深海电驱动复合轮式行驶机构转速和转矩协调控制策略

第 42 卷增刊 2 中南大学学报(自然科学版) V ol.42 Suppl. 2 2011 年 9 月 Journal of Central South University (Science and Technology) Sep. 2011 深海电驱动复合轮式行驶机构转速和转矩协调控制策略何耀，杨珏，张文明，冯雅丽(北京科技大学 机械工程学院，北京，100083)摘要：针对采用独立轮毂电机驱动的新型海底铰接式复合轮式行驶机构，研究其在水平路面转向过程中各驱动轮 的相对转速关系，为各驱动轮电机在转向工况下的转速输出控制策略提供了理论依据；利用虚拟样机仿真模型模 拟该行驶机构通过不同高度的台阶、越过壕沟及爬坡时的运行过程，得出各驱动轮电机的转矩输出特性；根据驱 动轮组中各个车轮对地面正压力的变化规律，确定在不同越障工况下各驱动轮电机的转矩控制策略依据。

关键词：复合轮式车辆；轮毂电机驱动；转矩输出；控制策略中图分类号：P731.31；P941.61 文献标志码：A 文章编号：1672−7207(2011)S2−0313−06 Coordinated speed and torque control strategy of electric multidriving wheels travel mechanism in deep sea environmentsHE Yao, Y ANG Jue, ZHANG Wen­ming, FENG Ya­li(School of Mechanical Engineering, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China)Abstract: Based on a new type multi wheels travel mechanism driven by hub motors in deep sea environment, the velocity relationship of the driving wheels was studied when the articulated body was steering on flat road, which provided scientific basis for each hub motor speed control rule while steering. Virtual prototype was used to simulate processes of crossing obstacles and slope climbing. The torque output character of each motor was obtained and analyzed.According bearing force change law of each wheel, the basis for torque control strategy in these cases was determined.Key words: multi driving wheels vehicle; drive by hub motors; output torque; control strategy本文作者介绍了一种新型的铰接式复合轮式车辆，该车辆具有可变的多轮式行驶机构，每个轮子均 采用独立轮毂电机驱动，可实现针对海底复杂路况越 障行驶，结合液压控制的轮向机构，能够完成在复杂 路面条件下的行驶工况 [1−3] 。

由于采用独立式轮毂电机 驱动，电机的控制策略将决定行驶机构的行驶和通过 性能。

本文作者分析了行驶机构在水平路面转向过程 中各驱动轮的相对转速关系，由此确定各驱动电机在 转向时的转速需求； 运用计算机多体动力学仿真技术， 对车辆动力学模型进行仿真分析，得出车辆越障的理 论数据，评估车辆行驶性能。

1 电传动复合轮式行驶机构行驶机构，包括铰接式车架及安装在铰接式车架 两侧的四组复合轮系，如图 1 所示。

每一组复合轮系 包括前连接臂、前轮、中轮、后轮、后连接臂，控制 油缸；前轮、中轮和后轮通过连接轴分别安装在前连 接板和后连接板上， 每个驱动轮由轮毂电机单独驱动， 如图2所示。

收稿日期：2011−06−15；修回日期：2011−07−15基金项目：国家自然科学基金资助项目(50874006)；国际海底区域性研究开发“十一五”项目(DYXM­115­04­02­03)通信作者：杨珏(1975−)，男，北京人，副教授，从事工程车辆设计；电话：010­62332467；E­mail: yangjue@中南大学学报(自然科学版) 第 42 卷314 1—前车架；2—后车架；3—复合轮系 图1 电传动复合轮式行驶机构Fig.1 Electric multi driving wheelstravel mechanism1—前连接臂；2—连接轴；3—控制油缸；4—后连接臂；5—后轮；6—中轮；7—前轮 图2 轮毂电机驱动的复合轮系 Fig.2 Multi wheels driven by hub motors采用主动控制的方式进行越障，攀越台阶、凸台 等障碍时，前轮抬起，由前轮系的拖动作用及后轮系 的推力使复合轮系越过台阶、凸台等障碍物。

最大跨 沟宽度为复合轮系前后轮的轴间距。

2 驱动电机的选择及控制算法电驱动的海底行驶机构可以选用的电机有交流感 应电机、开关磁阻电机、永磁同步电机和永磁无刷直 流电机，交流感应电机功率因数较低，重量功率比大， 开关磁阻电机在低速时转矩波动较大。

永磁电机可分 为由方波驱动的永磁无刷直流电机和由正弦波驱动的 永磁同步电机，永磁无刷直流电机采用霍尔位置传感 器或电机反电势的方法，性能更佳，直流电压利用率 也比较高。

在本行驶机构驱动系统中无刷直流电机驱 动器采用电流、转速双闭环控制算法结构。

图 3 所示为电机驱动器控制算法结构图 [4−5] 。

图3 电机驱动器控制算法Fig.3 Control algorithm of motor controller3 转向过程各驱动轮转速输出要求及协调控制行驶机构采取铰接式车身，转向过程中内外侧车 轮以及同一组车轮中不同位置的驱动轮都存在转速 差，这种差别可以通过车身转向过程中的几何关系准 确地表示，从而得到每个驱动轮转速输出的控制依 据 [6] 。

转向机构的设计标准为对任一转角 θ，前、后复 合轮系中各个中间轮均做纯滚动，即转动中心为前、 后轮系中轮轴线的交点，最大设计转角为 45°。

由于 复合轮系的结构特点，转向时各个复合轮系的前、后 轮除做纯滚动外，势必会有一定的滑移。

转向过程中 电机协调控制的核心思想是通过调节电机转速，使各 个前、后轮的滑移量最小。

为描述方便，先对各个轮系及轮子编号。

令前内 侧复合轮系、前外侧复合轮系、后内侧复合轮系、后 外侧复合轮系分别为轮系Ⅰ、轮系Ⅱ、轮系Ⅲ和轮系 Ⅳ。

轮系Ⅰ前、中、后轮分别为W 1，W 2 和W 3；轮系 Ⅱ前、中、后轮分别为W 4，W 5 和W 6；轮系Ⅲ前、中、 后轮分别为W 7，W 8 和W 9；轮系Ⅳ前、中、后轮分别 为W 10，W 11 和W 12。

令O i (i =1, 2, …, 12)为W i 的几何中心点，v i 为O i点的速度，v i 方向沿W i 滚动方向向前，如图4所示。

以转向过程中的某一转角θ 为例，分析各个轮胎 的转速情况。

A 点为前后车架铰接点，O 点为瞬时转 动中心。

对应任意θ 角，轮系Ⅰ、Ⅱ与轮系Ⅲ、Ⅳ始 终沿直线OA 对称， 研究时仅考虑后车架上轮系即可。

研究后车架上的轮i (i =7, 8, …, 12)，令各轮中心 点 O i 到 O 点的距离为 L i ， i OO 与 8 OO 的夹角为 i a ， 即 i i L O O = ， 8 i i O OO a =Ð 。

若整车沿O 点转动的角 速度为ω，为使各轮的滑移量最小，应满足W i 沿OO i 的切向方向做纯滚动，即：cos ii iL v w a × = ur (1)增刊 2 何耀，等：深海电驱动复合轮式行驶机构转速和转矩协调控制策略315图4 转向过程中的速度关系Fig.4 V elocity relation of wheels when steering根据几何关系，可得：9 7 v v = ， 1210 v v = (2)转动过程中轮8和轮11始终做纯滚动， 分别以速 度v 8 和v 11 为基准， 根据已知参数， 可以得出θ从0~45° 变化时，v 7/v 8 和v 10/v 11 的变化曲线，如图5所示。

1—v 7/v 8; 2—v 10/v 11图5 转动过程中的相对转速差Fig.5 Relative velocity difference of wheels when steering由图 5 可以看出：转角 θ 增大时，v 7/v 8 和 v 10/v 11均单调增大，但相对转速差都很小，最大转速差仅为 2.6%，而在常用的转角范围 (0,35) q ΰ 时，最大相对 转速差为1.2%。

在驱动电机控制策略中可以忽略这个 转速差的影响，让各复合轮系的内部各轮转速相等， 即：9 8 7 v v v = = ， 1211 10 v v v = = (3)研究转向时内外轮系的车速关系， θ从0~45°变化 时 v 8/v 11 的变化曲线如图 6 所示。

以外侧车轮速度 v 11 为基准，转向时需控制内侧轮系车速v 8 为：图6 转向时内外轮系的车速关系Fig.6 V elocity relationship between inner and outer wheelswhen steering2 811 (0.000 20.023 90.991 5) v vq q =-+ (4)由式(3)和(4)可以得出：在任意转角θ下，各轮相 对W 11 的转速关系，即只需监测v 11 和θ的变化，即可 知道其他各轮的转速控制需求。

4 越障过程的转矩协调控制越障过程中，各轮系中每一个驱动轮的对地接触 状态会发生改变，而在附着条件不变的情况下，为充 分利用各驱动轮的路面附着系数，应使驱动力矩的输 出与驱动轮对地正压力成正比，即：F N j =× (5)其中：F 为驱动力；N 为驱动轮对地正压力；j 为路 面附着系数。