矿用蓄电池双电机驱动铰接车辆动力系统协同控制研究

发布时间：2019-03-07 16:10

【摘要】：双桥独立电驱动铰接转向车辆是一种极具潜力的前后分布式驱动电动车辆,具有路面适应性好、机动灵活和零排放无污染的优点,特别能适应煤矿井下复杂的作业环境。双电机前后分布式结构以及铰接转向结构适用于煤矿无轨辅助运输重型车辆。由于铰接转向装置的引入,使得整车动力学特性与一般整体结构式车辆有较大差别。为满足车辆安全、高效的行驶要求,针对煤矿井下环境和使用工况的车辆控制问题研究日益显现出重要性和必要性。本文以矿用双桥独立电驱动铰接转向车辆为研究对象,针对整车动力学建模及前、后桥驱动电机的转矩分配控制问题,开展了深入研究工作。考虑矿用双电机驱动铰接转向车辆的整车动力学建模问题。首先将整车车身简化为由铰接转向机构固定联接的两个刚体,通过选取适当坐标系,基于牛顿矢量方法,推导了车辆的运动学与动力学方程。进一步,推导出轮胎滑转率、侧偏角和垂直载荷等物理量的表达式,考虑轮胎的非线性特性,将基于GIM理论的车辆轮胎模型关联至车体模型。最后,建立了整车七自由度动力学模型,结合数值仿真,分析并验证了建模的正确性。针对煤矿用辅助运输车辆的质量、质心位置及路面坡度等参数变化的特性开展参数估计。利用驱动电机输出转矩、转速可准确而方便获取的特点,结合双桥独立电驱动铰接车辆的设计和运行环境,提出了一种利用简化动力学模型解耦整车质量参数辨识和路面坡度估计问题的方法。建立了针对质量及坡度参数估计的整车动力学模型。基于递推最小二乘方法辨识质量参数;以离线拟合的方式,确定了前车体质心位置、前车体转动惯量与整车质量之间的关系,从而在辨识出质量参数后,间接获得了车体质心位置及转动惯量参数。利用带遗忘因子的递推最小二乘方法估计行驶路面坡度。最后仿真结果验证了质量辨识及坡度估计算法的正确性和有效性。对双桥独立电驱动铰接车辆的牵引力控制进行了深入研究。基于车辆结构和使用工况分析了车辆牵引力控制的设计需求。基于滑模控制方法,给出了直行工况下车辆的驱动防滑控制律。考虑更一般的转弯工况,分别针对四个车轮讨论了驱动防滑控制律的设计问题,并给出了前、后桥电机的驱动防滑控制的输出形式。进一步以驱动防滑控制算法为核心,针对双桥独立电驱动铰接车辆提出了一种驱动转矩三级动态分配的牵引力综合优化控制策略,首先将车辆驱动转矩基于前、后轮动态载荷按比例进行一次分配;接着根据车辆驱动防滑控制律的计算结果,结合转矩一次分配值对驱动转矩进行二次分配;进一步对驱动转矩进行动态优化调整,实施三次分配。对车辆牵引力控制策略进行仿真验证,结果显示采用驱动防滑控制律后,在保证车轮附着力的情况下有效地防止了打滑发生,采用牵引力综合优化控制策略后,前、后桥电机输出的驱动转矩根据车辆运行状态实现了动态优化匹配,车辆驱动转矩得到了更高效的利用,所设计的控制律有效改善了车辆的驱动性能。搭建了ADAMS—Matlab/Simulink联合仿真实验平台。在ADAMS软件环境下构造了铰接车辆的虚拟样机动力学模型,在Matlab/Simulink软件环境下建立了车辆牵引力控制器模型,通过模块输入输出接口形成反馈闭环回路。对控制系统进行了联合仿真,结果显示了与数值分析结果的一致性,验证了动力学建模及牵引力控制策略设计的正确性和有效性。设计并实现了驱动防滑控制的跑车实验。开发了转矩分配控制器,用于实现控制算法。设计了车辆总线测试系统,实现了对实验过程的实时监控,以及对实验数据的记录存储。针对施加和未施加驱动防滑控制两种情况,实验测试了车辆的驱动性能。实验结果表明,采用驱动防滑控制后,车辆驱动轮的滑转率被较好地控制在目标值附近,车辆获得了更好的加速特性。
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【学位授予单位】：中国矿业大学(北京)
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TD634

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