СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ МНОГОПРИВОДНОЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ТРАНСМИССИЕЙ МНОГООСНОЙ КОЛЕСНОЙ МАШИНЫ
METHOD OF CONTROLLING MULTI-DRIVE ELECTRIC TRANSMISSION OF MULTI-AXLE WHEELED VEHICLE

Изобретение относится к области колесных транспортных средств, в том числе многоосных транспортных средств большой и особо большой грузоподъемности с индивидуальными электроприводами колес. Изобретение предназначено для обеспечения функционирования системы автоматизированного управления (САУ) тяговыми электродвигателями (ТЭД) мотор-колес колесного автомобильного транспортного средства (АТС) с любой колесной формулой и с любой схемой поворота. Способ управления многоприводной электрической трансмиссией предусматривает наличие датчика угла поворота рулевого колеса, датчика положения полюса поворота, переключателя режимов движения «вперед-назад», датчика угла отклонения педали линейной скорости транспортного средства.
Наиболее близким к заявленному изобретению является способ управления автомобильным транспортным средством, реализованный в системе управления вращающими моментами множества колес автомашины, включающей: один или более датчиков скорости для того, чтобы определить скорость для каждого колеса; датчик ускорения отклонения от курса транспортного средства для того, чтобы определить фактическое ускорение отклонения от курса транспортного средства; датчик вращающего момента определяет направление транспортного средства и заданную величину вращающего момента для транспортного средства; электронное контрольное устройство для обработки данных от датчиков скорости, датчика ускорения отклонения от курса транспортного средства, датчика ускорения отклонения от курса и вращающего момента, чтобы сформировать сигналы вращающего момента для множества колес; и один или более формирователей сигналов вращающего момента, реагирующих на сигналы вращающего момента, чтобы изменить вращающий момент, управляющих каждым из множества колес таким образом, что колеса обеспечивают либо ускорение, либо замедление в зависимости от намерения водителя и обеспечиваемого тягового усилия (заявка US 2004176899).
Способ управления, реализованный в данной системе, направлен на повышение устойчивости автомобиля, предотвращение рыскания, в том числе и на поверхностях с плохим сцеплением (мокрый асфальт, лед и т.п.).
Однако этот способ управления предназначен для автомобилей 4×2 или 4×4, преимущественно легковых, для которых важна устойчивость движения, с механической, гибридной или электрической трансмиссией. При этом обеспечивается управление крутящими моментами и угловыми скоростями колес соответственно механической, гибридной или электрической трансмиссиями с реализацией функции ПБС/АБС (ASR/ABS), т.е. предотвращается излишняя раскрутка (буксование) колес в тяговом режиме и блокировка колес в тормозном режимах, что обусловлено свойствами механической дифференциальной трансмиссии и электрической трансмиссии с реализацией в ней так называемого электрического дифференциала.
Данный способ управления предназначен для использования при движении автомобиля на больших скоростях по криволинейному пути, т.е. когда возникают и решаются вопросы устойчивости и управляемости за счет механической дифференциальной трансмиссии или электрической трансмиссии с электрическим дифференциалом, различных угловых скоростей колес при криволинейном движении автомобиля, при их различном радиусе, из-за погрешностей при изготовлении, различного давления воздуха в шинах, различной нагрузки на колесо, износа и т.п.
Заявленный способ предназначен в первую очередь для использования на многоосных полноприводных АТС (8×8 и более), для которых на сегодня считается более важной проходимость и экономичность и для них считается наиболее рациональной электрическая трансмиссия с электромотор-колесами, для управления которой и предлагается данный способ.
Одной из особенностей трансмиссий таких многоосных полноприводных АТС является возникновение таких ситуаций, как самопроизвольный переход некоторых колес от тяги к торможению (это называется «циркуляцией» мощности), что, естественно, негативно и этого нужно избегать, что и позволяет данный способ управления.
Технический результат способа управления заключается в реализации максимально возможных тяговых сил по колесам, чтобы в случае необходимости обеспечить максимально интенсивный разгон АТС или для преодоления внешних сил сопротивления движению (тяжелые дорожные условия), и в минимизации потерь в электрической трансмиссии и катящихся колесах для минимизации расхода топлива при управлении многоосными полноприводными АТС, оснащенными электрической трансмиссией с электромотор-колесами.
В основе предложенного способа лежит следящее управление каждым электродвигателем электромотор-колеса в отдельности по угловой скорости. Управление данным образом одним электродвигателем известно и хорошо отработано, предложенный способ обеспечивает управление многоприводной трансмиссией, в которой каждое из колес может оказываться в различных условиях по сцеплению и по сопротивлению качения.
Способ управления не предполагает движение АТС с большими скоростями, это не нужно для многоосных АТС, поэтому устойчивость и управляемость АТС не важна. Важны проходимость, тяга, интенсивность разгона и экономичность, что и обеспечивается в предложенном способе управления.
Технический результат достигается тем, что в способе управления многоприводной электрической трансмиссией многоосной колесной машины предусмотрено задание водителем потребной скорости движения многоосной колесной машины, преобразование сигнала задания потребной скорости в сигналы задания угловых скоростей вращения тяговых электродвигателей колес, измерение текущей угловой скорости тягового электродвигателя каждого колеса, определение направления крутящего момента (что является гораздо более дешевым и более просто технически реализуется аппаратно, чем измерение не только знака - т.е. направления крутящего момента, но и его числового значения, как в заявке US 2004176899), сравнение указанной текущей угловой скорости с угловой скоростью, соответствующей упомянутому сигналу задания угловой скорости вращения тягового электродвигателя с поправкой, учитывающей радиусы кривизны окружностей, по которым движутся колеса, при движении машины по криволинейному участку, корректировка текущей угловой скорости вращения каждого колеса путем регулирования мощности, подводимой к тяговому электродвигателю колеса, и приведение знака его крутящего момента в соответствие с текущим режимом тяги или торможения колеса.
При этом задают диапазон изменения угловых скоростей вращения тяговых электродвигателей колес и осуществляют коррекцию угловых скоростей вращения тяговых электродвигателей колес в пределах указанного диапазона; коррекцию угловых скоростей вращения тяговых электродвигателей колес осуществляют в заданного промежутка времени. Возможно обеспечение нескольких зависимостей угловой скорости вращения тягового электродвигателя колес от положения органа управления потребной скоростью движения колесной машины, переключения между которыми осуществляют автоматически по заданному алгоритму.
В способе управления могут быть реализованы три альтернативных варианта предотвращения буксования тяговых колес. Так корректировка угловых скоростей вращения тяговых электродвигателей каждого колеса при буксовании колеса, осуществляемая в сторону уменьшения угловой скорости до прекращения буксования, может быть произведена с использованием в качестве контролируемой величины значения отношения продольного ускорения корпуса колесной машины к угловому ускорению каждого из колес; значения коэффициента проскальзывания каждого колеса, определяемого по соотношению угловой скорости колеса и линейной скорости колесной машины; значений коэффициента проскальзывания и крутящего момента каждого колеса.
Применение следящего управления каждым электромотор-колесом по его угловой скорости позволяет избежать их самопроизвольной раскрутки, что бывает, например, в механических дифференциальных трансмиссиях. Но скорости всех колес нужно задавать индивидуально. Для этого в способе описана процедура принудительного задания различных угловых скоростей колесам при криволинейном движении АТС, при их различном радиусе, из-за погрешностей при изготовлении, различного давления воздуха в шинах, различной нагрузки на колесо, износа и т.п.
кэу
шli
На фиг.1 показана зависимость «уставки» УСЭК от угла отклонения педали управления угловой скоростью: ω=K·α, в режиме 1.
кэy
ш2
На фиг.2 показана зависимость «уставки» УСЭК от угла отклонения педали управления угловой скоростью ω=К·α, в режиме 2.
кэу
На фиг.3 показан график изменения постоянной времени (в контуре управляющего воздействия УСЭК ω) для режима №2.
На фиг.4 показан график изменения величины постоянной времени для режима 3.
На фиг.5 показана зависимость «уставки» УСЭК от угла отклонения педали управления угловой скоростью при движении задним ходом.
Регулируемыми величинами являются угловые скорости всех колес АТС.
Задачи способа: Используя преимущества индивидуального электрического привода колес, создать условия для наиболее эффективной реализации как тягово-сцепных возможностей каждого колеса АТС, так и возможностей ТЭД, чтобы обеспечить:
1. Реализацию максимально возможных тяговых сил по колесам, в случае необходимости обеспечить максимально интенсивный разгон АТС или для преодоления внешних сил сопротивления движению (тяжелые дорожные условия).
2. Минимизацию потерь в ЭТ и катящихся колесах для минимизации расхода топлива.
Устройства, формирующие входную информацию для САУ:
1. Рулевое колесо (задания направления движения АТС).
2. Задатчик положения полюса поворота (используется для задания положения полюса поворота на продольной оси АТС).
3. Переключатель режимов движения «вперед-назад» находится на панели управления.
ш
4. Переключатель режимов К (используется для задания одного из четырех режимов №1, 2, 3 и 4 движения АТС вперед), находится на панели управления. Наличие четырех режимов объясняется необходимостью имитационной и экспериментальной отработки режимов. Выбор из них оптимального должен производится в каждом конкретном случае в зависимости от требований и условий работы конкретной АТС, с помощью предложенного автором метода.
5. Педаль управления угловой скоростью (используется для задания угловой скорости эквивалентного колеса АТС).
6. Педаль управления торможением (используется для задания тормозных усилий, развиваемых тормозными механизмами АТС, и в способе управления ЭТ не используется).
кс
Под угловой скоростью эквивалентного колеса (УСЭК) понимается - угловая скорость жесткого колеса идеальной геометрии (имеющего радиус качения в свободном режиме, равный номинальному значению, для расчетов принимается r=0.52 м), находящегося по середине базы на продольной оси симметрии АТС и плоскость вращения которого совпадает с вектором мгновенной скорости данной точки машины (т.е. колесо катится по траектории движения АТС и его плоскость вращения является касательной к этой траектории).
Водитель, управляя АТС посредством органов управления, задает направление движения и линейную скорость. В движении колеса могут оказаться в разных условиях по сцеплению, тогда для максимальной реализации тягово-сцепных возможностей каждого из колес требуется задавать различное проскальзывание, через регулирование скоростей вращения колес. Задавать различные скорости вращения каждого из колес водителю просто невозможно. От него можно требовать управление линейной скоростью АТС с помощью органов управления и по данным обратной связи, которой являются показания спидометра и зрительная оценка водителем скорости. В свете этого, для создания способа регулирования угловых скоростей колес АТС и его адекватного понимания и вводится понятие УСЭК. Для данного способа принимаем, что водитель отклонением педали управления угловой скоростью будет задавать САУ линейную скорость АТС, которая будет являться произведением УСЭК на статический радиус колеса идеальной геометрии.
2 Движение вперед
2.1 Формирование исходной информации
кiизм
Для движения вперед водитель переводит тумблер режимов движения «вперед-назад» в положение «Движение вперед». После этого отклонения педали управления угловой скоростью однозначно трактуются САУ как команда водителя к движению АТС вперед. Переключение тумблера режимов движения «вперед-назад» возможно только на неподвижной АТС, т.е. измеренные угловые скорости всех колес меньше или равны ω≤±0.01 рад/с; в случае случайного переключения тумблера в процессе движения предусмотрена аппаратная блокировка с включением световой сигнализации на пульте управления.
2.2 Вычисление угловой скорости эквивалентного колеса
Водитель задает:
1. УСЭК изменением: α [°] - угла отклонение педали управления угловой скорости;
рк
п
2. Криволинейное движение АТС изменением: φ [°] - угла поворота рулевого колеса и γ [позиции] - задатчиком положения полюса поворота;
ш
3. Один из четырех режимов №1, 2, 3 и 4 движения АТС вперед - переключателем режимов К (переключатель 4-позиционный).
2.2.1 Режим движения макета №1
ш
Переключатель режимов движения АТС К находится в первом положении. Зависимость «уставки» УСЭК от угла отклонения педали управления угловой скоростью считается линейной [рад/с]:
кэуmax
max
Угол отклонения педали управления угловой скорости α [°] изменяется в пределах [0, 60°]. Наибольшая УСЭК ω соответствует наибольшему углу отклонения педали α=60°.
ш1i
ш1i
Для повышения чувствительности органа управления УСЭК при движении с малыми скоростями АТС вводятся пять подрежимов качения эквивалентного колеса, что является некоторым аналогом многоступенчатой трансмиссии. Они характеризуются коэффициентом К (i=1,5). Значения коэффициентов К приведены в таблице 1.
кэiу
ш1i
Зависимости ω=К·α приведены на фиг.1.
Таблица 1
Значения коэффициентов Кш<sub>1i</sub>
i
К<sub>шi</sub>, рад/с·°
ω<sub>кэуimax</sub>, рад/с
ω<sub>кэуimin</sub>, рад/с
1
2
3
4
1
0.057
3.24
0.00
2
0.17
10.20
1.70
3
0.34
20.40
3.40
4
0.57
34.20
5.70
5
0.94
56.40
9.40
ш11
кэуmax1
кэу1
Способ управления на режиме №1 функционирует следующим образом. При отклонении педали управления угловой скорости от нулевого положения на угол α первоначально САУ выбирает подрежим К (соответствует минимальной УСЭК ω [рад/с] при максимальном отклонении педали управления угловой скоростью). При дальнейшем отклонении педали (при увеличении значения α) САУ увеличивает значение «уставки» ω по формуле (1).
ш12
ш1i+1
Переход на подрежим К (или на K) осуществляется при выполнении двух условий:
кэизм
ш12
ш1i
кэуmax1
кэуmaxi
1. При достижении измеренной УСЭК ω своего максимального значения с допуском ±2%, для подрежима К (К) это ω±2% (ω±2%, см. табл.1).
max
кэуi
кэуimax
2. При положении педали УСЭК в максимальном отклонении с допуском ±2% α=α=60±1.2° (что соответствует максимальному значению «уставки» ω=(ω).
ш12
ш1i+1
кэизм
кэу
После перехода на К (K) происходит дальнейшее увеличение ω до достижения значения соответствующего углу отклонения водителем педали управления угловой скоростью (до достижения значения «уставки» ω).
кэизм
ш1i
ш12
кэу
В случае уменьшения угла α водителем уменьшение ω производится САУ по зависимости (1) для выбранного в данный момент К (например, К) до достижения значения соответствующего углу отклонения водителем педали управления угловой скоростью (до достижения значения «уставки» ω).
ш1i-1
ш11
Переход на К (в нашем примере К) осуществляется при выполнении двух условий:
кэизм
ш1i
кэimin
1. При достижении измеренной УСЭК ω своего значения, равного для подрежима К ω±2% (см. табл.1).
кэуi
кэimin
2. При отклонении педали УСЭК в положении α=10±1.2° (что соответствует минимальному значению «уставки» ω=ω).
кэизм
ш1i
ш1i+1
ш1i
ш1i-1
САУ вычисляет значение измеренной УСЭК ω для проверки выполнения первого условия перехода от К к К (и от К к К) согласно формуле:
кэизм
где ω - измеренное значение УСЭК (реальное значение) [рад/с];
кjизм
ω - угловая скорость j-го колеса, полученная с датчика угловой скорости j-го ТЭД [рад/с];
vj
рк
п
vj
рк
п
K - коэффициент корректировки угловых скоростей ТЭД при криволинейном движении зависящий от угла поворота рулевого колеса и положения задатчика полюса поворота. При прямолинейном движении (φ=0 и γ=0) К (φ, γ)=1. Данный коэффициент позволяет почти полностью избежать «циркуляции» мощности в трансмиссии и износа шин при криволинейном движении АТС.
ωj
К - коэффициент дополнительного приращения угловой скорости j-го колеса (его значения приведены ниже);
n - число колес АТС.
кэизм
кэу
кэiизм
При этом ω может отличаться от значения своей «уставки» ω не более чем на ±Δω рад/с, которая для каждого из пяти подрежимов приведена в таблице 2.
Таблица 2
i
ω<sub>кэуimax</sub>, рад/с
Δω<sub>кэiизм</sub>, рад/с
1
2
3
1
3.24
0.20
2
10.20
0.50
3
20.40
1.10
4
34.20
2.00
5
56.40
3.00
кэ
Крайне быстрое нарастание крутящего момента на ТЭД (из-за мгновенного подведения большой электрической мощности), в случае резкого отклонения водителем педали УСЭК в максимальное положение, может привести: к значительным динамическим нагрузкам в приводе и несущей системе макета; к срыву грунта под колесами с возможной последующей потерей подвижности. Для предотвращения этого вводится инерционное звено с постоянной времени Т=1 с, в контур управляющего воздействия УСЭК ω. Это приведет к плавному нарастанию подводимой к ТЭД мощности до значения, установленного САУ за время, большое или равное 3 с. Данное инерционное звено аналогично присутствует в режимах движения №2, 3, и 4, а также при движении задним ходом.
2.2.2 Режим №2, 3 и 4
В формировании САУ УСЭК режимы №2, 3 и 4 одинаковы. Поэтому следующее описание одинаково относится как к режиму №2, так и к режимам №3 и №4. Различие в режимах представлено в п.2.3.
ш
Переключатель режимов движения макета К находится во втором (в третьем или четвертом) положении. Зависимость «уставки» УСЭК от угла отклонения педали управления угловой скоростью считается линейной:
ш2
где К=0.94
кэуmax
max
кэизм
кэу
кэизм
кэизм
кэу
Угол отклонения педали управления угловой скорости α [°] изменяется в пределах [0, 60°]. Наибольшая УСЭК ω=56.4 рад/с соответствует наибольшему углу отклонения педали α=60°. При этом ω может отличаться от значения своей «уставки» ω не более чем на ±Δω рад/с, где Δω=3 рад/с. Зависимость ω приведена на фиг.2. Как и пункте 2.2.1, предусмотрено инерционное звено с постоянной времени Т=1 с.
2.3 Регулирование угловых скоростей колес
ш
кэу
кiизм
Независимо от выбранного режима движения №1, 2, 3 или 4 (т.е. независимо от положения переключателя К) угловые скорости колес выставляются САУ относительно «уставки» УСЭК ω единым способом. При этом уменьшение измеренной угловой скорости i-го колеса (ω) САУ производит посредством уменьшения подводимой к ТЭД колеса электрической мощности (вплоть до полного отключения), увеличение угловой скорости производиться посредством увеличения подводимой к ТЭД мощности.
Vi
рк
п
кiу
Угловые скорости всех колес регулируются САУ, равными «уставке» УСЭК с поправкой на K(φ, γ) с точностью регулирования не хуже ±0.1 рад/с от уставочного значения ω [рад/с]:
кiу
где ω - значение угловой скорости i-го колеса (значение «уставки» САУ) [рад/с].
кiу
Vi
pк
п
кэизм
кэу
кэизм
кэизм
кэy
кэизм
То есть все ω равны между собой с погрешностью регулирования ±0.1 рад/с (при K(φ, γ)=1) и равны ω, которая, в свою очередь, выставляется по ω с погрешностью регулирования ±Δω рад/с (ω=ω±Δω рад/с).
кiизм
кiу
кiизм
кiизм
кiу
kiизм
При выходе значения угловой скорости любого колеса ω (реального значения) за верхнее ограничение допуска (более чем +0.1 рад/с от ω) САУ уменьшает подведение к его ТЭД электрической мощности (вплоть до полного его отключения) до вхождения ω в допускаемый коридор, после этого продолжает подведение мощности к данному колесу. При выходе значения угловой скорости любого колеса ω за нижнее ограничение допуска (менее чем -0.1 рад/с от ω) САУ увеличивает подведение к его ТЭД электрической мощности до вхождения ω в допускаемый коридор.
Это позволяет исключить «циркуляцию» мощности между колесами. В случае «циркуляции» мощности продольная реакция в пятне контакта данного колеса меняет свое направление на противоположное и становится не движущей силой АТС, а силой сопротивления движению. Для предотвращения подобного явления и предложен данный способ регулирования угловой скорости вращения колес, которому можно привести в качестве некоторой аналогии механическую блокированную трансмиссию с муфтами свободного хода на каждом колесе.
Однако данный способ регулирования угловых скоростей вращения колес, как и аналогичная ему механическая блокированная трансмиссия с муфтами свободного хода, имеет существенный недостаток. Радиусы качения колес в свободном режиме могут принимать различные значения, это может быть вызвано различиями размеров колес (за счет допуска на размер, износа при эксплуатации и т.п.), нормальных нагрузок на них, давлением воздуха в шинах, кинематическим несоответствием в трансмиссии, а также их движением по различным траекториям на поворотах. Пренебрегая динамическими (кратковременными) изменениями радиусов свободного качения колес и учитывая только их статические (долговременные) изменения, рассматривается только вызванное этим статическое изменение радиусов качения колес в ведущем режиме. Следовательно, колеса с большими радиусами качения будут несколько перегружены продольными реакциями, а колеса с меньшими радиусами качения САУ будут переведены в ведомый режим движения (их ТЭД будут отключены от питания) из-за того, что они будут вращаться с большей угловой скоростью, чем тяговые колеса. Избежать этого можно, определив отключенные от питания ТЭД, и задать им принудительно несколько большую скорость вращения, чем та, с которой они вращались в ведомом режиме. Это позволит перевести эти колеса из ведомого режима движения в ведущий, что, безусловно, повысит тяговые возможности АТС и более рациональным образом распределит продольные реакции по колесам. В противном случае возможно значительное перераспределение продольных реакций. Помимо перегрузки шин данных колес и возрастания внутренних потерь энергии в них это может вызвать превышение продольными реакциями тяговых колес предела по сцеплению с опорной поверхностью и соответственно потерю подвижности. Чтобы избежать данного явления предлагается следующее.
кiизм
Непрерывно (с шагом вычисления САУ) опрашивать каждое колесо с момента достижения колесом угловой скорости ω≥0,1 рад/с на предмет выполнения критерия, состоящего из трех условий:
кiизм
кiу
кiизм
кiизм
кiу
1. Угловая скорость колеса, измеренная датчиком ω, превосходит «уставку» ω более чем на 0,1 рад/с на промежуток времени Δt>3c (существует разница Δω=ω-ω>0.1 рад/с);
х
а
2. Линейное ускорение АТС а<2·Δ;
кiизм
кiу
3. Угловая скорость вращения колеса ω<1.1·ω.
а
Где Δ - погрешность измерения датчика линейного ускорения АТС.
При этом, согласно способу управления, к данному ТЭД колеса не должна подводится электрическая мощность.
В случае выполнения этих трех условий (1…3) для этого колеса принимается новое значение «уставки» угловой скорости, равной:
Это изменение угловой скорости позволит более равномерно распределить продольные реакции по колесам АТС.
ω
Коэффициент К дополнительного приращения угловой скорости равен:
ω
1. Для режима движения №1 и 2 - К=1.04;
ω
кэизм
кiизм
а
ω
2. Для режима движения №3 и 4 - К=0.5·(ω+Δω)/V, при этом есть ограничения К<1.1.
ω
ω
Отличие в определении К обусловлено тем, что для режимов движения АТС №3 и 4 необходимо определение абсолютной скорости движения, определяется датчиком, а в режимах 1 и 2 это не нужно. Поэтому было решено для первых двух режимов задавать К как константу, а в остальных случаях вычислять через угловые скорости колес линейную скорость АТС.
кiу
кiу
Новое значение «уставки» угловой скорости ω поддерживается на протяжении 600 с, потом его снова выставляют по формуле (4) и снова проверяют выполнение критерия (1…3). В случае выполнения данных условий в 3-й раз ω определяется САУ по формуле (5) до момента полной остановки АТС. Это предусмотрено для создания обратной связи у данного критерия с целью предотвращения излишней раскрутки некоторых колес, то есть предохранение от перерегулирования системы.
Условия (1…3) этого критерия выбраны из следующих соображений:
1. Задержка по времени на 3 с используется как временной фильтр. САУ не отрабатывает переходные процессы изменения угловой скорости вращения, а реагирует лишь на их статическое изменение.
2. Условие минимальности линейного ускорения выбрано для не реагирования САУ на изменения продольных реакций колес в процессе разгона или замедления АТС.
кi
3. Ограничение по угловой скорости вращения колеса ω служит защитой от управления колесом в случае значительного возрастания его угловой скорости. Например, колесо имеет значительные повреждения, и нагружать его продольной реакцией нецелесообразно.
Отличительные особенности режимов №2, 3 и 4:
В случае, когда водитель резко увеличит «уставку» УСЭК, возможно быстрое нарастание крутящего момента на ТЭД из-за подведения большой электрической мощности, которое может привести к значительным динамическим нагрузкам в приводе и несущей системе АТС и к срыву грунта под колесами с возможной потерей подвижности. Это обусловлено зависимостью коэффициента сцепления на твердых опорных поверхностях и связных грунтах с ярко выраженным максимумом. Для реализации максимально возможной тяговой силы каждым колесом были введены ограничения угловой скорости колес тремя различными способами.
При реализации режима №2.
кэу
Постоянная времени (в контуре управляющего воздействия УСЭК ω) для режима №2 изменяется согласно графику фиг.3 и таблице 3.
Таблица 3
Δ
Т, с
0
1
5
1
14
5
28
18
160
18
кэукон
кэизмнач
кэизмнач
где Δ=(ω-ω)/ω
кэизмнач
ω - измеренное значение УСЭК в момент времени, когда водитель изменил «уставку» колеса больше чем на 0.25 рад/с;
кэукон
ω - значение «уставки» УСЭК, заданное углом отклонения педали управления угловой скорости в этот момент времени.
кiу
кiизм
кiукон
кiизм
То есть когда ω остается постоянной без изменения (водитель не нажимает на педаль управления угловой скорости) Т=1 с, при увеличении ω до ω (водитель нажал на педаль управления угловой скорости и САУ это отрабатывает) изменять скорость нарастания ω изменением Т, согласно вышеприведенным данным.
Непрерывно (с шагом вычислений САУ) опрашивать каждое колесо с момента:
кэiизм
1. Достижения колесом угловой скорости ω≥0.1 рад/с;
i
2
2. Достижения колесом углового ускорения ε≥0,05 рад/с;
На предмет выполнение условия для каждого из колес:
х
2
где а - линейное ускорение АТС [м/с];
i
2
ε - угловое ускорение вращения i-го колеса [рад/с].
к
Ограничение отношения линейного ускорения к угловому имеет размерность [м] и его можно интерпретировать как значения радиуса качения колеса. Таким образом для шины данной размерности r=0.6 м соответствует скольжению колеса примерно в 20…23%, что по большинству исследованиям является близким к максимуму по сцеплению значением.
Линейное ускорение АТС считывается с датчика ускорения. Угловое ускорение вращения i-го колеса получается дифференцированием угловой скорости колеса.
кiу
х
i
В случае выполнения условия осуществляется уменьшение «уставки» угловой скорости вращения i-го колеса ω до момента, пока не выполнется а/ε≥0.4:
кiу_измен
кiу
где ω - измененная «уставка» угловой скорости вращения i-го колеса ω [рад/с];
кiу_измен
кiу
Δω - изменение «уставки» угловой скорости вращения i-го колеса ω.
кiу_измен
При этом в контуре управляющего воздействия Δω вводится инерционное звено с постоянной времени Т:
а
где Н - передаточная функция инерционного звена с постоянной времени Т=4 с;
e
х
i
х
i
e
e
t - относительное время в САУ, считаемое с момента выполнения критерия а/ε<0.4 (т.е. в момент времени, когда а/ε=0,4 t=0 с и каждый раз при переходе критерия через 0,4 параметр t обнуляется) [с].
кэ
Данный критерий позволяет определить момент начала пробуксовки колес, в случае если водитель, задавая УСЭК ω, ошибся и превысил возможности колес по сцеплению, он используется по данным печати в современных противобуксовочных системах (ПБС). Здесь реализуется ограничение проскальзывания колес и поддержания тяговых сил всех колес максимально возможными. Этот способ регулирования проскальзывания колес можно назвать: способом регулирования проскальзывания колес по прогнозу возможного буксования.
кэiизм
При реализации режима №3 непрерывно (с шагом вычисления САУ) опрашивать каждое колесо с момента достижения колесом угловой скорости ω≥0,1 рад/с на предмет выполнения условия для каждого из колес:
i
где S - проскальзывание i-го колеса, рассчитывается по формуле:
В случае выполнения условия осуществляется изменение величины постоянной времени согласно графику фиг.4 и таблице 4.
кiукон
кiизмнач
кiизмнач
где Δ=(ω-ω)/ω
кiизмнач
i
ω - значение угловой скорости колеса в момент времени S=0,15.
кiукон
i
i
ω - значение «уставки» угловой скорости колеса в момент времени S=0,15, заданное углом отклонения педали управления угловой скорости в этот момент времени (S=0,15).
кiу
kiизм
кiукон
i
кiизм
То есть когда ω остается постоянной без изменения (водитель не нажимает на педаль управления угловой скорости), Т=1 с, при увеличении ω до ω (водитель нажал на педаль управления угловой скорости и САУ это отрабатывает) в момент выполнения S>0,15 изменять скорость нарастания ω изменением Т, согласно вышеприведенным данным.
Таблица 4
Δ
Т, с
0
1
1
1
5
1,25
10
3
15
6
28
18
160
22
i
При достижении S величины 0,19:
В данном случае величина проскальзывания выбрана на основании многочисленных экспериментальных исследований, из которых следует, что максимум сцепления (кривой φ(S)) для большинства поверхностей находится в диапазоне значений S от 0,15 до 0,25. Выбор значения коэффициента проскальзывания 0.15 обусловлен нижней границей максимума сцепления, а 0.19 как средняя величина этого диапазона (запас в 0.01 на случай незначительного перерегулирования системы проскальзывания колеса).
пред
Кроме того, возможно определение S по фактическому максимуму кривой φ(s) через значение продольной реакции колеса Rx, которую можно определить с помощью датчиков или косвенно оценить по крутящему моменту.
кiу
В случае выполнения условия осуществляется уменьшение «уставки» угловой скорости вращения i-го колеса ω до момента, пока проскальзывание колеса не станет меньше 0,19 согласно следующей зависимости:
Данное условие является ограничением угловой скорости вращения каждого колеса по заданному проскальзыванию. Это позволяет индивидуально регулировать проскальзывание каждого колеса в оптимальных пределах. В этом варианте реализуется ограничение проскальзывания колес и поддержания тяговых сил всех колес максимально возможными. Этот способ регулирования проскальзывания колес можно назвать: способом регулирования непосредственно проскальзывания колес.
При реализации режима №4.
кэу
Постоянная времени (в контуре УСЭК ω) для режима №4 принимается постоянной и равной Т=1 с.
кэiизм
Непрерывно (с шагом вычисления САУ) необходимо опрашивать каждое колесо с момента достижения колесом угловой скорости ω≥0,1 рад/с на предмет выполнения условия для каждого из колес:
В случае выполнения условия САУ принимает текущее значение крутящего момента колеса за предельное:
В дальнейшем САУ поддерживает крутящий момент данного колеса не выше этого предельного значения:
ТЭДi
ТЭДiconst
Если через t=30 с после момента времени М=М выполняется условие:
Тогда все ограничения по крутящему моменту на i-м колесе снимаются. Выбор значений ограничения S в 0.15 и 0.19 аналогичен выбору в режиме №3.
Данное условие является ограничением угловой скорости вращения каждого колеса по заданному проскальзыванию с помощью крутящего момента на ТЭД. Это позволяет индивидуально регулировать крутящий момент каждого колеса, не допуская превышения предела по сцеплению. В этом варианте реализуется ограничение крутящих моментов колес и поддержание их максимально возможными. Этот способ регулирования можно назвать: способом регулирования непосредственно крутящих моментов колес.
3 Движение задним ходом
3.1 Формирование исходной информации
Для движения назад водитель переводит тумблер режимов движения «вперед-назад» в положение «Движение назад». После этого отклонения педали управления угловой скорости однозначно трактуется САУ как команда водителя к движению АТС назад.
3.2 Вычисление угловой скорости эквивалентного колеса
Водитель задает при движении назад:
1. УСЭК изменением α [°] - угла отклонения педали управления угловой скорости.
рк
п
2. Криволинейное движение АТС изменением φ [°] - угла поворота рулевого колеса и γ [В] - задатчиком положения полюса поворота.
Зависимость «уставки» УСЭК от угла отклонения педали управления угловой скоростью считается линейной:
шзх
где К=0.09
кэуmax
max
кэизм
кэу
кэизм
кэизм
Угол отклонения педали управления угловой скорости α [°] изменяется в пределах [0,60°]. Наибольшая УСЭК ω=5.4 рад/с (при этом скорость данного макета АТС 10 км/час) соответствует наибольшему углу отклонения педали α=60°. При этом ω может отличаться от значения своей «уставки» ω не более чем на ±Δω рад/с. Где Δω=0.2 рад/с.
кэу
шзх
Зависимость ω=К·α приведена на фиг.5.
3.3 Регулирование угловых скоростей колес
Vi
рк
п
кiу
Угловые скорости всех колес регулируются САУ, равными «уставки» УСЭК с поправкой на K(φ, γ) с точностью регулирования не хуже ±0.1 рад/с от уставочного значения ω:
кiу
кэизм
кэу
кэизм
кэизм
кэy
кэизм
То есть все ω равны между собой с погрешностью регулирования ±0.1 рад/с и равны ω, которая, в свою очередь, выставляется САУ по ω с погрешностью регулирования ±Δω рад/с (ω=ω±Δω рад/с).
изм
кiу
кiизм
кiизм
кiу
кiизм
При выходе значения угловой скорости любого колеса ωki (реального значения) за верхнее ограничение допуска (более чем +0.1 рад/с от ω) САУ уменьшает подведение к его ТЭД электрической мощности до вхождения ω в допускаемый коридор (вплоть до полного отключения), после этого продолжать подведение мощности к данному колесу. При выходе значения угловой скорости любого колеса ω за нижнее ограничение допуска (менее чем -0.1 рад/с от ω) САУ увеличивает подведение к его ТЭД электрической мощности до вхождения ω в допускаемый коридор.