CN105416094B - 自卸车轴间功率分配及差速控制的方法 - Google Patents

Abstract

一种全轮驱动的自卸车轴间功率分配及差速控制的方法，通过监测自卸车的发电机的实时输出功率，计算自卸车的轮轴的实时可利用总功率，通过车载称重系统来计算获取轴重比例将总功率进行分配，然后将各排轮的电机根据分配所得的实时功率以及同轴两轮采用等转矩控制的控制方法，计算各轮驱动电机输入的驱动转矩目标值，该方法能实现轴间功率的自适应分配及自适应差速，其中，轮轴可利用的总功率在轴间按照轴重比例分配能从原理上减少驱动轮打滑或者空转发生的可能性，减少打滑或者空转发生时功率的大幅度流失，且能更好地利用路面附着力极限值，提高自卸车的动力性及制动性，减小转向时的侧滑。

Description

自卸车轴间功率分配及差速控制的方法

技术领域

本发明涉及电动轮自卸车研究领域，具体涉及一种全轮驱动的自卸车轴间功率分配及差速控制的方法。

背景技术

传统的机械传动车辆靠差速器来实现各轮转速与相应轮心速度的协调。对电动轮驱动的自卸车，各车轮之间没有机械连接，运动状态相互独立，为了保证转向或在不平路面上行驶时驱动轮之间不产生拖滑而使车辆失去地面牵引力及轮胎的过度磨损，需采用精确的模型或者有效的策略进行差速控制，差速控制是轮边电驱动车辆设计的关键技术之一，也是电动轮驱动汽车的整车控制系统必须解决的问题。

等转矩控制是以电机的驱动转矩为控制参数，而不对各个车轮的转速进行控制，使各轮转速随各轮的受力状态自由转动。电动轮的运动学方程可由下式表示：

式中，I_w表示车轮转动惯量，w表示车轮转速，T_m表示电机输出转矩，i_g表示电动轮传动比，F_d表示车轮与路面间的路面摩擦力，r_w表示车轮滚动半径，T_b表示制动力矩。由上式可以得出，只要电动轮输出驱动转矩T_mi_g没有超过车轮与路面之间的附着力力矩极限时(为简化分析，假设车辆不进行制动，此时制动力矩为0)，路面摩擦力矩必定与车轮驱动力矩平衡，而电动轮系统的转速则由该受力平衡点决定，自动适应转向时的行驶工况。由于每个电动轮运动学状态相互独立，均可以自由转动，各轮转速均自动适应转向时的路面情况，因此，不存在各车轮间转速不协调而引起的差速问题，故等转矩控制策略能满足差速控制的要求，实现自适应差速。由于该等转矩控制的理论已经得到成熟应用，本说明书不对该控制理论进行深入说明。

另外，采用等转矩控制作为整车差速控制策略，整车控制系统不必再针对差速问题设计电子差速控制器。

全轮驱动的电动轮自卸车与后轮电驱动或者前轮电驱动的车辆不同(本发明适用于全轮驱动的电动轮车辆，该说明书以已经应用该发明的中国中车广州电力机车有限公司的六轮全驱动的SCT-A261型铰接式电动轮自卸车为例进行说明(该自卸车的结构如说明书附图1所示))，没有分动器对功率或者转矩进行轴间分配，而采用等转矩控制策略进行控制时，可以是同轴的两车轮采用等转矩控制，也可以是所有驱动轮或者各轴间全部为等转矩进行控制，因此，整车控制中出现了新的问题，即该车是不是该对总功率或者总转矩在轴间按照某个比例进行分配，该问题实际上属于牵引力控制的范畴，但也是全轮驱动的车辆采用等转矩控制作为差速控制策略时必须考虑的问题。实际上，四轮、六轮、八轮甚至更多轮的全轮驱动的整车差速控制与牵引力控制、制动控制是息息相关的。例如，转向时，电动轮输出的驱动力超出路面附着极限而出现打滑时，此时便不是差速控制可以解决的问题了，属于牵引力控制的范畴。

将轮轴利用的总功率在轴间按照轴重比例进行分配的必要性及好处：

第一，若将轮轴可利用的实时总功率先在轴间进行分配，然后，再进行等转矩控制，则可以防止打滑或者空转发生时功率的大幅度流失。自卸车在进行等转矩控制前若不进行功率分配，则各驱动轮的转矩值计算可表示为P_总表示可利用的轮轴实时总功率(发电机输出的功率折算到六个电机的输入总功率)；n_i表示各驱动电机的转速；T_i表示各电机的输入转矩值。当某个驱动轮发生打滑或者空转时，该轮的转速将急剧上升，而采用等转矩控制时，各驱动电机的输出转矩值相等，由式可知，则发生打滑或者空转的电机的功率将急剧上升，远大于其他各轮的输出功率。此过程可以视为，打滑或者空转发生时，功率将从其它驱动轮大幅度地流向打滑轮或者空转车轮，造成功率大幅度地流失并且丧失动力。若转向轮打滑或者空转，则易丧失转向能力；若中后轮打滑或者空转，则易失去侧向稳定性，出现“甩尾”等现象，危及车辆的行驶安全性。

而若将可利用的轮轴实时总功率首先在轴间进行分配，相当于将各轴的可利用功率进行了相互隔离，防止功率循环。当某轴的驱动轮打滑或者空转发生时，功率的流失也只限制在该轴的两车轮之间发生，对其他轴输入功率以及动力输出没有影响。

另外，传统意义上机械传动的全轮驱动车辆亦将转矩或者功率在轴间按比例进行实时分配，除实现牵引力控制的目的外，亦是防止轴间功率循环。而针对全轮驱动的电动轮车辆，目前却没有对其功率或者转矩分配的机制对整车产生的相关影响进行研究。

因此，综述所述，将轮轴可利用的实时总功率在全轮驱动的自卸车的各个轴间进行分配是有利的且必要的。

第二，若将轮轴可利用的总功率根据轴重比例的不同在自卸车的各个轴间进行分配，则各车轮可以更好地利用路面提供的附着力极限值，减小打滑的可能，提高整车的动力性、制动性。由轮胎的动力学原理可以知道，车轮输出的驱动力或者制动力大于路面提供的附着力极限值时，车轮则出现打滑现象。而车辆不同装载情况下(比如满载与空载)，自卸车各个轴的轴重不同(轴重定义为同轴车轮所受垂直载荷之和)，根据式F_{x_max}＝F_z·μ，(式中，F_{x_max}表示车轮附着力的极限值，F_z表示车轮的垂直载荷，μ表示路面附着系数)可知，各轮附着力的极限值与各轮的垂直载荷成正比，因此，轴重越大，路面可提供给各个轴的路面附着力极限值越大，即各轮可输出更大的驱动力或者制动力而不出现打滑。铰接车在不同的运载工况下(比如满载与空载)，各轴的轴荷发生很大改变，因此，各轴驱动轮的附着力极限值是不同的。例如，经实验测试，铰接车满载时，货箱的重量几乎全部由后面四轮承担，大大增大了中后轴各轮的垂直载荷，而前轴两轮的垂直载荷变动不大。因此，自卸车装载后中后轴各驱动轮相对前轴各轮或者空载时各轮将有更高附着力极限值。而空载时前轴相对中轴和后轴的具有更大的轴重，因此，空载时前轴相对中轴和后轴具有更大的附着力极限值。因此，在自卸车重载时，将功率更多地分配给中后轴更为合理，以更好地利用路面提供的更大的驱动力或者制动力极限值，提高自卸车的运载能力。综上分析可以得知，不同装载工况下，各轴轴重比例不同，各轴的附着力极限力也不同，若能根据轴重比例分配轮轴可利用的轴间总功率，则可在不同工况下更好地利用路面附着力极限值，更好地输出功率，在输出大的驱动力或者制动力时可减少打滑发生的可能，动力性或者制动性能更好。

第三，在装载工况下，若能提高中后轴的实时功率分配比例，则可减小自卸车的侧滑，提高整车的侧向稳定性。根据轮胎力学中的摩擦圆理论，驱动轮的纵向力与附着力极限值的比值越大，车轮的实时侧向力将减小。侧向力与纵向力的关系如说明书附图2所示。垂直载荷越大，附着力极限值则越高，车辆输出同样的纵向力(驱动力或者制动力)，驱动轮的纵向力与附着力极限值的比值则相对越小，路面可提供的实时侧向力比例将增大，因此，车辆在转向时，路面可以提供足够的侧向力以满足车辆的转向需要，减小侧滑，提高车辆的侧向稳定性；否则，车辆容易产生侧滑。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种对自卸车轴间功率分配及差速控制进行方便有效实施的自卸车轴间功率分配及差速控制的方法。

为了解决上述技术问题，本发明包括下列几个步骤：

A、监测自卸车的发电机的实时输出功率P_发；

B、计算自卸车的轮轴的实时可利用总功率P_总，P_总＝P_发×η_变×η_M，式中η_变为变流器的效率，η_M为电机的效率；

C、在自卸车装载完成以及卸载完成后，通过车载称重系统来计算获取轴重比例，表示为1：a：b；

D、根据自卸车的实时轴重的比例1：a：b,将总功率P_总在自卸车轴间按照1：a：b的比例进行分配，其中，根据实车测试数据，a的取值范围为是0.4～1.6，b数值的范围是0.4～1.6：

(1)计算前排轮两电机的输入总功率P₁，计算公式为

(2)计算中排轮两电机的输入总功率P₂，计算公式为

(3)计算后排轮两电机的输入总功率P₃，计算公式为

E、各排轮的电机根据分配所得的实时功率以及同轴两轮采用等转矩控制的控制方法，计算各轮驱动电机输入的驱动转矩目标值：

(1)(1)计算输入前排轮电机1的转矩目标值T₁与前排轮电机2的转矩目标值T₂：控制器通过检测前排轮电机1和前排轮电机2的转速n₁和n₂，再结合当前按轴重比例分配的功率P₁，计算出输入前排轮电机1和前排轮电机2的转矩的目标值T₁和T₂，控制器可以使前排轮电机1和前排轮电机2高精度地跟随输出该时刻的输入转矩T₁和T₂，然后，驱动前排轮电机1和前排轮电机2分别跟随输出该输入的驱动转矩T₁和T₂后，两前排轮电机的转速自适应产生n₁和n₂，然后被检测，反馈回控制器，控制器再结合当前时刻前排轮电机的输入功率P₁，计算出下一时刻输入的前排轮电机1和前排轮电机2的转矩目标值T₁和T₂；

(2)计算输入中排轮电机3的转矩目标值T₃与中排轮电机4的转矩目标值T₄：控制器通过检测中排轮电机3和中排轮电机4的转速n₃和n₄，再结合当前按轴重比例分配的功率P₂，可以计算出输入中排轮电机3和中排轮电机4的转矩的目标值T₃和T₄，然后，驱动中排轮电机3和中排轮电机4分别跟随输出该输入的驱动转矩T₃和T₄后”，两中排轮电机的转速自适应产生n₃和n₄，然后被检测，反馈回控制器，控制器再结合当前时刻中排轮电机的输入功率P₂，计算出下一时刻输入的中排轮电机3和中排轮电机4的转矩目标值T₃和T₄；

(3)计算输入后排轮电机5的转矩的目标值T₅与后排轮电机6的转矩的目标值T₆：控制器通过检测后排轮电机5和后排轮电机6的转速n₅和n₆，再结合当前按轴重比例分配的输入功率P₃，可以计算出输入后排轮电机5和后排轮电机6的转矩目标值T₅和T₆，然后，驱动后排轮电机5和中排轮电机6分别跟随输出该输入的驱动转矩T₅和T₆后，后排轮电机5和后排轮电机6的转速自适应产生n₅和n₆，被检测后，反馈回控制器，控制器再结合当前时刻后排轮电机的输入功率P₃，计算出下一时刻的输入后排轮电机5和后排轮电机6的转矩目标值T₅和T₆。

作为本发明的进一步改进，在步骤C中：通过车载称重系统监测自卸车的实时装载量，划定自卸车的装载重量区间，然后在水平地面上使自卸车装载不同重量的砝码或者重物，测定自卸车对应的轴重比例并记录，制作成表格输入控制器，自卸车装载货物完成后，车载称重系统测取实时装载量，通过查表格，根据实时装载量对应表格中的装载重量区间并获取轴重比例1：a：b。

作为本发明的进一步改进，在步骤C中：通过车载称重系统监测自卸车各轴驱动轮上油气悬架的压力值，实时计算出整车各轴的实时轴重比例1：a：b。

综合背景技术中的分析及以上所述，本发明的优点是对自卸车轴间功率分配及差速控制提供了实用有效且可靠的方法，该方法能实现轴间功率的自适应分配及自适应差速，其中，轮轴可利用的总功率在轴间按照轴重比例分配能从原理上减少驱动轮打滑或者空转发生的可能性，减少打滑或者空转发生时功率的大幅度流失，且能更好地利用路面附着力极限值，提高自卸车的动力性及制动性，减小转向时的侧滑。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式来对本发明做进一步详细的说明。

图1为全轮驱动的电动轮自卸车的结构简图。

图2为本发明的轴间功率分配与等转矩控制程序流程图。

图3为某工况下各驱动轮的转速曲线。

图4为某工况下各驱动轮的功率曲线。

图5为采用功率分配及差速控制的自卸车与全轮等转矩控制的自卸车的行驶轨迹对比曲线。

具体实施方式

参照图2，为了解决上述技术问题，本发明包括下列几个步骤：

A、监测自卸车的发电机的实时输出功率P_发；

B、计算自卸车的轮轴的实时可利用总功率P_总，P_总＝P_发×η_变×η_M，式中η_变为变流器的效率，η_M为电机的效率；

C、在自卸车装载完成以及卸载完成后，通过车载称重系统监测自卸车的实时装载量，划定自卸车的装载重量区间，然后在水平地面上使自卸车装载不同重量的砝码或者重物，测定自卸车对应的轴重比例并记录，制作成表格输入控制器，自卸车装载货物完成后，车载称重系统测取实时装载量，通过查表格，根据实时装载量对应表格中的装载重量区间并获取整车各轴的实时轴重比例(轴重等于自卸车同轴车轮的垂直载荷之和)，表示为1：a：b；

D、根据自卸车的实时轴重的比例1：a：b,将总功率P_总在自卸车轴间按照1：a：b的比例进行分配，其中，根据实车测试数据，a的取值范围为是0.4～1.6，b数值的范围是0.4～1.6：

(1)计算前排轮两电机的输入总功率P₁，计算公式为

(2)计算中排轮两电机的输入总功率P₂，计算公式为

(3)计算后排轮两电机的输入总功率P₃，计算公式为

E、各排轮的电机根据分配所得的实时功率以及同轴两轮采用等转矩控制的控制方法，计算各轮驱动电机输入的驱动转矩目标值：

(1)计算输入前排轮电机1的转矩目标值T₁与前排轮电机2的转矩目标值T₂：控制器通过检测前排轮电机1和前排轮电机2的转速n₁和n₂，再结合当前按轴重比例分配的功率P₁，计算出输入前排轮电机1和前排轮电机2的转矩的目标值T₁和T₂，控制器可以使前排轮电机1和前排轮电机2高精度地跟随输出该时刻的输入转矩T₁和T₂，然后，驱动前排轮电机1和前排轮电机2分别跟随输出该输入的驱动转矩T₁和T₂后，两前排轮电机的转速自适应产生n₁和n₂，然后被检测，反馈回控制器，控制器再结合当前时刻前排轮电机的输入功率P₁，计算出下一时刻输入的前排轮电机1和前排轮电机2的转矩目标值T₁和T₂；

(2)计算输入中排轮电机3的转矩目标值T₃与中排轮电机4的转矩目标值T₄：控制器通过检测中排轮电机3和中排轮电机4的转速n₃和n₄，再结合当前按轴重比例分配的功率P₂，可以计算出输入中排轮电机3和中排轮电机4的转矩的目标值T₃和T₄，然后，驱动中排轮电机3和中排轮电机4分别跟随输出该输入的驱动转矩T₃和T₄后”，两中排轮电机的转速自适应产生n₃和n₄，然后被检测，反馈回控制器，控制器再结合当前时刻中排轮电机的输入功率P₂，计算出下一时刻输入的中排轮电机3和中排轮电机4的转矩目标值T₃和T₄；

(3)计算输入后排轮电机5的转矩的目标值T₅与后排轮电机6的转矩的目标值T₆：控制器通过检测后排轮电机5和后排轮电机6的转速n₅和n₆，再结合当前按轴重比例分配的输入功率P₃，可以计算出输入后排轮电机5和后排轮电机6的转矩目标值T₅和T₆，然后，驱动后排轮电机5和中排轮电机6分别跟随输出该输入的驱动转矩T₅和T₆后，后排轮电机5和后排轮电机6的转速自适应产生n₅和n₆，被检测后，反馈回控制器，控制器再结合当前时刻后排轮电机的输入功率P₃，计算出下一时刻的输入后排轮电机5和后排轮电机6的转矩目标值T₅和T₆。

实车验证发现，自卸车采用该发明后实时性强，在不同的转向角输入、不同的油门踏板输入、路面附着发生复杂变化的情况下，可以实现自适应差速，同时能使驱动电机的实际输出转矩高精度地跟随输入，并在同轴两驱动电机间实现功率自适应分配。建立整车的动力学仿真模型，仿真分析得出图3至图5曲线。如图3所示，为某转向工况下自卸车的各驱动轮的转速曲线，包括驱动左前轮的转速曲线7、驱动右前轮的转速曲线8、驱动左中轮的转速曲线9、驱动右中轮的转速曲线10、驱动左后轮的转速曲线11、驱动右后轮的转速曲线12；如图4所示，某转向工况下自卸车的各驱动轮的功率曲线，包括驱动左前轮的功率曲线13、驱动右前轮的功率曲线14、驱动左中轮的功率曲线15、驱动右中轮的功率曲线16、驱动左后轮的功率曲线17、驱动右后轮的功率曲线18。在相同的输入情况下(相同的转向角输入、油门踏板输入等)，将采用轴间功率分配及差速控制的自卸车进行稳态转向，并与所有驱动轮均采用等转矩控制并进行稳态转向的自卸车进行对比分析，如图5所示，图中曲线19表示采用轴间功率分配及差速控制的自卸车的行驶轨迹，图中曲线20表示采用全轮等转矩控制的自卸车的行驶轨迹，可以得知，采用轴间功率分配及差速控制的自卸车行驶轨迹更为收敛，半径变化小，自卸车能减小转向时的侧滑(分析所用的自卸车具有轻微的转向不足)，动力学性能更好。综合图3、图4、图5和理论分析以及实车实验验证可知，该种自卸车轴间功率分配及差速控制的方法能实现轴间功率的自适应分配及自适应差速，并且，将轮轴可利用的总功率在轴间按照轴重比例进行分配能从原理上减少驱动轮打滑或者空转发生的可能性，抑制打滑或者空转发生时功率的大幅度流失，且能在驱动轮输出较大驱动力或制动力时更好地利用路面附着力极限值，提高自卸车的动力性、制动性，减小车轮的侧滑，提高整车的侧向稳定性。

Claims (3)

1.一种自卸车轴间功率分配及差速控制的方法，其特征在于，包括以下几个步骤：

A、监测自卸车的发电机的实时输出功率P_发；

B、计算自卸车的轮轴的实时可利用总功率P_总，P_总＝P_发×η_变×η_M，式中η_变为变流器的效率，η_M为电机的效率；

C、在自卸车装载完成以及卸载完成后，通过车载称重系统来计算获取整车各轴的实时轴重比例，表示为1：a：b；

D、根据自卸车的实时轴重的比例1：a：b,将总功率P_总在自卸车轴间按照1：a：b的比例进行分配，其中，根据实车测试数据，a的取值范围为是0.4～1.6，b数值的范围是0.4～1.6：

(1)计算前排轮两电机的输入总功率P₁，计算公式为

(2)计算中排轮两电机的输入总功率P₂，计算公式为

(3)计算后排轮两电机的输入总功率P₃，计算公式为

E、各排轮的电机根据分配所得的实时功率以及同轴的两轮采用等转矩的控制方法，计算各轮驱动电机输入的驱动转矩目标值：

(1)计算输入前排轮电机1的转矩目标值T₁与前排轮电机2的转矩目标值T₂：控制器通过检测前排轮电机1和前排轮电机2的转速n₁和n₂，再结合当前按轴重比例分配的功率P₁，计算出输入前排轮电机1和前排轮电机2的转矩的目标值T₁和T₂，控制器可以使前排轮电机1和前排轮电机2高精度地跟随输出该时刻的输入转矩T₁和T₂，然后，驱动前排轮电机1和前排轮电机2分别跟随输出该输入的驱动转矩T₁和T₂后，两前排轮电机的转速自适应产生n₁和n₂，然后被检测，反馈回控制器，控制器再结合当前时刻前排轮电机的输入功率P₁，计算出下一时刻输入的前排轮电机1和前排轮电机2的转矩目标值T₁和T₂；

(2)计算输入中排轮电机3的转矩目标值T₃与中排轮电机4的转矩目标值T₄：控制器通过检测中排轮电机3和中排轮电机4的转速n₃和n₄，再结合当前按轴重比例分配的功率P₂，可以计算出输入中排轮电机3和中排轮电机4的转矩的目标值T₃和T₄，然后，驱动中排轮电机3和中排轮电机4分别跟随输出该输入的驱动转矩T₃和T₄后，两中排轮电机的转速自适应产生n₃和n₄，然后被检测，反馈回控制器，控制器再结合当前时刻中排轮电机的输入功率P₂，计算出下一时刻输入的中排轮电机3和中排轮电机4的转矩目标值T₃和T₄；

(3)计算输入后排轮电机5的转矩的目标值T₅与后排轮电机6的转矩的目标值T₆：控制器通过检测后排轮电机5和后排轮电机6的转速n₅和n₆，再结合当前按轴重比例分配的输入功率P₃，可以计算出输入后排轮电机5和后排轮电机6的转矩目标值T₅和T₆，然后，驱动后排轮电机5和中排轮电机6分别跟随输出该输入的驱动转矩T₅和T₆后，后排轮电机5和后排轮电机6的转速自适应产生n₅和n₆，被检测后，反馈回控制器，控制器再结合当前时刻后排轮电机的输入功率P₃，计算出下一时刻的输入后排轮电机5和后排轮电机6的转矩目标值T₅和T₆。

2.按权利要求1所述的自卸车轴间功率分配及差速控制的方法，其特征在于：在步骤C中：通过车载称重系统监测自卸车的实时装载量，划定自卸车的装载重量区间，然后在水平地面上使自卸车装载不同重量的砝码或者重物，测定自卸车对应的轴重比例并记录，制作成表格输入控制器，自卸车装载货物完成后，车载称重系统测取实时装载量，通过查表格，根据实时装载量对应表格中的装载重量区间并获取整车各轴的实时轴重比例1：a：b。

3.按权利要求1所述的自卸车轴间功率分配及差速控制的方法，其特征在于：在步骤C中：通过车载称重系统监测自卸车各轴驱动轮上油气悬架的压力值，实时计算出整车各轴的实时轴重比例1：a：b。