

圖2 矢量控制原理示意圖Fig.2 Schematic Diagram of the Principle of Vector Control

圖2 中所示，信號經過直流調速系統控制器，得到磁鏈電流和電樞電流，經過坐標變化獲得兩相電流，之后通過2/3 變換模塊得到靜止三項坐標系上的電流iA、iB、iC，使其與頻率信號加到變頻器上，即可得到異步電機調速所需的三相電流，將此電流輸入異步電機則達到控制異步電機的目的。

根據轉子定向矢量控制[7]，則電機控制模型寫作：

根據此可搭建出模型，如圖3 所示。

圖3 電機控制模型Fig.3 Motor Control Model

2.3 輪邊電機負載合成轉矩

電機的輸出軸與輪邊減速器太陽輪相連，在輪邊減速器齒圈的帶動下輪胎轉動，并接收地面傳來的力[8]。由此，可以確定，作用在電機輸出軸的力矩有如下幾種：輪胎系統的慣性力矩，地面附著力對電機反作用力矩，滾動阻力矩。

3 輸出轉矩波動及控制

3.1 轉矩波動原因分析

對電機輸出控制模型進行加載，200Nm 的負載，目標速度20r/s 的結果，如圖4 所示。

由圖4 可知，結果穩定且符合設計要求，當轉矩有上下50 的波動。分析可知，引起電動輪轉矩波動的影響因素如下：

（1）轉矩給定不穩定

當轉矩信號有偏差和干擾，這就使得信號發生擾動造成轉矩的波動[9]。這個問題的解決辦法是讓信號經過濾波器或者給油門和電流檢測信號線加屏蔽。

圖4 帶負載運行結果Fig.4 With the Load Operation Results

（2）電流和轉速等反饋信號檢測誤差較大

此類誤差對元件在電磁干擾下會對結果造成影響。此外，由于溫度變化或電壓不穩定時，靜態工作點發生變化，如零點漂移，導致檢測誤差變大。這種情況需要進行補償和調制兩種手段來解決[10]。

（3）電流換向

圖5 轉矩波動Fig.5 Torque Fluctuations

由于輸入的是三相交流電，電流換向不免引起轉矩的脈動。在電機調速過程中應用到了三相逆變器，輸入的三相電流必然要經過多次換向，結果是讓定子電流在換向區出現較大失真，這就導致了輸出轉矩出現波動現象[11-12]。也可以通過實驗來驗證這個說法，將結果用圖5 的對比圖來說明。圖中可以看出，電壓的每次換向都會引起電磁轉矩的一次波動。

3.2 轉矩波動控制方法

（1）脈沖發生器中誤差寬度的影響

從矢量控制方程入手[13]，分析影響轉矩的因素：

結合式（4）和式（6）兩個方程，可得：

在模型中，采用電流跟蹤型PWM 技術作為逆變器的通斷控制方式，由電流滯環跟蹤器來控制逆變器，如圖6 所示。

圖6 電流誤差Fig.6 Current Error

圖7 不同滯環寬度分析結果Fig.7 Hysteresis Width Analysis Results

圖7 經過比較可知，通過減小滯環寬度可有效控制輸出轉矩波動。

（2）轉子磁鏈給定值的影響

圖8 不同磁鏈給定值Fig.8 Different Flux Given Value

由式（11）可知，Te直接受到磁鏈值影響，同理也對電磁轉矩的波動有較大的影響。不同取值對比結果，如圖8 所示。

從圖中可以很明顯看出，在磁鏈為1.5 時，轉矩上下波動達到100Nm，而將磁鏈給定值設為0.6 時，轉矩波動降到不足30。

4 基于Pharlap 系統實時分析

基于Simulink，根據動力傳遞系統建模原理與方程可搭建如圖9（a）模型，為了研究方便，將其封裝成獨立的左右驅動輪加簡單從動輪的模型。從動輪可視為純滾動而不需要考慮滑轉率，但需要考慮它的滾動阻力以及分擔的車輛對地面的正壓力。所以在模型中從動輪模塊反映為它的滾動阻力模塊。另外仿真結果不采集從動輪的數據只分析主動輪運行情況，模型，如圖9（b）所示。為了提高效率以及進一步驗證電機控制模型及波動控制措施的有效性，基于NIPXI 硬件平臺，在Pharlap 系統下對模型進行實時仿真。這里所用NIPXIe-1082，如圖10 所示。首先對Simulink 模型的輸入輸出接口進行封裝，然后配置目標文件，選擇NIVeristand.tlc 文件作為目標編譯文件。編譯完成后生成的dll 文件將會保存在同一個目錄下。在系統定義文件中，定義實時目標機為Pharlap 系統并設定IP 地址，該地址要與PXI 相同。加載上一步編譯好的dll 模型文件，并設置好控制參數。

圖9 系統Simulink 模型Fig.9 System Simulink Model

圖10 PXI 系統組成圖Fig.10 PXI System Component

在Workspace 中定制仿真所需要的控件并與模型適配。如：輸入控件用來表示駕駛員輸入量；波形顯示控件用來顯示滑轉率、附著系數等等。運行剛剛建立的項目，VeristandEngine 會自動將模型部署到PXI 實時目標機中進行實時仿真。

選取低附著路面、對開路面、對接路面等三種工況進行分析：第一種工況，車輛行駛于結冰路面，駕駛員的輸入轉矩為1000Nm，結果，如圖11（a）所示；第二種工況，模型在對開路面上運行，左邊路面是高附著路面，右邊為低附著路面，駕駛員輸入轉矩為1000Nm，如圖11（b）所示；第三種工況，在高附著路面啟動，0.5s 后進入低附著路面，駕駛員的給定轉矩為1000Nm，實時結果，如圖11（c）所示。

圖11 三種路況分析結果Fig.11 Three Kinds of Traffic Analysis Results

圖11（a）可知，一個控制模塊，用于控制模型的啟動與停止；一個輸入模塊，可以實時的調整駕駛員輸入轉矩，這里設置為1000Nm。下邊顯示控件分別表示滑轉率、附著系數、車身加速度、車身速度的曲線、輸出轉矩等。車輪的滑轉率控制在0.2 附近，車輛在此工況下的附著系數控制在0.2，車輛的速度和加速度均未出現明顯的波動或劇烈變化。對于滑轉率的控制效果很好，并且大大縮短了仿真時間提高了效率。圖11（b）可知，在此工況下，車輪的滑移率在較短的時間內即可達到最佳狀態，達到0.2，車輛運行平穩，附著系數達到0.2，達到此工況的最大值，車輛運行平穩。圖11（c）可知，路面發生變化前滑移率低于0.2，附著系數達到0.5，此時車輛的加速度較大，當進入低附著系數路面時，滑移率達到最佳值，而附著系數將至0.2，此時加速度迅速降低。分析結果可以看出，響應迅速，在路面變換的時刻，控制器能夠在地面附著系數突然降低時立即動作，迅速減小輸出轉矩，讓車輪不會發生劇烈打滑，整個仿真過程與真實時鐘接近，實時仿真效果良好。在模型運行過程中，為了保護逆變器，脈沖發生器中誤差寬度取10；在電機啟動階段取磁鏈給定值為0.96，當電機穩定運行后讓它降至0.6，通過調整以上參數可知，轉矩波動幅度從100 降至25 左右，降低了轉矩波動。

5 結論

基于電傳動車輛輪邊電機控制模型，對輸出轉矩波動原因及控制方法進行分析，基于Pharlap 系統利用NI PXI 做目標機，對選擇不同工況對轉矩波動控制方法進行實時仿真，結果可知：（1）轉矩給定不穩定、電流和轉速等反饋信號的檢測誤差較大、電流換向等是影響轉矩波動的重要原因；（2）通過調整脈沖發生器中誤差寬度、轉子磁鏈給定值等可有效控制波動幅度，波動幅度得到明顯降低；（3）基于Pharlap 系統和NI PXI 硬件平臺不同工況實時仿真表明了分析結果的可靠性，為此類設計控制提供參考。