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履带车辆双电机耦合驱动技术研究

盖江涛  
【摘要】:车辆电传动的研究符合节能环保的发展趋势,且与传统的机械传动方式相比,又在提高车辆机动性能方面还有很多优点,成为当前研究的重要方向。在电动汽车研究方面,目前已经取得了很好的应用成果。由于履带车辆一般较轮式车辆重、车上空间狭窄、传动功能多,因此对电机、电池等部件的功率指标、功率体积比、功率重量比要求都很高。如何在部件技术水平有限的前提下,将电机与机械有机集成,实现履带车辆传递功率、变速、转向、制动和操纵等功能,就显得至关重要。这就是传动技术的研究内容。本文从创新设计履带车辆的电传动技术方案入手,形成了较为完善的双电机耦合驱动车辆电传动系统设计方法,并开展了与新型车辆电传动系统相关的车辆驱动控制技术和电机控制技术研究。因此,本文的研究工作主要集中在以下几方面:(1)较全面的对过去履带车辆电传动基本构型的优缺点和近段时间国内外履带车辆电传动发展进行了综述,通过分析发现相关研究重点都是围绕如何通过机械与多台电机的有机复合,进行复杂的机电耦合,寻求构建最优的适合大功率电传动的技术方案。对机电耦合驱动中涉及相关关键技术研究进展进行了介绍,并对与本文的研究要求存在的差异进行了阐述。(2)提出了一种履带车辆的双侧电机耦合驱动的传动方案。应用行星传动构件综合分析法,提出了方案优选的构件组合原则,建立了输入、输出间的转速、转矩变换模型。提出了双侧电机耦合驱动方案选择的评价指标和性能匹配优化的评价指标,并建立了匹配优化模型。形成了较为完善的双电机耦合驱动车辆电传动系统设计方法。(3)针对车辆用永磁同步电机功率大、功率密度高、转速高等特点,进行了电机设计技术难点分析研究。针对永磁同步电机的车辆驱动系统中,在负载变化的过程中转速会受到较大影响的问题,采用自抗扰控制器对负载扰动进行观测,并进行补偿来抑制外部扰动的方法,设计了基于负载观测的二阶控制系统。通过仿真与实验结果分析,证实了控制系统能够很好的满足电传动车辆的控制系统要求。(4)利用机械、控制相结合的方法很好的解决了双电机耦合驱动履带车辆直驶同步的难题。利用功率耦合机构的负载功率平衡作用,使在传动的两个输出端的负载差传递到两台电机上降低60%~80%,从机械上很大程度上解决了由于两侧负载不平衡造成的输出不同步问题。同步控制方面,提出了两侧输出端负载不均衡的补偿控制算法和基于模糊PID的偏差耦合同步控制策略相结合的方法。(5)本文提出了一种双电机耦合驱动履带车辆转向动力学的解耦算法,将原来的双输入双输出、非线性耦合系统解耦为两个易于控制的SISO系统。设计了鲁棒滑模变结构控制律,实现了车速的稳定控制;设计了自适应模糊滑模控制律,实现了转向角速度的稳定控制。在耦合机构的两个输入间建立起强的约束关系,保证安全的前提下使履带车辆在转向过程中最大程度的符合驾驶意图。(6)建立了控制系统可分配任务的有无环图模型,将多资源约束环境中任务分配问题转化为赋权图的最小分割问题。在此基础上形成了双电机耦合驱动系统控制架构,进行多层次、集成式的控制优化。搭建了双电机耦合驱动履带车辆硬件在环实时仿真验证平台和台架试验平台,通过半实物仿真试验和台架稳态性能试验相结合的方法,对本文所研究的传动方案原理、控制算法和系统输出性能进行了试验验证。


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