Теоретическое обоснование требований к системе автоматического адаптивного управления электротрансмиссией полноприводного четырехосного автомобиля с индивидуальным приводом ведущих колес

Теоретическое обоснование требований к системе автоматического адаптивного управления электротрансмиссией полноприводного четырехосного автомобиля с индивидуальным приводом ведущих колес

к.ф-м.н. доц. Кулаков Н.А., к.т.н. проф. Лепешкин А.В., Черанев С.В.

МГТУ «МАМИ» (495) 223-05-23, доб. 1154, 1426, lep@mami.ru

Аннотация. В статье представлены результаты исследований разработанной математической модели прямолинейного движения полноприводного четырехосного автомобиля с индивидуальным регулируемым электроприводом его ведущих колес, позволившие обосновать требования к системе автоматического адаптивного управления (СААУ) электротрансмиссией такой машины, снижающие влияние негативных факторов на работу машины при переезде через единичное синусоидальное препятствие.

Ключевые слова: многоприводные колесные машины, индивидуальный привод ведущих колес, регулируемая электрическая трансмиссия, требования к СААУ электротрансмиссии.

В данной статье приведены данные научных исследований, полученные при выполнении Государственного контракта № 579 от 31.03.2004 г. в рамках Гособоронзаказа, а также Государственного контракта № П1131 от 02.06.2010 на поисковые научно-исследовательские работы для государственных нужд по заданию Министерства образования и науки РФ на 2010 - 2012 г. г. в рамках ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009 - 2013 годы.

Данная статья иллюстрирует результаты, полученные при исследовании математической модели прямолинейного движения опытного образца полноприводного четырехосного специального шасси БАЗ-6910Э (рисунок 1) с индивидуальным регулируемым электроприводом его ведущих колес по недеформируемой опорной поверхности. Описание этой математической модели и целей ее разработки приведено в работе [1].

Рисунок 1 - Специальное полноприводное четырехосное шасси БАЗ-6910Э

Отличительной особенностью рассматриваемого автомобиля является использование в нем электрической трансмиссии (ЭТ), состоящей из восьми независимых электроприводов. Каждый из этих электроприводов (рисунок 2) содержит тяговый электродвигатель (ТЭД) и его штатную систему управления (СУ). Эта система управления ЭТ на основании сигнала задания Uз, используя возможности общей системы питания и ^ ), формирует сигнал

управления ТЭД в виде некоторого значения тока фазы !ф . Таким образом, данный электропривод обеспечивает индивидуальный регулируемый привод ведущих колес рассматриваемого автомобиля.

Рисунок 2 - Схема электропривода ведущего колеса рассматриваемого автомобиля

В статье [1] показана принципиальная возможность влиять на работу ЭТ путем регулирования величины тока фазы 1ф за счет использования дополнительных корректирующих

цепей в СУ, которую в сочетании с ними можно рассматривать как систему автоматического адаптивного управления (СААУ). В частности рассмотрен вариант СААУ, имитирующей действия идеального водителя, обеспечивающего при ограниченной величине потребляемой ЭТ мощности достижение заданной продольной скорости У0 движения исследуемого автомобиля.

На основании исследований в работе [1] сформулированы рекомендации по проектированию такой СААУ режимом работы ЭТ исследуемой машины, обеспечивающие заданные требования к работе шасси при трогании и разгоне. При этом СААУ ЭТ с периодичностью через каждые 0,1 секунды вычисляет необходимую в данный момент времени величину приращения тока фазы А/ф в обмотках каждого ТЭД для достижения требуемой скорости У0

движения машины, по формуле:

А/ф = К -

где: V - скорость машины, которую стремится обеспечить водитель; Ух - скорость движения машины в данный момент времени;

ку - коэффициент, характеризующий чувствительность СУ ЭТ к сигналу рассогласования по величине скорости машины; у. - величина продольного ускорения машины; ка - коэффициент обратной связи по ускорению машины.

Анализ выражения (1) позволяет сделать вывод о том, что построенная в соответствии с ним СААУ может также выполнять функцию стабилизации продольной скорости движения рассматриваемого автомобиля в случае ее изменений, обусловленных влиянием внешних возмущений.

В предлагаемой статье излагаются результаты исследований, которые являются естественным продолжением тех, что приведены в работе [1].

Они посвящены анализу работы разрабатываемой СААУ в условиях переезда исследуемого автомобиля через единичное синусоидальное препятствие (рисунок 3), имеющее высоту 2 • %0 = 20 см и длину ¡у = 1 м.

Характер изменения рельефа (вертикальной координаты % (х)), оказывающее возмущающее воздействие на колеса рассматриваемого транспортного средства при моделировании, для такого препятствия определяется выражением:

у = % •

1 - ооб

'о Л 2 •п • х

Рисунок 3 - Принятый профиль преодолеваемого единичного синусоидального

препятствия

Целью этих исследований было выявление возможных негативных факторов в работе ЭТ и получение рекомендаций, которые необходимо учесть при проектировании СААУ, для повышения ее эффективности.

Для проведения этих исследований разработанная ранее математическая модель [1] дополнена соответствующими возможностями, основой для которых являются рекомендации, приведенные в работе [2].

Математическое моделирование переезда исследуемого автомобиля через принятое единичное синусоидальное препятствие проводилось при его движении на скорости 3,6 км/ч.

Результатом проведенного математического моделирования являются графики, приведенные на рисунках 4 и 5.

На рисунке 4 приведены графики, иллюстрирующие вертикальные перемещения центров колес 21 [м] (здесь и далее: I - номер оси автомобиля) каждой из осей автомобиля, центра масс его подрессоренной части 2Ш [м], а также продольно-угловые клевки его остова

[рад], построенные в функции пути X [м], пройденном колесами передней оси автомобиля при переезде им через препятствие.

0, 24 0, 22 0 20 0, 18 0,16 0,14 0,12 — 0,10 0,08 0,06 0,04 0,02 0,00 -0,02° -0,04

(1

1 С

1 1

1 1

1

,0 1 0 2, 0 3 ,0 4,0 5 ,0 6 0 7 0 8 0 90 10,0 11 ,0 12 ,0 13 ,0 14 ,0 15

Л

А

Аг«./ / А Лг*

,0 1 0 50 2, 1РЧ 6 ,0 7,0 8 0 9 0 Л Г1 ,0 12 ,0 13 ,0 14 ,0 15

1

X [м]

,0

—71 — - 72--73 - - - 74

-7т--р|

а) б)

Рисунок 4 - Вертикальные перемещения центров масс неподрессоренных Z4)

(а) и подрессоренной ^ш) (б) частей, а также продольно-угловые клевки (ЕГ) (б) остова

автомобиля при переезде им через препятствие

На рисунке 5 приведены соответствующие графики изменения вертикальных усилий [кН], возникающих в контакте эластичных колес каждой оси исследуемого четырехосного автомобиля с опорной поверхностью. На графике эти изменения также приведены в функции пути X [м], пройденном колесами передней оси этого автомобиля.

Следует отметить, что, в соответствии с принятыми начальными условиями, на ровной дороге распределение веса исследуемого автомобиля таково, что на две передние оси приходится ~ 120 кН (на колесо ~ 30 кН), а на две задние — 80 кН (на колесо ~ 20 кН).

Из анализа графика на рисунке 4 следует, что при переезде автомобиля через принятое препятствие с продольной скоростью 3,6 км/ч вертикальная нагрузка на колеса второй оси

0,10

0,08

0,06

0,04

0,02

0,00

Раздел 1. Наземные транспортные средства, энергетические установки и двигатели. может достигать ~ 68 кН, а также в некоторые моменты колеса какой-то из осей разгружаются от вертикальной нагрузки полностью (происходит их отрыв от опорной поверхности). Очевидно, при этом существенно изменяются условия взаимодействия колес с опорной поверхностью, что не может не сказаться на работе ЭТ автомобиля. 70,0

60,0

50,0

^ 40,0 х

N

О.

30,0 20,0 10,0 0,0

/1 1 1 1 Л

г .< 1 1 1 1 11 1 1 1 1 « 1 <1 1 •Л Д\|

\ 1  Л /1 » к 1 » ^ 1 /V • '7!

1 \ 1 1 1

1 > 1 1  1 1 _  11

X [м]

0,0 1,0 2,0 3,0 4,0 5,0 6,0 7,0 8,0 9,0 10,0 11,0 12,0 13,0 14,0 15,0

-— - --ргз — -

Рисунок 5 - Изменения вертикальных усилий [кН], возникающих в контакте

эластичных колес каждой оси четырехосного автомобиля с опорной поверхностью, при

переезде им через препятствие

Кроме этого принятое препятствие создает для рассматриваемого автомобиля дополнительное сопротивление движению, которое обусловливает изменение величины его продольной скорости Ух.

Подтверждением этого являются графики, приведенные на рисунке 6.

100,0 90,0 80,0 70,0 60,0 50,0 40,0 30,0 20,0 10,0 0,0

/

1

0,0 1, 0 2, 0 3,0 4, 0 5, 0 6,0 7,0 8, 0 9,0 10,0 11,0 12, 0 13,0 14,0 15, 0 --|ф 1 -Ух

0,0 1,0 2,0 3,0 4,0 5,0 6,0 7,0 8,0 9,0 10,0 11,0 12,0 13,0 14,0 15,0 -ОМ1 — - ОМ2--ОМ3 — - ОМ4

а) б)

Рисунок 6 - Движение без использования системы стабилизации продольной скорости

Мы видим из графика, приведенного на рисунке 6а, что возросшее сопротивление движению автомобиля вызвало существенное (более чем на 20%) снижение величины его продольной скорости Ух .

Эти графики получены при моделировании рассматриваемого случая движения автомобиля при неизменном значении тока фазы /ф в обмотках ТЭД (см. рисунок 6а). Такой ва-

250,0

200,0

~ 150,0

100,0

50,0

X [м]

0,0

X [м]

Раздел 1. Наземные транспортные средства, энергетические установки и двигатели. риант работы СААУ возможен, если система стабилизации продольной скорости Ух при моделировании не используется.

Из графика на рисунке 6б видно, что изменение угловой скорости ОМ( вращения ведущих колес автомобиля в большинстве случаев повторяет характер изменения Ух. Исключением являются моменты, в которые происходит отрыв соответствующего колеса от опорной поверхности. Из графика видно, что в зависимости от продолжительности этого отрыва происходит разная по своей интенсивности раскрутка колеса. Так, колеса четвертой оси при этом приобретают частоту вращения, почти в 2 раза превышающую частоту, необходимую для движения автомобиля с заданной скоростью У0 . При этом, как показывают результаты

исследований, не только непроизводительно растрачивается энергия, реализуемая через ЭТ для движения автомобиля, но и происходит повышенный износ шин. Он обусловлен повышенным буксованием раскрученного ведущего колеса, возникающим в момент его контакта с опорной поверхностью.

Для сравнения на рисунке 7 приведены графики, аналогичные графикам на рисунке 6, полученные в тех же условиях, но при работающей системе стабилизации продольной скорости Ух движения исследуемого автомобиля. В данном случае при моделировании в СААУ

ЭТ реализован закон управления величиной тока фазы 1ф в обмотках ТЭД всех ведущих колес автомобиля в соответствии с выражением (1).

100,0 90,0 80,0 70,0 60,0 [ 50,0 40,0 30,0 20,0 10,0 0,0

/ ✓

ч ✓ V

3- 150,0

!

2Е

° 100,0

/

I- /к

0,0 1,0 2,0 3,0 4,0 5,0 6,0 7,0 8,0 9,0 10,0 11,0 12,0 13,0 14,0 15,0 --|ф1 -Ух

0,0 1,0 2,0 3,0 4,0 5,0 6,0 7,0 8,0 9,0 10,0 11,0 12,0 13,0 14,0 15,0 -ОМ1 — - ОМ2--ОМ3 - - -ОМ4

а) б)

Рисунок 7 - Движение с использованием системы стабилизации продольной скорости

автомобиля

В качестве примера на рисунке 7а приведен график, характеризующий изменение величины тока фазы I ф 1 в обмотках ТЭД ведущих колес передней оси рассматриваемого автомобиля (характер изменения величины тока фазы Iф в обмотках ТЭД ведущих колес других осей рассматриваемого автомобиля аналогичен). Результатом этого является существенное уменьшение степени снижения величины продольной скорости Ух автомобиля по сравнению с тем, что получалось без использования системы стабилизации (см. рисунок 6а). Однако использование такой системы управления не оказало существенного влияния на процессы раскрутки ведущих колес автомобиля в моменты их отрыва от опорной поверхности (см. рисунок 7б) и связанные с ними негативные явления, отмеченные выше. В связи с этим были проведены дополнительные исследования по модернизации закона управления, используемого в СААУ.

При этой модернизации учитывалось, что закон управления для каждого ведущего колеса должен быть индивидуален, учитывающий условия работы именно этого колеса в данный момент времени.

Поэтому, во-первых, в закон управления следует включить коррекцию управляющего сигнала (величины тока фазы 1ф. в обмотке /-ого ТЭД) по величине отклонения частоты ЮI

250,0

200,0

50,0

X [м]

0,0

X [м]

Раздел 1. Наземные транспортные средства, энергетические установки и двигатели. вращения данного ведущего колеса от необходимой величины, обусловленной значением продольной скорости Ух движения автомобиля. Так как контроль реальной продольной скорости автомобиля и определение по ней требуемой частоты вращения ведущего колеса в общем случае его качения весьма затруднен, то в качестве базового значения угловой скорости ведущих колес предлагается использовать среднее значение частоты ю ср вращения колес

автомобиля в данный момент времени. Кроме этого, учитывая инерционность рассматриваемой системы управления частотой вращения ведущего колеса, для повышения ее устойчивости и уменьшения величины перерегулирования, рекомендуется в СААУ использовать дополнительный контур управления, обеспечивающий слежение за величиной углового ускорения ю I соответствующего ведущего колеса.

Во-вторых, предлагается при формулировании закона управления учесть изменение в процессе движения величины нормального усилия Я2. в контакте ведущего колеса с опорной поверхностью. Сигнал о величине этого параметра, характеризующего условия работы ведущего колеса, раньше других позволяет оценить их изменение [3], а значит подготовить СААУ к ним. Кроме этого, коррекция управляющего сигнала СААУ по величине нормального усилия Я2. в контакте ведущего колеса с опорной поверхностью уменьшает величину

пробуксовки данного ведущего колеса.

Исходя из этого, для использования в СААУ был предложен следующий вариант закона регулирования:

1ф1 = 1ф  - К\Юг - Юср ) - К' Ю/

2 ср

где: 1ф - величина тока фазы в обмотке /-ого ТЭД;

1ф - необходимая величина тока фазы в данный момент времени, заданная водителем или вычисленная с учетом формулы (1);

Я2. - нормальное усилие в контакте /-ого ведущего колеса с опорной поверхностью;

Я2 ср - средняя величина нормального усилия в контакте колес с опорной поверхностью;

ю I - частота вращения /-ого ведущего колеса;

ю ср - среднее значение частоты вращения колес автомобиля;

кю - коэффициент, характеризующий чувствительность СААУ ЭТ к величине отклонения частоты вращения ведущих колес машины от среднего значения;

ю / - величина углового ускорения /-ого ведущего колеса;

кЕ - коэффициент обратной связи по величине углового ускорения ведущего колеса.

На рисунке 8 приведены графики, аналогичные графикам на рисунке 7, полученные в тех же условиях при работающей модернизированной системе стабилизации продольной скорости Ух движения исследуемого автомобиля, построенной с использованием в ней закона регулирования вида (3).

На графике, приведенном на рисунке 8а, показан, кроме графика изменения величины продольной скорости Ух движения рассматриваемого автомобиля, график, характеризующий изменение величины тока фазы I ф 1 в обмотках ТЭД ведущих колес передней оси рассматриваемого автомобиля. Следует отметить, что графики, характеризующие изменение величины тока фазы I ф в обмотках ТЭД ведущих колес других осей рассматриваемого автомобиля, существенно отличаются от приведенного.

Результатом использования модернизированного закона регулирования СААУ является

не только уменьшение степени снижения величины продольной скорости V автомобиля по

сравнению с тем, что получалось без использования системы стабилизации (см. рисунок 6а), а и существенное уменьшение раскрутки ведущих колес автомобиля в моменты их отрыва от опорной поверхности (см. рисунок 86). Очевидно, что при этом в меньшей степени будут сказываться и связанные с ними негативные явления, отмеченные выше.

100,0 90,0 80,0 70,0 60,0

^ 50,0 &

40,0 30,0 20,0 10,0 0,0

I '

V—

J7 150,0

I

S

О 100,0 50,0

1,0 2,0 3,0 4,0 5,0 6,0 7,0 8,0 9,0 10,0 11,0 12,0 13,0 14,0 15,0 Х[м]

Х[м]

0,0 1,0 2,0 3,0 4,0 5,0 6,0 7,0 8,0 9,0 10,0 11,0 12,0 13,0 14,0 15,0

а) б)

Рисунок 8 - Движение с использованием системы стабилизации продольной скорости автомобиля, снабженной дополнительной коррекцией по формуле

На основании полученных результатов исследований разработаны способ автоматического адаптивного управления бесступенчатой трансмиссией многоприводного транспортного средства [4] и устройство автоматического адаптивного управления бесступенчатой электрической трансмиссией многоприводного колесного транспортного средства [5], на которые получены соответствующие патенты РФ.

Выводы

Таким образом, предложенный закон регулирования СААУ в форме выражения (3) позволяет решить задачу повышения эффективности работы рассматриваемого автомобиля с ЭТ индивидуального привода его ведущих колес в условиях переезда им через единичное синусоидальное препятствие, а также в других подобных случаях эксплуатации.

Литература

1. Кулаков Н.А., Лепешкин А.В., Черанев С.В. Разработка и исследование математической модели полноприводного четырехосного автомобиля с электротрансмиссией. М., МАМИ. Научный рецензируемый журнал Известия МГТУ «МАМИ», № 2 (12), 2011. с. 95-105.

2. Ротенберг Р.В. Подвеска автомобиля. М., «Машиностроение», 1972, 392 с.

3. Лепешкин А.В. Методика разработки СААУ трансмиссий многоприводных колесных машин. Монография. Издательство «LAP LAMBERT Academic Publishing GmbH & Co. KG» (Германия). 2011. 102 с. ISBN 978-3-8454-3161-1.

4. Патент РФ на изобретение № 2397893 от 27.08.2010. Способ автоматического адаптивного управления бесступенчатой трансмиссией многоприводного транспортного средства. Авт.: С.В. Бахмутов, А.В. Лепешкин, С.Б. Шухман.

5. Патент РФ на изобретение № 2397088 от 20.08.2010. Устройство автоматического адаптивного управления бесступенчатой электрической трансмиссией многоприводного колесного транспортного средства. Авт.: С.В. Бахмутов, А.В. Лепешкин, Н.А. Кулаков.

5,0

0,5

Vx

OM1

OM2

OM3

Имитационное моделирование работы АБС на основе квазипространственной динамической модели автомобиля

к.т.н. доц. Лата В.Н., к.т.н. доц. Соломатин Н.С., к.т.н. Окунев А.П., к.т.н. Еремина И.В.,

Ермолин А. В.

Тольяттинский государственный университет + 7-8482-53-92-59, ait@tltsu.ru Аннотация. Рассмотрены вопросы моделирования работы антиблокировоч-