自卸车轴间功率分配及差速控制的仿真方法

摘要

一种自卸车轴间功率分配及差速控制的仿真方法，在第一仿真分析软件中建立铰接式电动轮自卸车模型，在第二仿真分析软件中建立电机系统模型、控制器模型和轮边减速器模型：对电机系统的建模分为电机物理模型的数学建模以及电机驱动控制系统的建模，将第一仿真分析软件的接口模块与第二仿真分析软件的接口模块连接进行联合仿真。该联合仿真研究平台的系统模型包括通过第一仿真分析软件建立铰接车整车动力学模型、通过第二仿真分析软件建立电机系统模型以及第一仿真分析软件的接口模块与第二仿真分析软件的接口模块连接进行联合仿真模型。将可利用的轮轴实时总功率分配比例进行分配，使车辆满载时具有更好的通过性、加速性能、爬坡性能，同时兼顾空载时的动力学性能以及电机的额定功率。

权利要求

1.一种自卸车轴间功率分配及差速控制的仿真方法，其特征在于，包括下列几个步骤：

A、在第一仿真分析软件中建立铰接式电动轮自卸车模型，所述铰接式电动轮自卸车模型包括铰接体、前后车架、平衡梁、前悬挂系统、车轮、转向油缸、货箱子系统；

B、在第二仿真分析软件中建立电机系统模型、控制器模型和轮边减速器模型：对电机系统的建模分为电机物理模型的数学建模以及电机驱动控制系统的建模；

C、将第一仿真分析软件的接口模块与第二仿真分析软件的接口模块连接进行联合仿真：

(1)、将模拟的自卸车的转向控制信号以及油门踏板的目标功率数据发送到第二仿真分析软件的控制器模型中，控制器模型处理得到数据，包括自卸车的发电机的实时输出功率P发、自卸车的轮轴的实时可利用总功率P总和自卸车各轴的实时轴重比例1：a：b，其中a的取值范围为是0.4～1.6，b数值的范围是0.4～1.6，计算前排轮两电机的输入总功率P1，计算公式为 计算中排轮两电机的输入总功率P2，计算公式为 计算后排轮两电机的输入总功率P3，计算公式为

(2)、依据公式 i、j＝1，2，通过电机系统模型和轮边减

速器模型计算出前排轮电机1和前排轮电机2的转矩的目标值T1和T2，T1＝T2，并将前排轮电机1和前排轮电机2的转矩的目标值T1和T2转送给第一仿真分析软件中的铰接式电动轮自卸车模型，铰接式电动轮自卸车模型的驱动前排轮电机1和前排轮电机2跟随输出该输入的驱动转矩T1和T2后，两前排轮电机的转速自适应产生n1和n2，然后被检测，反馈回第二仿真分析软件中的控制器模型、电机系统模型和轮边减速器模型，控制器模型、电机系统模型和轮边减速器模型再结合当前时刻前排轮电机的输入功率P1，计算出下一时刻输入的前排轮电机1和前排轮电机2的转矩目标值T1和T2，T1＝T2；

(3)、依据公式 i、j＝3，4，通过电机系统模型和轮边减

速器模型计算出中排轮电机3与中排轮电机4的转矩的目标值T3和T4，T3＝T4，并将中排轮电机3与中排轮电机4的转矩的目标值T3和T4转送给第一仿真分析软件中的铰接式电动轮自卸车模型，铰接式电动轮自卸车模型的驱动中排轮电机3与中排轮电机4跟随输出该输入的驱动转矩T3和T4后，两中排轮电机的转速自适应产生n3和n4，然后被检测，反馈回第二仿真分析软件中的控制器模型、电机系统模型和轮边减速器模型，控制器模型、电机系统模型和轮边减速器模型再结合当前时刻中排轮电机的输入功率P2，计算出下一时刻输入的中排轮电机3和中排轮电机4的转矩目标值T3和T4，T3＝T4；

(4)、依据公式 i、j＝5，6，通过电机系统模型和轮边减

速器模型计算出后排轮电机5和后排轮电机6的转矩目标值T5和T6，T5＝T6，并将后排轮电机

5和后排轮电机6的转矩目标值T5和T6转送给第一仿真分析软件中的铰接式电动轮自卸车模型，铰接式电动轮自卸车模型的驱动后排轮电机5和后排轮电机6跟随输出该输入的驱动转矩T5和T6后，两后排轮电机的转速自适应产生n5和n6，然后被检测，反馈回第二仿真分析软件中的控制器模型、电机系统模型和轮边减速器模型，控制器模型、电机系统模型和轮边减速器模型再结合当前时刻后排轮电机的输入功率P3，计算出下一时刻输入的后排轮电机5和后排轮电机6的转矩目标值T5和T6，T5＝T6。

2.按权利要求1所述的自卸车轴间功率分配及差速控制的仿真方法，其特征在于：在步骤A中，所述第一仿真分析软件为动力学仿真分析软件Simpack，在步骤B中，所述第二仿真分析软件为Matlab/Simulink，动力学仿真分析软件Simpack的接口模块为SIMAT模块。

说明书

自卸车轴间功率分配及差速控制的仿真方法

技术领域

[0001] 本发明涉及自卸车研究领域，具体涉及一种自卸车轴间功率分配及差速控制的仿真方法。

背景技术

[0002] 传统的机械传动车辆靠差速器来实现各轮转速与相应轮心速度的协调。对电动轮驱动的自卸车，各车轮之间没有机械连接，运动状态相互独立，为了保证转向或在不平路面上行驶时驱动轮之间不产生拖滑而使车辆失去地面牵引力及轮胎的过度磨损，需采用精确的模型或者有效的策略进行差速控制，差速控制是轮边电驱动车辆设计的关键技术之一，也是电动轮驱动汽车的整车控制系统必须解决的问题。

[0003] 等转矩控制是以电机的驱动转矩为控制参数，而不对各个车轮的转速进行控制，使各轮转速随各轮的受力状态自由转动。电动轮的运动学方程可由下式表示：

[0004]

[0005] 式中，Iw表示车轮转动惯量，w表示车轮转速，Tm表示电机输出转矩，ig表示电动轮传动比，Fd表示车轮与路面间的路面摩擦力，rw表示车轮滚动半径，Tb表示制动力矩。只要电动轮输出驱动转矩Tmig没有超过车轮与路面之间的附着力极限时，路面摩擦力必定与车轮驱动转矩平衡，而电动轮系统的转速则由该受力平衡点决定，自动适应转向时的行驶工况。由于每个电动轮运动学状态相互独立，均可以自由转动，各轮转速均自动适应转向时的路面情况，因此，不存在各车轮间转速不协调而引起的差速问题，故等转矩控制策略能满足差速控制的要求，实现自适应差速。由于该等转矩控制的理论已经得到成熟应用，本说明书不对该控制理论进行深入说明。

[0006] 另外，采用等转矩控制作为整车差速控制策略，整车控制系统不必再针对差速问题设计电子差速控制器。

[0007] 全轮驱动的电动轮自卸车与后轮电驱动或者前轮电驱动的车辆不同(本发明适用于全轮驱动的电动轮车辆，该说明书以已经应用该发明的中国中车广州电力机车有限公司的六轮全驱动的SCT-A261型铰接式电动轮自卸车为例进行说明(该自卸车的结构如说明书附图1所示))，没有分动器对功率或者转矩进行轴间分配，而采用等转矩控制策略进行控制时，可以是同轴的两车轮采用等转矩控制，也可以是所有驱动轮或者各轴间全部为等转矩进行控制，因此，整车控制中出现了新的问题，即该车是不是应该该对总功率或者总转矩在轴间按照某个比例进行分配，该问题实际上属于牵引力控制的范畴，但也是全轮驱动的车辆采用等转矩控制作为差速控制策略时必须考虑的问题。实际上，四轮、六轮甚至八轮等全轮驱动的整车差速控制与牵引力控制、制动控制是息息相关的。例如，转向时，电动轮输出的驱动力超出路面附着极限而出现打滑时，此时便不是差速控制可以解决的问题了，属于牵引力控制的范畴。

[0008] 总功率在轴间按照轴重比例进行分配的必要性及好处：

[0009] 第一，若将可利用的轮轴实时总功率先在轴间进行分配，然后，再进行等转矩控制，则可以防止打滑或者空转发生时功率的大幅度流失。自卸车在进行等转矩控制前若不进行功率分配，则各驱动轮的转矩值计算可表示为 i＝1，2，…，6，P总表示可利用的轮轴实时总功率(发电机输出的功率折算到六个电机的输入总功率)；ni表示各驱动电机的转速；Ti表示各电机的输入转矩值。当某个驱动轮发生打滑或者空转时，该轮的转速将急剧上升，而采用等转矩控制时，各驱动电机的输出转矩值相等，由式 i＝1，2，…，6，可知，则发生打滑或者空转的电机的功率将急剧上升，远大于其他各轮的输出功率。此过程可以视为，打滑或者空转发生时，功率将从其它驱动轮大幅度地流向打滑轮或者空转车轮，造成功率大幅度地流失并且丧失动力。若转向轮打滑或者空转，则易丧失转向能力；若中后轮打滑或者空转，则易失去侧向稳定性，出现“甩尾”等现象，危及车辆的行驶安全性。

[0010] 而若将可利用的轮轴实时总功率首先在轴间进行分配，相当于将各轴的可利用功率进行了相互隔离，防止功率循环。当某轴的驱动轮打滑或者空转发生时，功率的流失也只限制在该轴，对其他轴输入功率以及动力输出没有影响。

[0011] 另外，传统意义上机械传动的全轮驱动车辆亦将转矩或者功率在轴间按比例进行实时分配，除实现牵引力控制的目的外，亦是防止轴间功率循环。

[0012] 因此，综述所述，将轮轴可利用的实时总功率在全轮驱动的自卸车的各个轴间进行分配是有利的且必要的。

[0013] 第二，若将轮轴可利用的总功率根据轴重比例的不同在自卸车的各个轴间进行分配，则各车轮可以更好地利用路面提供的附着力极限值，减小打滑的可能，提高整车的动力性、制动性。由轮胎的动力学原理可以知道，车轮输出的驱动力或者制动力大于路面提供的附着力极限值时，车轮则出现打滑现象。而车辆不同装载情况下(比如满载与空载)，自卸车各个轴的轴重不同(轴重定义为同轴车轮所受垂直载荷之和)，根据式Fx_max＝Fz·μ，(式中，Fx_max表示车轮附着力的极限值，Fz表示车轮的垂直载荷，μ表示路面附着系数)可知，各轮附着力的极限值与各轮的垂直载荷成正比，因此，轴重越大，路面可提供给各个轴的路面附着力极限值越大，即各轮可输出更大的驱动力或者制动力而不出现打滑。铰接车在不同的运载工况下(比如满载与空载)，各轴的轴荷发生很大改变，因此，各轴驱动轮的附着力极限值是不同的。例如，经实验测试，铰接车满载时，货箱的重量几乎全部由后面四轮承担，大大增大了中后轴各轮的垂直载荷，而前轴两轮的垂直载荷变动不大。因此，自卸车装载后中后轴各驱动轮相对前轴各轮或者空载时各轮将有更高附着力极限值。而空载时前轴相对中轴和后轴的具有更大的轴重，因此，空载时前轴相对中轴和后轴具有更大的附着力极限值。因此，在自卸车重载时，将功率更多地分配给中后轴更为合理，以更好地利用路面提供的更大的驱动力或者制动力极限值，提高自卸车的运载能力。综上分析可以得知，不同装载工况下，各轴轴重比例不同，各轴的附着力极限力也不同，若能根据轴重比例分配轮轴可利用的轴间总功率，则可在不同工况下更好地利用路面附着力极限值，更好地输出功率，在输出大的驱动力或者制动力时可减少打滑发生的可能，动力性或者制动性能更好。

[0014] 第三，在装载工况下，若能提高中后轴的实时功率分配比例，则可减小自卸车的侧滑，提高整车的侧向稳定性。根据轮胎力学中的摩擦圆理论，驱动轮的纵向力与附着力极限值的比值越大，车轮的实时侧向力将减小。侧向力与纵向力的关系如说明书附图2所示。垂直载荷越大，附着力极限值则越高，车辆输出同样的纵向力(驱动力或者制动力)，驱动轮的纵向力与附着力极限值的比值则相对越小，路面可提供的实时侧向力比例将增大，因此，车辆在转向时，车轮路面可以提供足够的侧向力以满足车辆的转向需要，减小侧滑，提高侧向稳定性；否则，车辆容易产生侧滑。

发明内容

[0015] 本发明要解决的技术问题是提供一种能够方便的对自卸车轴间功率分配及差速控制进行精确与方便的仿真研究的自卸车轴间功率分配及差速控制的仿真方法。

[0016] 为了解决上述技术问题，本发明包括下列几个步骤：

[0017] A、在第一仿真分析软件中建立铰接式电动轮自卸车模型，所述铰接式电动轮自卸车模型包括铰接体、前后车架、平衡梁、前悬挂系统、车轮、转向油缸、货箱子系统；

[0018] B、在第二仿真分析软件中建立电机系统模型、控制器模型和轮边减速器模型：对电机系统的建模分为电机物理模型的数学建模以及电机驱动控制系统的建模；

[0019] C、将第一仿真分析软件的接口模块与第二仿真分析软件的接口模块连接进行联合仿真：

[0020] (1)、将模拟的自卸车的转向控制信号以及油门踏板的目标功率数据发送到第二仿真分析软件的控制器模型中，控制器模型处理得到数据，包括自卸车的发电机的实时输出功率P发、自卸车的轮轴的实时可利用总功率P总和自卸车各轴的实时轴重比例1：a：b，其中a的取值范围为是0.4～1.6，b数值的范围是0.4～1.6，计算前排轮两电机的输入总功率P1，计算公式为 计算中排轮两电机的输入总功率P2，计算公式为 计算后排轮两电机的输入总功率P3，计算公式为

[0021] (2)、依据公式 i、j＝1，2，通过电机系统模型和轮边减速器模型计算出前排轮电机1和前排轮电机2的转矩的目标值T1和T2，T1＝T2，并将前排轮电机1和前排轮电机2的转矩的目标值T1和T2转送给第一仿真分析软件中的铰接式电动轮自卸车模型，铰接式电动轮自卸车模型的驱动前排轮电机1和前排轮电机2跟随输出该输入的驱动转矩T1和T2后，两前排轮电机的转速自适应产生n1和n2，然后被检测，反馈回第二仿真分析软件中的控制器模型、电机系统模型和轮边减速器模型，控制器模型、电机系统模型和轮边减速器模型再结合当前时刻前排轮电机的输入功率P1，计算出下一时刻输入的前排轮电机1和前排轮电机2的转矩目标值T1和T2，T1＝T2；

[0022] (3)、依据公式 i、j＝3，4，通过电机系统模型和轮边减速器模型计算出中排轮电机3与中排轮电机4的转矩的目标值T3和T4，T3＝T4，并将中排轮电机3与中排轮电机4的转矩的目标值T3和T4转送给第一仿真分析软件中的铰接式电动轮自卸车模型，铰接式电动轮自卸车模型的驱动中排轮电机3与中排轮电机4跟随输出该输入的驱动转矩T3和T4后，两中排轮电机的转速自适应产生n3和n4，然后被检测，反馈回第二仿真分析软件中的控制器模型、电机系统模型和轮边减速器模型，控制器模型、电机系统模型和轮边减速器模型再结合当前时刻中排轮电机的输入功率P2，计算出下一时刻输入的中排轮电机3和中排轮电机4的转矩目标值T3和T4，T3＝T4；

[0023] (4)、依据公式 i、j＝5，6，通过电机系统模型和轮边减速器模型计算出后排轮电机5和后排轮电机6的转矩目标值T5和T6，T5＝T6，并将后排轮电机5和后排轮电机6的转矩目标值T5和T6转送给第一仿真分析软件中的铰接式电动轮自卸车模型，铰接式电动轮自卸车模型的驱动后排轮电机5和后排轮电机6跟随输出该输入的驱动转矩T5和T6后，两后排轮电机的转速自适应产生n5和n6，然后被检测，反馈回第二仿真分析软件中的控制器模型、电机系统模型和轮边减速器模型，控制器模型、电机系统模型和轮边减速器模型再结合当前时刻后排轮电机的输入功率P3，计算出下一时刻输入的后排轮电机5和后排轮电机6的转矩目标值T5和T6，T5＝T6。

[0024] 为了实现对铰接式电动轮自卸车整车更为方便与准确的控制研究分析，建立了完全基于该车实际参数的整车虚拟样车仿真研究平台。该研究采用联合仿真的方法，而该联合仿真研究平台的系统模型包括通过第一仿真分析软件建立铰接车整车动力学模型、通过第二仿真分析软件建立电机系统模型以及第一仿真分析软件的接口模块与第二仿真分析软件的接口模块连接进行联合仿真模型。将可利用的轮轴实时总功率分配比例定为1：a：b，其中a的取值范围为是0.4～1.6，b数值的范围是0.4～1.6，使车辆满载时具有更好的通过性、加速性能、爬坡性能，同时兼顾空载时的动力学性能以及电机的额定功率。

[0025] 作为本发明的进一步改进，在步骤A中，所述第一仿真分析软件为动力学仿真分析软件Simpack，在步骤B中，所述第二仿真分析软件为Matlab/Simulink，动力学仿真分析软件Simpack的接口模块为SIMAT模块。

[0026] 综上所述，本发明的优点是能够方便的对自卸车轴间功率分配及差速控制进行精确与方便的仿真研究。

附图说明

[0027] 下面结合附图和具体实施方式来对本发明做进一步详细的说明。

[0028] 图1为全轮驱动的电动轮自卸车的结构简图。

[0029] 图2为本发明的整车联合仿真系统的原理图。

[0030] 图3为本发明的铰接车电动轮交流异步电机的物理模型图。

[0031] 图4为本发明的电机矢量控制系统结构图。

[0032] 图5为本发明的轴间功率分配与等转矩控制方案程序流程图。

[0033] 图6为某工况下各驱动轮的转速曲线。

[0034] 图7为某工况下各驱动轮的功率曲线。

[0035] 图8为采用功率分配及差速控制的自卸车与全轮等转矩控制的自卸车的行驶轨迹对比曲线。

具体实施方式

[0036] 本发明的步骤如下：

[0037] A、在第一仿真分析软件，即动力学仿真分析软件Simpack中建立铰接式电动轮自卸车模型，所述铰接式电动轮自卸车模型包括铰接体、前后车架、平衡梁、前悬挂系统、车轮、转向油缸、货箱子系统，该模型包含12个旋转副、3个球副、6个滑移副、2个固定副共计42个自由度。

[0038] B、在第二仿真分析软件，即Matlab/Simulink中建立电机系统模型、控制器模型和轮边减速器模型：对电机系统的建模分为电机物理模型的数学建模以及电机驱动控制系统的建模，该铰接车电动轮所用电机为交流异步电机，其物理模型如图3所示，电机的驱动控制策略采用矢量控制。该电机的矢量控制系统结构如图4所示。

[0039] C、Simpack中建立的整车动力学模型与Matlab/Simulink中建立的电机系统模型还必须通过接口模块来进行实时数据交换以完成联合仿真，而该接口模块即采用Simpack中的SIMAT模块。整车的联合仿真系统如图2所示。如图5所示，在整车联合仿真系统中进行自卸车的轴间功率分配与等转矩控制方案的分析：

[0040] (1)、将模拟的自卸车的转向控制信号以及油门踏板的目标功率数据发送到第二仿真分析软件的控制器模型中，控制器模型处理得到数据，包括自卸车的发电机的实时输出功率P发、自卸车的轮轴的实时可利用总功率P总和自卸车各轴的实时轴重比例1：a：b，其中a的取值范围为是0.4～1.6，b数值的范围是0.4～1.6，计算前排轮两电机的输入总功率P1，计算公式为 计算中排轮两电机的输入总功率P2，计算公式为 计算后排轮两电机的输入总功率P3，计算公式为

[0041] (2)、依据公式 i、j＝1，2，通过电机系统模型和轮边减速器模型计算出前排轮电机1和前排轮电机2的转矩的目标值T1和T2，T1＝T2，并将前排轮电机1和前排轮电机2的转矩的目标值T1和T2转送给第一仿真分析软件中的铰接式电动轮自卸车模型，铰接式电动轮自卸车模型的驱动前排轮电机1和前排轮电机2跟随输出该输入的驱动转矩T1和T2后，两前排轮电机的转速自适应产生n1和n2，然后被检测，反馈回第二仿真分析软件中的控制器模型、电机系统模型和轮边减速器模型，控制器模型、电机系统模型和轮边减速器模型再结合当前时刻前排轮电机的输入功率P1，计算出下一时刻输入的前排轮电机1和前排轮电机2的转矩目标值T1和T2，T1＝T2；

[0042] (3)、依据公式 i、j＝3，4，通过电机系统模型和轮边减速器模型计算出中排轮电机3与中排轮电机4的转矩的目标值T3和T4，T3＝T4，并将中排轮电机3与中排轮电机4的转矩的目标值T3和T4转送给第一仿真分析软件中的铰接式电动轮自卸车模型，铰接式电动轮自卸车模型的驱动中排轮电机3与中排轮电机4跟随输出该输入的驱动转矩T3和T4后，两中排轮电机的转速自适应产生n3和n4，然后被检测，反馈回第二仿真分析软件中的控制器模型、电机系统模型和轮边减速器模型，控制器模型、电机系统模型和轮边减速器模型再结合当前时刻中排轮电机的输入功率P2，计算出下一时刻输入的中排轮电机3和中排轮电机4的转矩目标值T3和T4，T3＝T4；

[0043] (4)、依据公式 i、j＝5，6，通过电机系统模型和轮边减速器模型计算出后排轮电机5和后排轮电机6的转矩目标值T5和T6，T5＝T6，并将后排轮电机5和后排轮电机6的转矩目标值T5和T6转送给第一仿真分析软件中的铰接式电动轮自卸车模型，铰接式电动轮自卸车模型的驱动后排轮电机5和后排轮电机6跟随输出该输入的驱动转矩T5和T6后，两后排轮电机的转速自适应产生n5和n6，然后被检测，反馈回第二仿真分析软件中的控制器模型、电机系统模型和轮边减速器模型，控制器模型、电机系统模型和轮边减速器模型再结合当前时刻后排轮电机的输入功率P3，计算出下一时刻输入的后排轮电机5和后排轮电机6的转矩目标值T5和T6，T5＝T6。

[0044] 通过仿真软件发现，自卸车在不同的转向角输入、不同的油门踏板输入、路面附着发生复杂变化的情况下，可以实现自适应差速，同时能使驱动电机的实际输出转矩高精度地跟随输入，并在同轴两驱动电机间实现功率自适应分配。建立整车的动力学仿真模型，仿真分析得出图6至图8曲线。如图6所示，为某转向工况下自卸车的各驱动轮的转速曲线，包括驱动左前轮的转速曲线7、驱动右前轮的转速曲线8、驱动左中轮的转速曲线9、驱动右中轮的转速曲线10、驱动左后轮的转速曲线11、驱动右后轮的转速曲线12；如图7所示，某转向工况下自卸车的各驱动轮的功率曲线，包括驱动左前轮的功率曲线13、驱动右前轮的功率曲线14、驱动左中轮的功率曲线15、驱动右中轮的功率曲线16、驱动左后轮的功率曲线17、驱动右后轮的功率曲线18。在相同的输入情况下(相同的转向角输入、油门踏板输入等)，将采用轴间功率分配及差速控制的自卸车进行稳态转向，并与所有驱动轮均采用等转矩控制并进行稳态转向的自卸车进行对比分析，如图8所示，图中曲线19表示采用轴间功率分配及差速控制的自卸车的行驶轨迹，图中曲线20表示采用全轮等转矩控制的自卸车的行驶轨迹，可以得知，采用轴间功率分配及差速控制的自卸车行驶轨迹更为收敛，半径变化小，自卸车能减小转向时的侧滑(分析所用的自卸车具有轻微的转向不足)，动力学性能更好。综合图6、图7、图8和理论分析以及实车实验验证可知，该种自卸车轴间功率分配及差速控制的方法能实现轴间功率的自适应分配及自适应差速，并且，将轮轴可利用的总功率在轴间按照轴重比例进行分配能从原理上减少驱动轮打滑或者空转发生的可能性，抑制打滑或者空转发生时功率的大幅度流失，且能在驱动轮输出较大驱动力或制动力时更好地利用路面附着力极限值，提高自卸车的动力性、制动性，减小车轮的侧滑，提高整车的侧向稳定性。