基于RecurDyn和Simulink的电传动车辆转矩控制策略

图 5 调节转矩控制策略方案
Fig. 5 Schematic of motor drive control
为实现对输入信号的解析 ,引入控制量λ、ξ, 规 定 - 1 ≤λ≤1 , - 1 ≤ξ≤1 , 假定两侧电动机具有相
同的最大转矩输出特性 Tmax ( n) 。对电动机的转矩 输出为
T1 =λT max ( n1)
或者转速实现[2 ] 。由于车辆的直线行驶稳定性和 转向行驶性能完全依赖于控制策略的优劣 ,因此 ,准 确与实时的控制策略是车辆良好行驶的前提 。
图 1 电传动履带车辆结构框图 Fig. 1 Configuration of t he electric drive tracked vehicle
中图分类号 : TJ 81
文献标识码 : A
Torque Control Strategies Based on RecurDyn and Simulink f or Electric Drive Tracked Vehicle
Li Bo Zhang Chengning Li J unqiu
( School of Mechanical and V ehicular Engi neeri ng , Beiji ng Instit ute of Technology , Beiji ng 100081 , Chi na)
3 转矩控制策略分析与建模
212 路面模型 路面是履带车辆行驶的工作介质 , 不同路面特
履带车辆的运动由两侧电动机输出转矩共同决 定 :两侧电动机转矩之和克服滚动阻力后直接决定
第 7 期 李波 等 : 基于 RecurDyn 和 Simulink 的电传动车辆转矩控制策略
3
图 4 电传动履带车辆虚拟样机模型 Fig. 4 Virtual prototype model of electric drive tracked vehicle
本文应用新一代多体动力学软件 RecurDyn 的 高机动履带车辆专业化工具包 Track/ HM 对整车 运动部件进行动力学建模 ,RecurDyn 采用相对运动 方程理论和完全递归算法 ,非常适合求解大规模及 复杂接触的多体动力学问题 , Track/ HM 为高机动 性履带包 ,可迅速建立履带车辆 ,分析履带链接和地
对驾驶员输入信号的定义包括了加速踏板 、制动
踏板和方向盘位置信号定义 ,其主要目的是建立加速 踏板信号 、制动踏板信号与控制量 λ、ξ的关系 。
加速踏板信号和制动踏板信号定义为
α- α0
λ=
αmax - α0
-
ββmax
β0 - β0
(0 ≤λ≤1) ( - 1 ≤λ< 0)
(3)
式中 α、β———加速 、制动踏板角位移
运动部件 数量 约束形式 作用力 连接部件
车身
1
驱动轮
2
旋转副 驱动力矩
车身
诱导轮
2
旋转副
车身
负重轮
12
旋转副
平衡肘
托带轮
6
旋转副
车身
平衡肘
12
旋转副 扭转力
车身
履带板
168
旋转副
履带板
减振器
4
移动副 拉压力 车身 、负重轮
图 2 履带车辆动力学模型及路面模型 Fig. 2 Dynamic and road model of tracked vehicle
213 电动机及其控制系统模型 本文研究重点不是电动机驱动系统 , 从工程应
用的角度考虑 ,利用电动机驱动系统试验数据在控 制软件 Simulink 中建立 Look2Up Table 模块 , 利用 查表功能实现驱动系统的响应过程 , 因电动机转动 惯量与整车惯量相比较小 , 对整车动态性能的影响 可以忽略[5 ] 。仿真模型如图 3 所示 。
收稿日期 : 2008 - 07 - 01 修回日期 : 2008 - 10 - 06 3 国家部委预研项目 (40402070104) 作者简介 : 李波 ,博士生 ,主要从事电动车辆技术研究 , E2mail : mzsp66 @163. com
2
农 业 机 械 学 报 2 0 0 9 年
立的驱动电动机控制系统模型 ,构建了整车虚拟样机 ;分析和建立了转矩控制策略 ,对驾驶员信号进行了解析 ,利
用 Stateflow 建立了控制逻辑 ;在此虚拟样机基础上利用联合仿真的方法对转矩策略进行了仿真和样机试验 ,验证
了转矩控制策略方法的正确性 。
关键词 : 履带车辆 电传动 控制策略 RecurDyn Matlab/ Simulink
Key words Tracked vehicle , Elect ric drive , Cont rol st rategies , RecurDyn , Matlab/ Simulink
引言
电传动履带车辆是比较复杂的机电混合系统 。 一般在设计带有控制系统的机械系统过程中 ,在控 制系统设计早期阶段面临着开发强健控制算法的困 难 ,主要原因是仅仅用控制系统设计工具建立非线 性动力学模型非常困难 。
m
∑ D = 6 n -
pi
(1)
i =1
式中 n ———刚体数 m ———运动副数
pi ———第 i 个运动副约束数
由计算可知总自由度为 1 054 。主要部件约束
如表 1 所示 。
表 1 动力学模型部件名称 、数量 、约束形式 Tab. 1 Name , number , joint and force of running gear parts
α0 、β0 ———加速 、制动踏板自由行程 αmax 、βmax ———加速 、制动踏板最大角位移
图 6 为方向盘信号定义示意图 。具体表示为
1
(0 ≤< < <0)
< - <0 ξ= <1 - <0
( <0 ≤< < <1)
(4)
< - <0 <2 - <0
( <1 ≤< < <2)
图 6 方向盘信号定义示意图 Fig. 6 Steering wheel definition
转向过程
T1 T2
=ξλTmax ( n1) =λTmax ( n2)
(λ∈[
-
1 ,0] ,ξ∈[
-
1 ,1])
T1 T2
=ξλTmax ( n1) =λTmax ( n2)
因此 ,此种映射关系直接把驾驶员意图解释为
左右电动机的驱动转矩驱动车辆行驶 。其具体分析
归纳为
T1 T2
=λTmax ( n1) =ξλTmax ( n2)
(λ∈[0 ,1] ,ξ∈[0 ,1])
Tபைடு நூலகம் T2
=λTmax ( n1) =ξλTmax ( n2)
(λ∈[0 ,1] ,ξ∈[
-
1 ,0])
Abstract
The dynamic model and t he ground model were built by multi2body dynamics software RecurDyn , and t he drive motor cont rol system model was set up by Matlab/ Simulink. The dynamic model and cont rol system model were integrated to st ruct ure an entire vehicle virt ual protot ype model. Analyzing and building t he st rategies of torque adjust ment , analyzing t he driver’s intent , t he cont rol logic was built by Stateflow. Based on t he virt ual protot ype , t he co2simulation approach and t he testing of t he protot ype were applied to verify t he torque cont rol st rategies.
2009年7月
农业机械学报
第 40 卷 第 7 期
基于 RecurDyn 和 Simulink 的电传动车辆转矩控制策略3
李 波 张承宁 李军求
(北京理工大学机械与车辆工程学院 , 北京 100081)
【摘要】 结合由多体动力学软件 RecurDyn 建立的履带车辆动力学模型及地面模型以及由 Matlab/ Simulink 建
图 3 电动机驱动系统模型 Fig. 3 Motor drive model
214 虚拟样机构建 根据以上所建模型 ,利用 RecurDyn 与 Simulink
联合实现车辆的机电一体化系统仿真 。在动力学模 型中 ,采用 RecurDyn/ Cont rol 模块定义车辆的输入 为左 、右侧电动机转矩 T1 、T2 , 输出为左 、右侧电动 机转速 n1 、n2 和车辆速度 v 。所建虚拟样机的模 型如图 4 所示 。
2 履带车辆样机模型构建
性提供给车辆行驶不同的法向力 、牵引力和滚动阻 力 。到目前为止 , 尽管车辆地面力学已经取得了很 大的进展 ,但描述地面与车辆相互关系的参量一般 还是采用公认的地面滚动阻力系数 f 、地面附着系 数 φ及地面转向阻力系数μ。本虚拟样机路面模型 充分利用一般的试验统计数据 , 针对仿真需要 , 在 RecurDyn/ HM 模块中定义了水平硬质地面 ,地面附 着系数 φ为 017 , 转向阻力系数 μ 为 0149 , 滚动阻 力系数 f 为 0105[4 ] 。整车动力学模型及路面模型 如图 2 所示 。
面之间的接触特性 。同时 ,利用基于多体动力学分 析软件和控制系统分析软件的接口技术对整车控制 策略进行联合仿真分析 ,验证所分析转矩控制策略 的可行性[1 ] 。
1 车辆结构与策略需求
电传动履带车辆结构如图 1 所示 ,主要由发动 机 、发电机 、整流器 、蓄电池组 、电动机控制器 、电动 机等组成 。电传动履带车辆的虚拟样机包括多体动 力学模型 、路面模型和控制系统及控制策略模型 3 部分 。发动机带动发电机发电 ,与动力电池组并 联后 ,向两侧电动机供电 ,产生所需牵引 (制动) 力 , 车辆的直线和转向行驶均通过改变两侧电动机转矩
直驶加速度 ,转矩之差克服转向阻力矩后直接决定 整车的横摆角加速度[2 ] 。
在转矩控制策略中 ,把驾驶员的控制信号 Input (加速踏板信号 、制动踏板信号 、方向盘信号) 和反馈 信号 Feedback 解释成满足车辆行驶的目标转矩信 号 T1 m 、T2 m , 电 动 机 及 其 控 制 器 实 现 力 矩 输 出 T1s 、T2s 。调节转矩的动力学控制策略任务就是依 托综 合 控 制 单 元 软 件 、硬 件 环 境 , 建 立 映 射 关 系 f ( Input ,Feedback) →( T1 m , T2 m ) ,使车辆在路面上 依据驾驶员控制信号行驶 ,控制方案如图 5 所示 。
211 车辆多体动力学模型 履带车辆多体动力学模型是基于 RecurDyn 软
件建立的某电传动履带车辆 ,车身由三维软件 Pro/ E 开发 ,通过. step 格式文件导入 RecurDyn 软件环境 中 ,两侧履带采用 RecurDyn/ HM 模块建模生成 。 通过设定各个部件运动副的约束形式后 ,建立整车 的动力学模型 。该车由车身子系统 、左右履带子系 统及地面子系统等组成 。左右履带子系统包括驱动 轮 、诱导轮 、托带轮 、负重轮和悬挂装置等 。整车有 207 个动力部件 (不含路面) ,建立模型时以车身重 心为 固 定 坐 标 系 。多 刚 体 系 统 自 由 度 计 算 公 式 为[3 ]
T2 =ξλT max ( n2)
(2)
当控制量λ、ξ在区间[ - 1 , 1 ]取值时可以使用
左右侧电动机的转矩达到可获得的最大范围 。本文
基于以上思想建立映射关系 f ( Input , Feedback) → g (λ、ξ, Feedback) →( T1 m , T2 m ) , 定义加速踏板量 程对应 λ∈[0 ,1 ] ,制动踏板量程对应 λ∈[ - 1 , 0 ] , 方向盘信号对应ξ∈[ - 1 ,1 ] 。