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矿用分布式驱动铰接车辆差速控制策略研究

2024-11-04 50 上传者：管理员

摘要：针对矿用分布式驱动铰接车辆在转向时容易打滑的问题，提出一种基于PID滑模控制的电子差速控制策略。建立了分布式驱动铰接车辆的动力学模型和基于运动学模型的滑移率计算模块，基于PID滑模面和指数趋近律设计了PID滑模控制器。通过MATLAB/Simulink对分布式驱动铰接车辆转向工况进行了仿真。结果表明：基于PID滑模控制的差速控制策略在小角度和大角度转向工况下内外侧车轮均具有良好的差速性能，即使部分车轮进入低附着路面，车轮滑移率也有效调控在0.2附近。该差速控制策略可以有效减少打滑，减轻轮胎磨损，对于提高矿用分布式电驱动铰接车的稳定性与动力性具有重要意义。

关键词：
分布式驱动
滑模控制
煤矿
电子差速
铰接车辆
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分布式驱动技术逐渐应用于矿用铰接车辆，矿用分布式驱动铰接式搬运车辆具有传动效率高、转弯半径小、电机转矩独立可控、零排放无污染等优势。但铰接车辆由于其折腰式的转向方式本身就具有不稳定性因素，而且分布式驱动又没有机械差速器来实现左右侧车轮的差速功能，在井下这种恶劣、湿滑的工况下车轮容易发生滑转或者拖滑，造成动力不足，甚至存在安全隐患。需建立适用于分布式驱动铰接车辆的数学模型和差速控制策略以解决上述问题。

以某型矿用分布式电驱动铰接车辆为研究对象，通过建立转向时的动力学模型和运动学模型，利用MATLAB/Simulink搭建模型并进行仿真，验证差速控制策略在铰接车辆转向行驶于变附着系数路面上的差速性能。

1、分布式驱动铰接车辆模型

(1）整车模型

基于牛顿第二定律，建立分布式驱动铰接车辆的整车动力学模型。整车纵向、侧向以及横摆3个自由度上的动力学方程：

(2）轮胎模型

轮胎模型采用普遍使用的魔术公式

y=Dsin{Carctan{Ax-E[Ax-arctan(Ax）]}}（4)

式中y———滑移下的纵向力或侧向力；

(3）车轮转动动力学模型

车轮转动动力学模型

2、滑移率计算模块

为方便设计控制器，仅考虑车轮驱动情况，定义滑移率

式中vi———轮心纵向移速。

铰接车辆运动学模型如图1所示。

滑移率的计算需要车轮角速度和轮心纵向移速。车轮角速度由式（5）获得，轮心纵向移速根据图1计算得到，有：

图1 铰接车辆运动学模型

后车体的纵向车速

前车体的纵向车速由式（1）可得。

3、基于PID滑模控制的差速控制器

滑模控制（SMC）是一类特殊的非线性控制，具有响应快、抗干扰性强的优点。

所谓PID滑模控制，即滑模面与PID类似。PID滑模控制在确定PID滑模面后，设计一个向系统稳定状态趋近的趋近律（如指数趋近律），其控制原理如图2所示。

图2 控制原理图

对滑移率求导

设定目标滑移率λ0作为控制目标，控制跟踪误差

为减小系统的稳态误差和抖振，滑模面设计为PID滑模面，故滑模函数为

式中c1、c2——滑模面系数。

趋近律采用指数趋近律

式中εi、ki———趋近律控制参数，εi>0、ki>0。

联合式（5）即可得基于PID滑模控制的电机转矩Tdi控制律

4、仿真分析

使用MATLAB/Simulink搭建铰接车辆模型和电机驱动控制模型。车辆部分仿真参数如表1所示。

表1 车辆仿真参数

(1）小角度转向

仿真工况：铰接车以铰接角10°、6 km/h的速度匀速行驶，路面附着系数0.5，在1 s时，右侧（外侧）车轮开始进入0.1的低附着系数路面，左侧车轮路面附着系数保持不变。

小角度匀速转向下的车轮角速度、滑移率以及电机转矩变化曲线如图3、图4和图5所示。由图3可知，右前轮和右后轮角速度在1 s和4 s附近有突变，在图4中2个车轮分别产生了0.41和0.49的滑移率，但很快又降回至最优滑移率0.2，这是由于PID滑模控制器起到了调控作用；结合图5可知，右前电机转矩从190 N·m左右降到了50 N·m左右，右后电机转矩从340 N·m降到了85 N·m左右。而且能看出，两外侧车轮在进入低附着路面时，也对两内侧车轮的角速度、滑移率以及电机转矩产生了不同程度的影响，但变化很小。

图3 小角度转向时车轮角速度

图4 小角度转向时车轮滑移率

图5 小角度转向时电机转矩

(2）大角度转向

仿真工况：铰接车以铰接角30°行驶，其他参数与小角度转向相同。

大角度匀速转向下的车轮角速度、滑移率以及电机转矩变化曲线如图6、图7和图8所示。由图6～图8可知，右前轮和右后轮角速度在1 s和4 s附近有突变，分别产生了0.4和0.48的滑移率，但很快降到0.2，右前电机转矩从180 N·m降到了30 N·m，右后电机转矩从347 N·m降到了87 N·m。另外能看出，两外侧车轮在进入低附着路面时，也对两内侧车轮的角速度、滑移率以及电机转矩产生了不同程度的影响，影响程度比小角度的工况要大，这是因为铰接角越大，部分车轮在打滑时对整车的行驶状态影响越大，进而影响未打滑的车轮。虽然内侧车轮角速度受到了影响，但内侧电机转矩都有所降低，使内侧车轮滑移率维持在0.2附近，说明了控制器在大角度转向下的有效性。

图6 大角度转向时车轮角速度

图7 大角度转向时车轮滑移率

图8 大角度转向时电机转矩

5、结语

(1）针对矿用分布式驱动铰接车辆建立了动力学模型，包括整车模型、轮胎模型、车轮转动动力学模型；

(2）根据铰接车辆转向运动学模型求得四轮轮心纵向移动速度，基于此建立了轮胎滑移率计算模块；

(3）设计了用于差速控制的PID滑模控制器，通过MATLAB/Simulink搭建仿真模型，仿真结果表明：基于PID滑模控制的差速控制策略在小角度转向和大角度转向工况下内、外侧车轮均具有良好的差速性能，即使部分车轮进入低附着路面，车轮滑移率也能有效调控在0.2附近。

参考文献:

[1]谷丽东,陈寇忠.井下四驱电动运料车最优滑转率控制研究[J].煤矿机械,2024,45(4):38-41.

[2]王学东,黄宏成.电动汽车电子差速控制策略研究[J].传动技术,2021,35(1):3-14.

[3]孙会来,申焱华,金纯,等.轮边电驱动铰接式矿用汽车差速控制策略研究[J].农业机械学报,2014,45(11):27-33.

[4]雷煌.矿用蓄电池双电机驱动铰接车辆动力系统协同控制研究[D].北京:中国矿业大学(北京),2017.