CN102636996A - 一种履带车辆电传动系统并行实时仿真系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种履带车辆电传动系统的并行实时仿真系统，由驾驶员操控装置、电传动控制系统模型以及履带车辆多体动力学虚拟样机模型组成。本发明主要用于电传动履带车辆动力性能仿真分析、电传动系统建模仿真。MATLAB/SIMULINK下建立的电传动控制系统模型由驾驶员操控装置、加速踏板及其位移传感器、制动踏板及其位移传感器、电子档位采集单元、方向盘及其角位移传感器、DC-DC变换器模型、动力电池组模型、发动机-发电机模型、整车综合控制器模型、AC-DC变换器模型、左侧电机及其控制系统模型、右侧电机及其控制系统模型组成；虚拟样机模型利用多体动力学软件RecurDyn建立；通过实时仿真平台RT-LAB实现驾驶员操控装置、电传动控制系统模型以及履带车辆多体动力学虚拟样机模型的并行实时仿真。该系统既可以实现电传动控制系统模型的离线仿真、履带车辆多体动力学的离线仿真，也可以实现电传动控制系统模型与履带车辆多体动力学虚拟样机的联合实时仿真和半实物仿真。

Description

一种履带车辆电传动系统并行实时仿真系统

技术领域：

本发明涉及一种履带车辆电传动系统并行实时仿真系统，用于电传动履带车辆动力性能仿真分析，电传动系统建模仿真。

背景技术：

电传动履带车辆具有非常复杂的多变量、非线性动力学特征，涉及机械、控制、电子等不同的领域，因此需要运用接口技术将各自领域建立的模型集成到一个系统模型中以共同完成仿真。电机驱动系统是履带车辆的核心部件，其控制特性直接影响车辆的动力性能。当前有一些关于电传动履带车辆联合仿真的文献，其中《电传动履带车辆驱动系统匹配分析》和《履带车辆感应电机驱动系统匹配理论》对双电机驱动的履带车辆直驶和转向工况的稳态动力需求和传动系统的部件匹配方法进行了研究，但并没有结合双侧驱动电机系统的控制特性对车辆转向过程中的瞬态动力性能进行分析。《电传动履带车辆动力性能协同仿真与实验研究》、《基于Matlab与RecurDyn的电传动履带车辆的联合仿真》和《基于RecurDyn和Simulink的电传动车辆转矩控制策略》结合运用多体动力学软件和MATLAB/Simulink进行了驱动系统联合建模协同离线仿真，对动力学进行了简单的分析，由于仿真速度缓慢，对电机驱动控制系统模型、发动机-发电机系统模型和动力电池组模型进行了简化，因此电机驱动系统动态性能对车辆动态动力性能的影响没有考虑，无法对双电机驱动系统的特性对动力学的影响、动力和能量分配激励、多能源能量流的有效管理进行深入研究。《基于转矩控制策略的电传动履带车辆驱动特性研究》和《电传动履带车辆双侧驱动转速调节控制策略》对双侧电机驱动系统的控制策略进行了建模仿真和性能分析，但都忽略了电机及其控制策略的动态数学模型，因此不能对双侧电机驱动系统的转矩进行合理分配。

针对以上存在的问题，本发明通过实时仿真平台RT-LAB，利用多体动力学软件RecurDyn和控制系统分析软件MATLAB/Simulink建立电传动系统动态系统数学模型，进行车辆动力学的实时动态仿真。

发明内容：

本发明的目的就是针对上述文献涉及的仿真系统无法实现动态实时快速仿真的需求，设计出一种履带车辆电传动系统的并行实时仿真系统。该发明可以实现电传动履带车辆的实时快速分析，电机的动态特性对履带车辆动态动力性能的影响分析。

技术方案：一种履带车辆电传动系统的并行实时仿真系统包括驾驶员操控装置、电传动控制系统模型和履带车辆多体动力学虚拟样机模型，如附图1所示。

其中，驾驶员操控装置包括加速踏板、制动踏板、电子挡位和方向盘。

电传动控制系统16如附图2所示，组成包括：驾驶员操控装置1、加速踏板及其位移传感器2、制动踏板及其位移传感器3、、电子档位采集单元4、方向盘及其角位移传感器5、实时仿真平台RT-LAB下的采集板6、DC-DC变换器模型7、动力电池组模型8、发动机-发电机模型9、整车综合控制器模型10、AC-DC变换器模型11、左侧电机及其控制系统模型12、右侧电机及其控制系统模型13、实时仿真平台RT-LAB下的CAN卡14和网线15。

履带车辆多体动力学虚拟样机模型如图3和图4所示，包括：车身16、行驶系17a和17b、路面37，行驶系17a包括拖带轮18a、拖带轮19a、拖带轮20a、主动轮21a、限制器22a、限制器23a、限制器24a、限制器25a、限制器26a、限制器27a、诱导轮28a、减震器29a、平衡肘30a、平衡肘31a、平衡肘32a、平衡肘33a、平衡肘34a、平衡肘35a、减震器36a、地面37、负重轮38a、负重轮39a、负重轮40a、负重轮41a、负重轮42a、负重轮43a、履带板44a。

电传动控制系统模型的连接方式为：

加速踏板及其位移传感器2、制动踏板及其位移传感器3、电子挡位采集单元4、方向盘及其角位移传感器5的电信号通过实时仿真平台RT-LAB下的采集板6输入到电传动控制系统模型，再分别通过信号线L1、信号线L2、信号线L3、信号线L4输入到整车综合控制器模型4。整车综合控制器通过总线N1、总线N2、总线N3、总线N4、总线N5、总线N6和发动机-发电机模型9、DC-DC变换器模型7、AC-DC变换器模型11、动力电池组模型8、左侧电机及其控制系统模型、右侧电机及其控制系统模型连接。发动机-发电机模型通过三相交流电源线S1将三相交流电传递给AC-DC变换器模型11，AC-DC变换器模型11通过直流电源线S2、S5、S6和DC-DC变换器模型7、左侧电机及其控制系统模型12、右侧电机及其控制系统模型13连接，动力电池组模型8通过直流电源线S3和DC-DC变换器模型7连接，DC-DC变换器模型7将直流电转换成电机工作所需的直流电，并通过直流电源线S4、S7将直流电传递给左侧电机及其控制系统模型、右侧电机及其控制系统模型。左侧电机及其控制系统模型通过信号线L9将产生的转矩信号T₁输入到实时仿真平台RT-LAB下的CAN卡14，右侧电机及其控制系统模型通过信号线L10将产生的转矩信号T₂输入到实时仿真平台RT-LAB下的CAN卡14，实时仿真平台RT-LAB下的CAN卡14通过信号线L7、信号线L8将网线15中的左侧主动轮转速n₁、左侧主动轮负载T_L1输入到左侧电机及其控制系统模型，实时仿真平台RT-LAB下的CAN卡14通过信号线L10、信号线L11将网线15中的左侧主动轮转速n₂、左侧主动轮负载T_L2输入到右侧电机及其控制系统模型。

履带车辆多体动力学虚拟样机模型的连接方式为：

拖带轮18a、19a、20a通过旋转副和车身连接，主动轮21a通过旋转副和车身连接，扭杆22a、23a、24a、25a、26a、27a通过扭杆弹簧以及旋转副连接到车身，诱导轮28a通过旋转副连接到车身，减震器29a一端和车身相连，另一端和平衡肘30a相连，减震器36a一端和车身相连，另一端和平衡肘35a相连，平衡肘30a、31a、32a、33a、34a、35a的一端通过旋转副分别和负重轮38a、39a、40a、41a、42a、43a连接，另一端通过旋转副连接到车身，履带板44a依次经过负重轮38a、39a、40a、41a、42a、43a，诱导轮28a，拖带轮18a、19a、20a和主动轮21a。

本发明涉及履带车辆电传动系统的并行实时仿真系统的仿真过程如下：如图2所示，电传动控制系统中的DC-DC变换器模型7、动力电池组模型8、发动机-发电机模型9、整车综合控制器模型10、AC-DC变换器模型11、左侧电机及其控制系统模型12、右侧电机及其控制系统模型13在第一台电脑的MATLAB/Simulink下进行建模，然后将建立Simulink模型下载到同台电脑上的RT-LAB中。履带车辆多体动力学虚拟样机模型在另一台电脑的RecurDyn下进行建模，将建好的模型下载到MATLAB/Simulink中。车辆行驶过程中，驾驶员操控装置利用第一台电脑上实时仿真平台RT-LAB下的采集板6将对加速踏板、制动踏板、电子档位以及方向盘的实时操作信息输入第一台电脑中的电传动控制系统模型。同时另一台电脑上的MATLAB/Simulink中的履带车辆多体动力学虚拟样机模型(RecurDyn下)利用网线将左侧主动轮转速n₁和负载T_L1、右侧主动轮转速n₂和负载T_L2输入到RT-LAB实时仿真平台下的CAN卡，从而输入到第一台电脑中的电传动控制系统模型。整车综合控制器模型4将根据实时操作信息以及履带车辆多体动力学虚拟样机模型的工况信息，通过总线N3、总线N4向左侧电机及其控制系统模型12、右侧电机及其控制系统模型13实时发送控制信号，两侧电机根据整车综合控制器传递的控制信号输出期望的转矩，通过RT-LAB实时仿真平台下的CAN卡将左侧电机及其控制系统模型12、右侧电机及其控制系统模型13输出的转矩T₁、T₂输入到履带车辆多体动力学虚拟样机模型，实现履带车辆多体动力学虚拟样机对驾驶员实时操作的响应。当动力电池组模型8电压不足时，整车综合控制器模型通过总线N1控制发动机-发电机组模型9经AC-DC变换器模型10、DC-DC变换器模型7向动力电池组8充电。

优点功效：

本发明实现了电机驱动系统和整车控制系统的动态实时仿真。控制系统、多体动力学系统、实时仿真系统共同实现履带车辆电传动系统的并行实时仿真。

附图说明

附图1本发明总体结构示意图

附图2履带车辆电传动系统结构图

附图3履带车辆多体动力学虚拟样机俯视图

附图4履带车辆多体动力学虚拟样机侧视图

附图5MATLAB/Simulink与RecurDyn联合仿真

附图6电传动控制系统仿真模型

附图7Simulink模型在RT-LAB下的运行

具体实施方式

本发明提供电传动履带车辆可伸缩并行实时仿真系统一种实现方法，下面结合附图对本发明的技术方案做详细描述。

本发明是双电机驱动履带车辆多体动力学并行实时仿真系统模型。基于某一车型为原型车，构建基于MATLAB/simulink的电传动系统模型和基于RecurDyn的电传动履带车辆虚拟样机模型，实现MATLAB/Simulink、RecurDyn的联合仿真，并在RT-LAB实时仿真平台上运行，实现电传动系统动态特性和履带车辆瞬态动力学联合仿真，以此提高车辆的动力性能，为改进履带车辆电传动系统或车辆结构参数提出理论根据。

第一步基于RecurDyn构建电传动履带车辆虚拟样机模型，如图3和图4所示

该车为双电机独立驱动电传动履带车辆，电传动履带车辆虚拟样机主要由车身和行驶系组成。其中每侧行驶系由1个主动轮、1个诱导轮、1个履带环(97块履带板组成)、6个负重轮、6个限制器、6个平衡肘、2个减震器组成。主动轮前置，双销式履带，双轮缘负重轮。悬挂装置采用扭杆式独立悬架，扭杆采用Rotational Spring Force来模拟，减震器采用Spring Force来模拟，减震器一侧与平衡肘中部相连，另一侧与车体相连。扭杆一侧与车体相连，另一侧与负重轮相连。限制器安装于车体上，限制器与负重轮为接触连接。负重轮通过平衡肘与车体相连，平衡肘一段通过旋转副与负重轮连接，另一个通过扭杆与车身连接。履带板之间、履带板与地面之间、履带与主动轮、负重轮之间的接触力分别通过修改相应的刚度系数、阻尼系数及其几何参数等来确定。车重根据原车设定每个部分的重量，车体各个部分的几何尺寸根据原车尺寸设定。整车有258个部件组成，总自由度为1228，建模时以主动轮中心为固定坐标系。

第二步，建立RecurDyn和MATLAB/Simulink的链接，如图5所示。

利用RecurDyn自带的Controll模块，设定履带车辆的输入与输出，输入为T₁、T₂，输入加载到两侧主动轮驱动力矩上，输出为T_L1、T_L2，T_L1、T_L2分别为两侧主动轮所受阻力矩，n₁、n₂分别为两侧主动轮转速。生成用于连接RecurDyn和MATLAB/Simulink的m文件，在MATLAB中运行该m文件，生成Simulink下的mdl文件。

第三步基于MATLAB/Simulink建立电传动履带车辆的电传动系统仿真模型模型，如图6所示。

MATLAB/Simulink建立电传动履带车辆的电传动系统仿真模型包括：发动机-发电机和AC-DC变换器模型、整车综合控制器模型、DC-DC变换器模型、动力电池组模型、左侧电机及其控制系统模型、右侧电机及其控制系统模型。驾驶员操控装置将操作信息实时发送到整车综合控制器模型中，整车综合控制器将期望转矩信号传递给两侧电机及其控制系统模型，两侧电机及其控制系统模型输出期望的转矩并传输给RecurDyn下的履带车辆多体动力学虚拟样机模型，发动机-发电机和AC-DC变换器模型在动力电池组模型电压不足时给动力电池组模型充电。

第四步，运用实时仿真平台RT-Lab构建电传动控制系统实时仿真模型，如图7所示。

将在MATLAB/Simulink下建立的电传动控制系统模型编辑为RT-LAB规则下的Simulink模型。然后将Simulink下的模型下载到RT-LAB中，修改配置，进行编译和节点分配，下载可执行文件，实现在在RT-LAB平台上的运行。

第五步，三个系统进行协同仿真。

采集驾驶员操控装置的操作信号，经实时第一台电脑上仿真平台RT-LAB下的采集板传输到同一台电脑中的MATLAB/Simulink下的电传动控制系统模型，电传动控制系统模型对采集到的信息进行计算处理，利用RT-Lab实时仿真平台下的CAN卡和网线将两侧电机的输出转矩传输到另一台电脑上的履带车辆多体动力学虚拟样机模型中，实现三个系统的协同仿真。

Claims (2)

1.一种履带车辆电传动系统的并行实时仿真系统，其特征在于：由驾驶员操控装置、电传动控制系统模型和履带车辆多体动力学虚拟样机模型；

驾驶员操控装置包括加速踏板、制动踏板、电子挡位和方向盘；电传动控制系统16如附图2所示，组成包括：驾驶员操控装置1、加速踏板及其位移传感器2、制动踏板及其位移传感器3、电子档位采集单元4、方向盘及其角位移传感器5、实时仿真平台RT-LAB下的采集板6、DC-DC变换器模型7、动力电池组模型8、发动机-发电机模型9、整车综合控制器模型10、AC-DC变换器模型11、左侧电机及其控制系统模型12、右侧电机及其控制系统模型13、实时仿真平台RT-LAB下的CAN卡14和网线15；

履带车辆多体动力学虚拟样机模型如图3和图4所示，包括：车身16、行驶系17a和17b、路面37，行驶系17a包括拖带轮18a、拖带轮19a、拖带轮20a、主动轮21a、限制器22a、限制器23a、限制器24a、限制器25a、限制器26a、限制器27a、诱导轮28a、减震器29a、平衡肘30a、平衡肘31a、平衡肘32a、平衡肘33a、平衡肘34a、平衡肘35a、减震器36a、地面37、负重轮38a、负重轮39a、负重轮40a、负重轮41a、负重轮42a、负重轮43a、履带板44a；

电传动控制系统模型的连接方式为：

加速踏板及其位移传感器2、制动踏板及其位移传感器3、电子挡位采集单元4、方向盘及其角位移传感器5的电信号通过实时仿真平台RT-LAB下的采集板6输入到电传动控制系统模型，再分别通过信号线L1、信号线L2、信号线L3、信号线L4输入到整车综合控制器模型4；整车综合控制器通过总线N1、总线N2、总线N3、总线N4、总线N5、总线N6和发动机-发电机模型9、DC-DC变换器模型7、AC-DC变换器模型11、动力电池组模型8、左侧电机及其控制系统模型、右侧电机及其控制系统模型连接；发动机-发电机模型通过三相交流 电源线S1将三相交流电传递给AC-DC变换器模型11，AC-DC变换器模型11通过直流电源线S2、S5、S6和DC-DC变换器模型7、左侧电机及其控制系统模型12、右侧电机及其控制系统模型13连接，动力电池组模型8通过直流电源线S3和DC-DC变换器模型7连接，DC-DC变换器模型7将直流电转换成电机工作所需的直流电，并通过直流电源线S4、S7将直流电传递给左侧电机及其控制系统模型、右侧电机及其控制系统模型；左侧电机及其控制系统模型通过信号线L9将产生的转矩信号T1输入到实时仿真平台RT-LAB下的CAN卡14，右侧电机及其控制系统模型通过信号线L10将产生的转矩信号T2输入到实时仿真平台RT-LAB下的CAN卡14，实时仿真平台RT-LAB下的CAN卡14通过信号线L7、信号线L8将网线15中的左侧主动轮转速n₁、左侧主动轮负载T_L1输入到左侧电机及其控制系统模型，实时仿真平台RT-LAB下的CAN卡14通过信号线L10、信号线L11将网线15中的左侧主动轮转速n₂、左侧主动轮负载T_L2输入到右侧电机及其控制系统模型；

履带车辆多体动力学虚拟样机模型的连接方式为：

拖带轮18a、19a、20a通过旋转副和车身连接，主动轮21a通过旋转副和车身连接，扭杆22a、23a、24a、25a、26a、27a通过扭杆弹簧以及旋转副连接到车身，诱导轮28a通过旋转副连接到车身，减震器29a一端和车身相连，另一端和平衡肘30a相连，减震器36a一端和车身相连，另一端和平衡肘35a相连，平衡肘30a、31a、32a、33a、34a、35a的一端通过旋转副分别和负重轮38a、39a、40a、41a、42a、43a连接，另一端通过旋转副连接到车身，履带板44a依次经过负重轮38a、39a、40a、41a、42a、43a，诱导轮28a，拖带轮18a、19a、20a和主动轮21a。 

2.如权利要求1所述，一种履带车辆电传动系统的并行实时仿真系统，其特征在于：RT-LAB、MATLAB/SIMULINK和RecurDyn三方软件联合仿真。 

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