電傳動履帶裝甲車輛基本運動性能仿真

廖自力，張 杰，陽貴兵，張曉峰

（裝甲兵工程學(xué)院 控制工程系，北京 100072）

1 引言

隨著電力技術(shù)的發(fā)展，電傳動由于響應(yīng)速度快和可以實現(xiàn)動力的無級傳遞等優(yōu)點在履帶裝甲車輛上的應(yīng)用受到了廣泛的重視[1]。目前在國外，軍用裝甲車輛電傳動的仿真研究非?；钴S，如文獻[2]利用Matlab/Simulink對整車電傳動系統(tǒng)的建模和仿真以及美國軍隊研究實驗室為全電戰(zhàn)斗車輛設(shè)計的一種綜合仿真平臺等[2]。在整車動力學(xué)的建模和仿真上，各國均采用多體動力學(xué)分析軟件對裝甲車輛的動力學(xué)進行仿真和研究。而利用虛擬樣機技術(shù)可以將多個領(lǐng)域的的模型進行聯(lián)合仿真，能夠更好地為原理樣機的研制提供技術(shù)支撐，同時可以減小風險投入，提前對系統(tǒng)的性能進行預(yù)測和評估，更好地為研發(fā)人員改進樣機的設(shè)計提供參考[3]。利用Matlab和RecurDyn軟件構(gòu)建了電傳動履帶裝甲車輛虛擬樣機模型，通過對該模型進行聯(lián)合仿真，評估并驗證了電傳動履帶裝甲車輛的基本運動性能。

2 電傳動方案及總體性能指標

表1 樣車的總體參數(shù)與性能指標Tab.1 The Overall Parameters and Performance Index of Sample Vehicle

履帶車輛主要應(yīng)用在復(fù)雜路況條件下，因此必須具有良好的運動性能。而采用何種電傳動方案對車輛的運動性能影響很大。目前，應(yīng)用在履帶車輛中的電傳動系統(tǒng)方案結(jié)構(gòu)主要有以下四種：串聯(lián)式雙側(cè)電機方案、串聯(lián)式雙電機綜合電傳動方案、混聯(lián)式混合驅(qū)動方案以及整體式混合驅(qū)動方案。由于串聯(lián)式雙側(cè)電機方案具有結(jié)構(gòu)簡單、節(jié)省空間、車內(nèi)布局靈活和系統(tǒng)可靠性高等優(yōu)點，因此選取串聯(lián)式雙側(cè)電機方案。按照電傳動履帶裝甲車輛的功能，同時以目前國內(nèi)外現(xiàn)有的履帶裝甲車輛的性能參數(shù)作為依據(jù)，根據(jù)實際應(yīng)用情況，設(shè)計并提出了樣車的總體參數(shù)和性能指標，如表1所示。

3 虛擬樣機建模

虛擬樣機建模主要包括：電機控制系統(tǒng)建模、車輛動力學(xué)建模和聯(lián)合仿真建模。

3.1 電機控制系統(tǒng)建模

直流無刷電機具有良好的調(diào)速能力、啟動轉(zhuǎn)矩大以及控制方便等優(yōu)點。因此，在車輛的電驅(qū)動系統(tǒng)中電機選擇無刷直流電機[4]。電機的性能參數(shù)選擇，如表2所示。

表2 電機的性能參數(shù)Tab.2 The Performance Parameters of Motor

3.1 .1電機建模

直流無刷電機的數(shù)學(xué)模型為：

（1）電壓方程

式中：ua、ub、uc—三相定子電壓；R—定子每相繞組的電阻；ia、ib、ic—三相定子電流；L—三相定子的自感；M—三相定子之間的互感；ea、eb、ec—三相定子的反電動勢。

（2）轉(zhuǎn)矩的特性方程：

式中：Te—電磁轉(zhuǎn)矩；ω—電機的機械角速度。

（3）電機運動方程

式中：TL—電機加載的轉(zhuǎn)矩；J—轉(zhuǎn)動慣量；Bv—黏滯摩擦系數(shù)。

式（1）、式（2）和式（3）共同組成了直流無刷電機的數(shù)學(xué)模型。

3.1 .2直流無刷電機控制系統(tǒng)模型

直流無刷電機在現(xiàn)代社會的各個領(lǐng)域應(yīng)用都比較廣泛，同時目前在直流無刷電機速度控制系統(tǒng)的研究上也有大量的成果，按照控制方法的不同基本分為開環(huán)控制和閉環(huán)控制兩大類[4-7]。其中最常用的就是雙閉環(huán)速度控制，內(nèi)環(huán)一般是電流環(huán)或者轉(zhuǎn)矩環(huán)，外環(huán)一般為速度環(huán)或者電壓環(huán)。

根據(jù)直流無刷電機的基本特性和數(shù)學(xué)模型，設(shè)計了其雙閉環(huán)控制系統(tǒng)模型，該模型基本框圖，如圖1所示。在系統(tǒng)中外環(huán)的速度環(huán)和內(nèi)環(huán)的電流環(huán)都采用了典型的PID調(diào)節(jié)器。

圖1 直流無刷電機控制系統(tǒng)基本框圖Fig．1 The Basic Skeleton Diagram of Brushless DC Motor Control System

3.2 車輛動力學(xué)建模

利用RecurDyn軟件搭建了樣車的動力學(xué)模型，主要由車體、推進部分以及懸掛部分組成。其中車體以某型履帶式裝甲車輛為參考，利用Solidworks軟件建立車輛的3D實體模型，然后導(dǎo)入RecurDyn中進行動力學(xué)建模；推進部分由主動輪、負重輪、履帶和履帶調(diào)節(jié)器等組成；懸掛裝置由減震器、平衡肘和連桿等組成[8]。兩個直流無刷電機通過固定約束連在車體上，主動輪通過旋轉(zhuǎn)副與電機的輸出軸相連，只要給主動輪上的旋轉(zhuǎn)副施加力矩就可以驅(qū)動車輛運動進行相關(guān)的仿真。采用三角片元素法生成路面模型，形成車輛—路面系統(tǒng)[9]。最后建立的樣車動力學(xué)模型，如圖2所示。

圖2 履帶裝甲車輛動力學(xué)模型Fig．2 The Dynamic Model of Tracked Armored Vehicle

3.3 聯(lián)合仿真建模

利用RecurDyn提供的軟件接口技術(shù)，可以將上述兩個模型進行聯(lián)合，組建初步的虛擬樣機模型來模擬車輛的運動情況[10-11]。聯(lián)合仿真的結(jié)果，如圖3所示。其中“drive”模塊的輸入分別為兩側(cè)電機的功率；模塊“motor_L”和“motor_R”分別為兩側(cè)的電機驅(qū)動系統(tǒng)；模塊“Gain1”、“Gain2”、“Gain3”和“Gain4”為電機減速器的傳動比；模塊“RecurDyn Plant Block”為車輛的多體動力學(xué)模型，將電機的輸出轉(zhuǎn)矩定義為該模塊的輸入變量，主動輪的角速度定義為輸出變量。

圖3 聯(lián)合仿真模型Fig．3 The Co-Simulation Model

4 聯(lián)合仿真分析

4.1 （0～32）km/h加速性能仿真

車輛改變速度的能力就是加速性能，能夠很好地體現(xiàn)出車輛的驅(qū)動性能。在戰(zhàn)場上，車輛的加速性越好，其作戰(zhàn)能力和生存能力就越強。根據(jù)我國裝甲車輛通用規(guī)范，主要對樣車（0～32）km/h的加速時間、加速度和加速距離進行仿真。

在附著系數(shù)為0．72、行駛阻力系數(shù)為0．04的水平良好堅硬路面上，忽略空氣阻力的影響，將加速踏板踩至最大，即給定驅(qū)動電機最大功率185kW，仿真結(jié)果，如圖4～圖6所示。

圖 5（0～32）km/h加速度曲線Fig．5 The Acceleration Curve of（0～32）km/h

圖4 （0～32）km/h車速曲線Fig．4 The Speed Curve of（0～32）km/h

圖6 （0～32）km/h加速距離曲線Fig．6 The Accelerate Distance Curve of（0～32）km/h

由加速曲線得到車輛加速到32km/h的時間是5s，加速度最大可以達到是4．4m/s2，加速距離是30m。因為在實際中，還需要綜合路面以及驅(qū)動效率等情況，車輛（0～32）km/h的加速時間為8s是符合實際的。傳統(tǒng)機械傳動履帶車輛（0～32）km/h的加速時間約為11．5s，相比之下電傳動車輛的加速性能具有明顯的優(yōu)勢。

在相同的功率條件下，隨著路面滾動阻力系數(shù)的增大，車輛（0～32）km/h的加速時間和加速距離相應(yīng)增加。

4.2 最高車速仿真

對樣車的最高車速進行仿真，可以驗證樣車的最高速度指標和極限速度下行駛的能力。

給定驅(qū)動電機最大功率185kW，分別在附著系數(shù)為0．72、行駛阻力系數(shù)為0．04的堅硬路面和附著系數(shù)為0．68、行駛阻力系數(shù)為0．07的水平良好堅硬路面良好土路上仿真得到樣車的最高車速，如圖7所示。

圖7 最高車速仿真曲線Fig．7 The Simulated Curve of Maximum Speed

車輛在堅硬路面上的最高車速為70．2km/h，在土路上受到的阻力增大，因此維持車輛平穩(wěn)高速運行的牽引力也較大，最高車速能夠達到60．8km/h。

4.3 爬32°坡性能仿真

在坡度為32°、坡高為10m、附著系數(shù)為0．72且行駛阻力系數(shù)為0．04的良好堅硬路面上，給定最大功率為185kW，車輛起動后開始爬坡，仿真結(jié)果，如圖8～圖10所示。

圖8 爬坡過程Fig．8 The Process of Climbing

圖9 車輛爬坡過程車速曲線Fig．9 The Speed Curve in Process of Climbing

圖10車輛爬坡過程質(zhì)心軌跡曲線Fig．10 The Centroid Trajectory Curve in Process of Climbing

由圖9可知，車輛從起動到完全爬上坡頂需要8s的時間，起動階段車輛在平坦路面上行駛，車速逐漸增加；t=0．45s時，履帶剛剛與坡面接觸，阻力突然增大造成車速的波動；（0．45～1．6）s期間，是履帶與坡面從剛剛開始接觸到完全接觸的過渡階段，車輛受到的阻力逐漸增大，由于車輛的牽引力大于地面阻力，所以車速仍然緩慢上升；在（1．6～6）s期間，履帶與坡面完全接觸，車輛開始爬坡，車輛牽引力和地面阻力趨于相等，車輛以11．5km/h的速度勻速爬坡；在（6～7．9）s期間，履帶前端離開坡面到樣車重新落到地面上，因為阻力減小，車速逐漸增加；但是7．9s之后履帶和地面產(chǎn)生劇烈碰撞，懸掛裝置起緩沖作用，造成車速有小幅下降；在車輛恢復(fù)平穩(wěn)之后，在平坦路面上繼續(xù)加速行駛。

車輛的質(zhì)心軌跡，如圖10所示。與坡面的輪廓相似，凸起部分是車輛即將到達坡頂履帶和坡面分離時，由于繼續(xù)加速，車輛由上升至落到坡頂?shù)孛娴倪^程。

5 結(jié)論

通過聯(lián)合仿真分析，可以得到以下結(jié)論：（1）采用虛擬樣機技術(shù)對電傳動履帶裝甲車輛的基本運動性能進行仿真是行之有效的。（2）仿真結(jié)果表明，樣車的基本運動性能與提出的性能指標基本一致，為下一步實車的研制提供了技術(shù)支撐。

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