CN103105781A - 多轴独立电机底盘测功系统行驶阻力模拟加载方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种多轴独立电机底盘测功系统行驶阻力模拟加载方法和系统，根据底盘测功系统所需加载的总行驶阻力大小，对电机底盘测功系统中的一个转鼓的电机采用闭环行驶阻力力矩控制，其他转鼓的电机采用速度跟随控制。其中闭环行驶阻力力矩控制转鼓的目标力矩设定为总行驶阻力减去当前时刻其他转鼓的加载力矩之和，而速度跟随控制目标速度设定为其他转鼓速度的线性组合，以使系统力矩控制和速度控制相互独立。该方法可以避免由于力矩控制系统和速度控制系统的耦合而引起的转鼓力矩和速度振荡，而且可以独立调整各个转鼓电机控制系统的PID控制参数，有助于提高多轴底盘测功系统行驶阻力的模拟精度，同时保证各转鼓的速度同步精度。

Description

多轴独立电机底盘测功系统行驶阻力模拟加载方法和系统

技术领域

本发明涉及一种模拟加载方法，具体涉及一种多轴独立电机底盘测功系统行驶阻力模拟加载方法和系统。 

背景技术

底盘测功机又称为滚筒式试验台，在进行动力性和经济性测试时，以滚筒相当于连续移动的路面，模拟汽车和路面间的相对运动。在试验时，通过底盘测功机加载装置向转鼓施加负荷，模拟汽车的行驶阻力，使汽车在尽可能接近于汽车实际行驶工况下进行动力性和经济性测试。根据行驶阻力加载方式的不同，底盘测功机有电力测功机、电涡流测功机、水力测功机等几种；根据滚筒数目不同有单滚筒和双滚筒之分，有单轴和双轴之分。目前由于单滚筒电力底盘测功机具有较高的测试精度和可扩展性，在科研单位中得到比较广泛的应用。 

对于单滚筒电力底盘测功机，目前应用较多的是单轴单电机底盘测功系统，该系统仅能完成单轴驱动车辆的相关性能测试任务，许多学者也开展了相关汽车行驶阻力计算及在底盘测功机上实施方法的研究。其行驶阻力的加载模拟方法也较为简单，仅需将计算得到的行驶阻力直接施加于单电机。 

对于多轴独立电机底盘测功系统来说，由于系统中各滚筒采取独立电机驱动，因此可以完成对开路面仿真、驱动防滑控制、差速器控制等特殊功能测试。同时在动力性和经济性测试过程中行驶阻力方法相对单电机来说较为复杂，不仅需要满足总行驶阻力的模拟精度要求，同时还要保证各转鼓的速度同步精度，以模拟连续移动的路面。因此，多轴独立电机底盘测功系统的行驶阻力模拟需要满足如下要求： 

（1）各转鼓系统机械惯量及电惯量之和应等于被试车辆通过道路滑行试验所计算得到的道路行驶阻力。 

（2）各转鼓转速应相等，用以模拟连续移动的路面。 

（3）控制系统应实时、准确、稳定。 

由于成本等原因，目前关于多轴独立电机的底盘测功系统较少，因此对于基于该系统的行驶阻力加载方法研究较少，目前没有关于针对该系统的行驶阻力模拟方法公开文献。 

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种多轴独立电机底盘测功系统行驶阻力模拟加载方法和系统，该方法按照一定的控制策略对各独立电机进行控制，使得各电机的加载力矩之和等于总行驶 阻力，同时保证各转鼓转速同步。 

设所述多轴独立电机底盘测功系统具有n个独立的电机，每个电机驱动一个转鼓，n为大于等于2的整数；对所述n个电机中的任意一个电机采用行驶阻力力矩控制方法控制，其余（n-1）个电机采用速度跟随控制方法控制。 

设采用行驶阻力力矩控制方法进行控制的电机为电机D₁，电机D₁驱动转鼓Z₁；采用速度跟随控制方法控制的电机为电机D_i，电机D_i驱动转鼓Z_i，2≤i≤n。 

所述行驶阻力力矩控制方法为： 

首先设定转鼓Z₁的目标加载力矩T_1目标为：

式（1）中T_总为车辆总行驶阻力矩；T_i为转鼓Z_i的当前加载力矩； 

然后控制电机D₁的驱动电流，使转鼓Z₁的实际力矩与目标加载力矩T_1目标趋于一致。 

所述速度跟随控制方法： 

设定转鼓Z_i的目标速度V_i目标为： 

式（2）中                                                  

其中   

2≤k≤n，且k≠i； 

式（3）中，inv(A)为矩阵A的逆矩阵，矩阵A和矩阵B中j_i为转鼓Z_i的等效惯量，j₁为转鼓Z₁的等效惯量；式（2）中，v_k为转鼓Z_k的当前速度，v₁为转鼓Z₁的当前速度； 

然后控制电机D_i的交流电压频率，使转鼓Z_i的实际速度与其目标速度V_i目标趋于一致。 

基于上述方法的多轴独立电机底盘测功系统的行驶阻力模拟加载系统为，设所述多轴独 立电机底盘测功系统具有n个独立的电机，每个电机驱动一个转鼓，n为大于等于2的整数；则所述行驶阻力模拟加载系统包括：行驶阻力模拟控制器、力矩PID控制器和（n-1）个速度跟随PID控制器。 

其中所述力矩PID控制器控制电机D₁，实现对电机D₁的行驶阻力力矩控制；所述电机D₁为n个电机中的任意一个电机，电机D₁驱动转鼓Z₁；其余（n-1）个电机中，每个电机采用一个速度跟随PID控制器控制；设采用速度跟随PID控制器控制的电机为电机D_i，速度跟随PID控制器S_i控制电机D_i，电机D_i驱动转鼓Z_i，2≤i≤n。 

所述行驶阻力模拟控制器分别采集转鼓Z₁的当前速度v₁和转鼓Z_i的当前速度v_i后，计算转鼓Z_i的目标速度V_i目标，然后将计算得到的转鼓Z_i的目标速度V_i目标发送给与转鼓Z_i对应的速度跟随PID控制器S_i；所述速度跟随PID控制器S_i接收到目标速度V_i目标后，依据目标速度V_i目标与转鼓Z_i当前速度v_i的速度差，调节电机D_i的交流电压频率，从而控制转鼓Z_i的速度，使转鼓Z_i的实际速度与其目标速度V_i目标趋于一致。 

所述行驶阻力模拟控制器采集转鼓V_i目标的加载力矩T_i后，计算转鼓Z₁的目标加载力矩T_1目标，然后将计算得到的目标加载力矩T_1目标发送给力矩PID控制器，其中T_总为车辆的行驶总阻力矩；所述力矩PID控制器接收到目标加载力矩T_1目标后，依据目标加载力矩T_1目标与转鼓Z₁当前的载入力矩的力矩差，控制电机D₁的驱动电流，从而控制转鼓Z₁的力矩值，使转鼓Z₁的实际力矩与目标加载力矩趋于一致。 

有益效果： 

本发明根据底盘测功系统所需加载的总行驶阻力大小，对电机底盘测功系统中的一个转鼓的电机采用闭环行驶阻力力矩控制，其他转鼓的电机采用速度跟随控制。其中闭环行驶阻力力矩控制转鼓的目标力矩设定为总行驶阻力减去当前时刻其他转鼓的加载力矩之和，而速度跟随控制目标速度设定为其他转鼓速度的线性组合，使系统力矩控制和速度控制相互独立。 

同时该方法可以避免由于力矩控制系统和速度控制系统的耦合而引起的转鼓力矩和速度振荡，而且可以独立调整各个转鼓电机控制系统的PID控制参数，有助于提高多轴底盘测功系统行驶阻力的模拟精度，同时保证各转鼓的速度同步精度。 

附图说明

图1为转鼓及车轮受力分析； 

图2为双轴独立电机底盘测功系统的结构组成； 

图3为交流感应电机力矩控制框图； 

图4为交流感应电机速度控制框图； 

图5为双轴独立电机底盘测功系统行驶阻力模拟控制系统结构。 

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。 

本实施例以双轴独立电机底盘测功系统为例对本发明的行驶阻力的模拟加载方法进行详细介绍。双轴独立电机底盘测功系统包括四个三相交流电机（分别为电机A，电机B，电机C和电机D）和四个转鼓（转鼓A，转鼓B，转鼓C和转鼓D），每个电机独立控制一个转鼓，如图2所示。汽车惯量的模拟由机械惯量和电惯量两部分组成，其中转鼓及其传动部分的基本惯量为行驶阻力模拟系统机械惯量，不能进行控制，因此只能对其电惯量即电机进行控制。 

为使各电机的加载力矩之和等于总行驶阻力，同时保证各转鼓转速同步。本实施例对四个电机进行独立控制，其中对电机A采用PID力矩控制，其余电机采用PID速度控制。 

所述电机A的PID力矩控制方法如图3所示。 

设定转鼓A的目标加载力矩T_目标为总行驶阻力矩T_总减去转鼓B，转鼓C和转鼓D的当前载入力矩之和，即： 

T_目标＝T_总-（T_B+T_C+T_D） 

式中，T_i为转鼓i的当前载入力矩，i=B、C、D； 

力矩PID控制器依据设定的转鼓A的目标加载力矩T_目标，控制电机A的驱动电流，从而控制转鼓A的力矩值，使转鼓A的实际力矩与目标加载力矩T_目标趋于一致。实际运用时通过调整力矩PID控制器的控制参数，使得转鼓A的实际力矩能够迅速、准确的达到目标值。 

所述电机B，电机C和电机D的PID速度控制方法如图4所示，每个电机通过一个速度跟随PID控制器控制。设转鼓A，转鼓B，转鼓C和转鼓D的当前速度分别为v_A、v_B、v_C、v_D，并设： 

$A=\left[\begin{array}{ccc}{J}_B+J_A& J_B& J_B\\ J_C& J_C+J_A& J_C\\ J_D& J_D& J_D+J_A\end{array}\right]---\left(1\right)$

$B=\left[\begin{array}{ccc}{J}_B*J_A& 0& 0\\ 0& J_C*J_A& 0\\ 0& 0& J_D*J_A\end{array}\right]---\left(2\right)$

$C=\mathrm{inv}\left(A\right)*B=\left[\begin{array}{ccc}{c}_{B,B}& c_{B,C}& c_{B,D}\\ c_{C,B}& c_{C,C}& c_{C,D}\\ c_{D,B}& c_{D,C}& c_{D,D}\end{array}\right]$

式（1）-式（3）中，J_i为转鼓i的等效惯量，（i=A、B、C、D），inv(A)为矩阵A的逆矩阵。 

本实施例中设转鼓B，转鼓C和转鼓D的目标速度分别为： 

速度跟随PID控制器i依据设定的转鼓i的目标速度值，控制电机i的交流电压频率，从而控制转鼓i的速度，使转鼓i的实际速度与其目标速度趋于一致。实际运用时通过调整速度跟随PID控制器的控制参数，使得转鼓的实际速度能够迅速、准确的达到目标值。（所述i=B、C、D） 

关于转鼓B，转鼓C和转鼓D的目标速度不直接设定为v_A以及其设定方法的分析如下： 

转鼓及车轮受力如图1所示，根据底盘测功系统转鼓和车轮动力学分析有： 

$J_r\·{\stackrel{\·}{\mathrm{\ω}}}_r=T_t-F_x\·r---\left(5\right)$

$J_R\·{\stackrel{\·}{\mathrm{\ω}}}_R=F_x\·R-T---\left(6\right)$

v=ω_r·r=ω_R·R    （7） 

式（5）-式（7）中，J_r为车轮及传动部分的等效转动惯量；J_R为转鼓的转动惯量；r为车轮半径；R为转鼓半径；T_t为车轮的驱动力矩；T为转鼓的加载力矩；ω_r为车轮角速度；ω_R为转鼓角速度；v为转鼓表面线速度，F_x为车轮与转鼓间的摩擦力。 

由式（5）-式（7）可得： 

$(\frac{J_r}{r^2}+\frac{J_R}{R^2})\stackrel{\·}{v}=\frac{T_t}{r}-\frac{T}{R}---\left(8\right)$

令 $J=\frac{J_r}{r^2}+\frac{J_R}{R^2},$ 则有： $J\·\stackrel{\·}{v}=\frac{T_t}{r}-\frac{T}{R}---\left(9\right)$

对于本实施例中的转鼓A，转鼓B，转鼓C和转鼓D，则有： 

$J_i\·{\stackrel{\·}{v}}_i=\frac{T_{\mathrm{ti}}}{r}-\frac{T_i}{R},i=A,B,C,D---\left(10\right)$

且：

由式（10）和式（11）可得： 

令    $B=\left[\begin{array}{ccc}{J}_B*J_A& 0& 0\\ 0& J_C*J_A& 0\\ 0& 0& J_D*J_A\end{array}\right],$ $A=\left[\begin{array}{ccc}{J}_B+J_A& J_B& J_B\\ J_C& J_C+J_A& J_C\\ J_D& J_D& J_D+J_A\end{array}\right],$ 则式（12）的矩阵形式为： 

由式（13）可以看出，在    $A\≠\left[\begin{array}{ccc}1& 0& 0\\ 0& 1& 0\\ 0& 0& 1\end{array}\right]$ 的情况下各转鼓之间存在加载力矩的耦合，即改变某一转鼓加载力矩的大小，不仅会改变该转鼓的速度大小，同时还会引起其他转鼓的速度变化。因此，若采用传统方法，为保证各转鼓转速同步，直接将转鼓B，转鼓C和转鼓D的目标速度设定为v_A，在对各转鼓的实际转速进行调整时，为避免各转鼓控制的振荡，需要对各转鼓速度跟随PID控制器的PID控制参数以及转鼓A的PID控制参数统一协调调整，这对于多电机控制系统来说尤为困难。 

因此，为避免各转鼓PID控制的振荡，本方案对各转鼓控制系统进行解耦，具体如下： 

变换式（13）为： 

令    $C=A^{-1}B=\left[\begin{array}{ccc}{c}_{B,B}& c_{B,C}& c_{B,D}\\ c_{C,B}& c_{C,C}& c_{C,D}\\ c_{D,B}& c_{D,C}& c_{D,D}\end{array}\right],$ 则式（14）即为： 

上式的左边为： 

$C\·\left[\begin{array}{c}({\stackrel{\·}{v}}_B-{\stackrel{\·}{v}}_A)\\ ({\stackrel{\·}{v}}_C-{\stackrel{\·}{v}}_A)\\ ({\stackrel{\·}{v}}_D-{\stackrel{\·}{v}}_A)\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}{c}_{B,B}& c_{B,C}& c_{B,D}\\ c_{C,B}& c_{C,C,}& c_{C,D}\\ c_{D,B}& c_{D,C}& c_{D,D}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}({\stackrel{\·}{v}}_B-{\stackrel{\·}{v}}_A)\\ ({\stackrel{\·}{v}}_C-{\stackrel{\·}{v}}_A)\\ ({\stackrel{\·}{v}}_D-{\stackrel{\·}{v}}_A)\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}{c}_{B,B}({\stackrel{\·}{v}}_B-{\stackrel{\·}{v}}_A)+c_{B,C}({\stackrel{\·}{v}}_C-{\stackrel{\·}{v}}_A)+c_{B,D}({\stackrel{\·}{v}}_D-{\stackrel{\·}{v}}_A)\\ c_{C,B}({\stackrel{\·}{v}}_B-{\stackrel{\·}{v}}_A)+c_{C,C}({\stackrel{\·}{v}}_C-{\stackrel{\·}{v}}_A)+c_{C,D}({\stackrel{\·}{v}}_D-{\stackrel{\·}{v}}_A)\\ c_{D,B}({\stackrel{\·}{v}}_B-{\stackrel{\·}{v}}_A)+c_{D,C}({\stackrel{\·}{v}}_C-{\stackrel{\·}{v}}_A)+c_{D,D}({\stackrel{\·}{v}}_D-{\stackrel{\·}{v}}_A)\end{array}\right]$

以第一行第一列为例： 

$c_{B,B}({\stackrel{\·}{v}}_B-{\stackrel{\·}{v}}_A)+c_{B,C}({\stackrel{\·}{v}}_C-{\stackrel{\·}{v}}_A)+c_{B,D}({\stackrel{\·}{v}}_D-{\stackrel{\·}{v}}_A)$

$=\frac{1}{c_{B,B}}[({\stackrel{\·}{v}}_B-{\stackrel{\·}{v}}_A)+\frac{c_{B,C}}{c_{B,B}}({\stackrel{\·}{v}}_C-{\stackrel{\·}{v}}_A)+\frac{c_{B,D}}{c_{B,B}}({\stackrel{\·}{v}}_D-{\stackrel{\·}{v}}_A)]$

$=\frac{1}{c_{B,B}}[{\stackrel{\·}{v}}_B-({\stackrel{\·}{v}}_A-(\frac{c_{B,C}\·({\stackrel{\·}{v}}_C-{\stackrel{\·}{v}}_A)}{c_{B,B}}+\frac{c_{B,D}\·({\stackrel{\·}{v}}_D-{\stackrel{\·}{v}}_A)}{c_{B,B}}))]$

通过上述分析后可将各转鼓的目标速度按式（15）进行设定，然后再调整各转鼓的实际速度，使其与目标速度一致，最终保证各转鼓转速同步。 

可见，为避免各转鼓PID控制的振荡，转鼓速度跟随控制的目标速度不仅与v_A有关，同时还是其他转鼓速度的组合。经此处理，可以实现各转鼓控制系统的解耦和相互独立。 

基于上述原理的双轴独立电机底盘测功系统的行驶阻力模拟控制系统如图5所示。该控制系统包括行驶阻力模拟控制器、力矩PID控制器、速度跟随PID控制器B、速度跟随PID控制器C和速度跟随PID控制器D，其中力矩PID控制器用于控制电机A及转鼓A，速度跟随PID控制器B用于控制电机B及转鼓B，速度跟随PID控制器C用于控制电机C及转鼓C，速度跟随PID控制器D用于控制电机D及转鼓D。 

采用该系统进行双轴独立电机底盘测功系统行驶阻力模拟的过程为： 

（1）行驶阻力模拟控制器分别采集四个转鼓的当前速度：v_A、v_B、v_C、v_D； 

（2）行驶阻力模拟控制器依据式（15）分别计算转鼓B的目标速度V_B目标、转鼓C目标速度V_C目标和转鼓D的目标速度V_D目标，并将V_B目标输入至速度跟随PID控制器B，将V_C目标输入至速度跟随PID控制器C，将V_D目标输入至速度跟随PID控制器D。 

（3）速度跟随PID控制器B依据目标速度V_B目标和转鼓B当前速度v_B的速度差，进行PID频率输出速度控制，即调节电机B的交流电压频率，从而控制转鼓B的速度，使转鼓B的实际速度与其目标速度V_B目标趋于一致。所述转鼓C和转鼓D的速度采用同样方法进行调节。 

（4）行驶阻力模拟控制器同时分别采集转鼓B的加载力矩T_B、转鼓C的加载力矩T_C和转鼓D的加载力矩T_D，然后将T_总-(T_B+T_C+T_D)作为转鼓A的目标加载力矩（其中T_总为所需加载的行驶总阻力），力矩PID控制器根据该目标加载力矩与转鼓A当前的载入力矩的力矩差，进行转鼓PID电流输出力矩控制，即控制电机A的驱动电流，从而控制转鼓A的力矩值，使转鼓A的实际力矩与目标加载力矩趋于一致。 

本发明通过行驶阻力力矩+速度跟随控制方法，同时设定目标速度为其他转鼓速度的线性组合，以使系统力矩控制转鼓PID参数的调整和速度控制转鼓PID参数的调整相互独立。 

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。 

Claims (2)

1.多轴独立电机底盘测功系统行驶阻力模拟加载方法，其特征在于：设所述多轴独立电机底盘测功系统具有n个独立的电机，每个电机驱动一个转鼓，n为大于等于2的整数；对所述n个电机中的任意一个电机采用行驶阻力力矩控制方法控制，其余（n-1）个电机采用速度跟随控制方法控制；

设采用行驶阻力力矩控制方法进行控制的电机为电机D₁，电机D₁驱动转鼓Z₁；采用速度跟随控制方法控制的电机为电机D_i，电机D_i驱动转鼓Z_i，2≤i≤n；

所述行驶阻力力矩控制方法为：

首先设定转鼓Z₁的目标加载力矩T_1目标为：

式（1）中T_总为车辆总行驶阻力矩；T_i为转鼓Z_i的当前加载力矩；

然后控制电机D₁的驱动电流，使转鼓Z₁的实际力矩与目标加载力矩T_1目标趋于一致；

所述速度跟随控制方法：

设定转鼓Z_i的目标速度V_i目标为：

式（2）中

其中

2≤k≤n，且k≠i；

式（3）中，inv(A)为矩阵A的逆矩阵，矩阵A和矩阵B中j_i为转鼓Z_i的等效惯量，j₁为转鼓Z₁的等效惯量；式（2）中，v_k为转鼓Z_k的当前速度，v₁为转鼓Z₁的当前速度；

然后控制电机D_i的交流电压频率，使转鼓Z_i的实际速度与其目标速度V_i目标趋于一致。

2.多轴独立电机底盘测功系统的行驶阻力模拟加载系统，其特征在于：设所述多轴独立电机底盘测功系统具有n个独立的电机，每个电机驱动一个转鼓，n为大于等于2的整数；则所述行驶阻力模拟加载系统包括：行驶阻力模拟控制器、力矩PID控制器和（n-1）个速度跟随PID控制器；

其中所述力矩PID控制器控制电机D₁，实现对电机D₁的行驶阻力力矩控制；所述电机D₁为n个电机中的任意一个电机，电机D₁驱动转鼓Z₁；其余（n-1）个电机中，每个电机采用一个速度跟随PID控制器控制；设采用速度跟随PID控制器控制的电机为电机D_i，速度跟随PID控制器S_i控制电机D_i，电机D_i驱动转鼓Z_i，2≤i≤n；

所述行驶阻力模拟控制器分别采集转鼓Z₁的当前速度v₁和转鼓Z_i的当前速度v_i后，计算转鼓Z_i的目标速度V_i目标，然后将计算得到的转鼓Z_i的目标速度V_i目标发送给与转鼓Z_i对应的速度跟随PID控制器S_i；所述速度跟随PID控制器S_i接收到目标速度V_i目标后，依据目标速度V_i目标与转鼓Z_i当前速度v_i的速度差，调节电机D_i的交流电压频率，从而控制转鼓Z_i的速度，使转鼓Z_i的实际速度与其目标速度V_i目标趋于一致；

所述行驶阻力模拟控制器采集转鼓V_i目标的加载力矩T_i后，计算转鼓Z₁的目标加载力矩T_1目标，然后将计算得到的目标加载力矩T_1目标发送给力矩PID控制器，其中T_总为车辆的行驶总阻力矩；所述力矩PID控制器接收到目标加载力矩T_1目标后，依据目标加载力矩T_1目标与转鼓Z₁当前的载入力矩的力矩差，控制电机D₁的驱动电流，从而控制转鼓Z₁的力矩值，使转鼓Z₁的实际力矩与目标加载力矩趋于一致。

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