Algorithm for forming traction and braking torque settings at the shaft of a traction motor by means of a single pedal

Full Text

ВВЕДЕНИЕ

В процессе осуществления транспортных операций все больше используют аккумуляторные колёсные транспортные средства. Из таковых можно выделить электробусы большого класса, осуществляющие пассажирские перевозки. Данные транспортные средства оснащены перезаряжаемой системой хранения электрической энергии (тяговой аккумуляторной батареей) и индивидуальным тяговым электрическим приводом ведущих колёс (рис. 1) [1].

Рис. 1. Общая схема и общий вид электробуса: a) общий вид электробуса, b) общая схема электрооборудования; 1 — тяговая аккумуляторная батарея, 2 — инвертор, 3 — тяговый электродвигатель, 4 — трансмиссия.

Fig. 1. Main layout and main view of an electric bus: a) main view of an electric bus; b) main layout of electric equipment: 1 — a traction battery; 2 — an invertor; 3 — a traction electric motor; 4 — drivetrain.

Для данных машин остро стоит вопрос по максимизации их энергоэффективности, поскольку потребители постоянного и неукоснительно ужесточают свои требования к данному эксплуатационному свойству, что выражается в увеличении запаса хода на одной зарядке, перезаряжаемой системы хранения электрической энергии. Поэтому разработчикам необходимо постоянно решать задачу по увеличению запаса хода, как за счёт применения компонентов и систем с меньшими потерями энергии, так и применением алгоритмов управления позволяющими наиболее эффективно их эксплуатировать. К таковым можно отнести алгоритмы управления тяговым электроприводом, осуществляющие наиболее энергоэффективный переход из одного состояния в другое при движении по соответствующему запросу [2]. Развитием данного подхода к управлению транспортным средством является создание алгоритмов, позволяющих это осуществлять только педалью хода, что наряду с повышением энергоэффективности позволяет улучшить эргономику управления, комфорт пассажиров. К тому же, для индивидуального тягового электропривода свойственна короткая цепь механической трансмиссии с низкими демпирующими свойствами, слабо демпирующая воздействия от дороги, что, наряду с высокими динамическими свойствами тягового двигателя, высокой его перегрузочной способностью при изменении режима движения может привести к повышенным динамическим нагрузкам в трансмиссии из-за резких ударных воздействий при быстром переходе с тягового режима на рекуперативный и наоборот.

ТРЕБОВАНИЯ К АЛГОРИТМУ ОДНОПЕДАЛЬНОГО УПРАВЛЕНИЯ

При разработке системы управления движением необходимо чтобы водитель должен иметь возможность управлять ускорением и замедлением транспортного средства только с помощью педали хода. Тягово-динамические характеристики машины должны оставаться на уровне как в случае обычного двухпедального управления.

Все рабочие замедления (до 1,4–1,6 м/с²) с наиболее вероятным значением замедления 0,1–0,6 м/с² с вероятностью более 90% при эксплуатации транспортного средства в реальных условиях должны осуществляться полностью за счёт электродинамического рекуперативного торможения и эксплуатационные ускорения (до 1,4–1,6 м/с²) с наиболее вероятным значением 0,1–0,6 м/с² с вероятностью более 90% (рис .2).

Рис. 2. Вероятность распределения ускорений a) замедлений b) электробуса в эксплуатации.

Fig. 2. Probability of distribution of accelerations (a) and decelerations (b) of an electric bus during its service.

ТРЕБОВАНИЯ, ПРЕДЪЯВЛЯЕМЫЕ К АЛГОРИТМУ ОДНОПЕДАЛЬНОГО УПРАВЛЕНИЯ

Транспортное средство в зависимости от типа электродвигателя в тяговом приводе должно иметь возможность полностью останавливаться без использования педали тормоза (например, на светофоре). Также необходимо исключать превышение ускорений/замедлений выше регламентированных 2 м/с² для городского электротранспорта [3], а также рывка ускорения выше 0,8 м/с³ с целью обеспечения комфорта пассажиров. При этом водитель должен иметь возможность выбирать желаемый уровень замедления с помощью изменения уровня нажатия педали хода. Педаль тормоза же использовать только в случае экстренного торможения.

При отпускании педали хода и первом нажатии на педаль тормоза замедление не должно изменяться скачкообразно. То же самое требование распространяется и на увеличение процента нажатия педали хода. Для увеличения степени эффективности должен быть обеспечен режим движения накатом (крутящий момент на валу тягового электродвигателя равен нулю). Границы активации и деактивации этого режима должны зависеть от скорости движения.

Для увеличения безопасности движения и облегчения труда водителя системе должен быть предусмотрен активируемый режим реализации запроса максимального крутящего момента при трогании с места (активируемый режим «Помощник трогания на подъеме»).

С целью обеспечения безопасности прочих участников дорожного движения стоп-сигналы при замедлении (включении рекуперативного режима торможения) должны загораться как при торможении с замедлениями на транспортном средстве, не имеющем алгоритма однопедального управления.

НАЗНАЧЕНИЕ ГРАНИЦ МЕЖДУ ТЯГОВЫМ, РЕКУПЕРАТИВНЫМ (ТОРМОЗНЫМ) И ИНЕРЦИОННЫМ (НАКАТ) РЕЖИМАМИ ДВИЖЕНИЯ

Взаимное расположение зон тягового, рекуперативного (тормозного) и инерционного (накат) режимов движения в зависимости от степени $0\le h_{dr}\le 1$ нажатия на педаль хода должно быть таким, как показано на рис. 3. Причём границы зон должны быть плавающими в зависимости от скорости движения транспортного средства и соответствующих дорожных условий.

Рис. 3. Взаимное расположение зон тягового, рекуперативного (тормозного) и инерционного (накат) режимов движения в зависимости от степени нажатия на педаль хода.

Fig. 3. Mutual disposition of areas of traction, regenerative (braking) and inertial (run-out) motion modes depending on the accelerator pedal position.

В зоне тяги $h_{d{r}_u}<h_{dr}\le 1$ крутящий момент на валу электродвигателя $M_{\text{кр}}>0$ в зоне $0<h_{dr}\le h_{d{r}_d}$ рекуперативного торможения $M_{\text{кр}}<0$, в зоне $h_{d{r}_d}<h_{dr}\le h_{d{r}_u}$ движения по инерции $M_{\text{кр}}=0$.

Для обеспечения плавного (без рывков) перехода из зоны тягового режима в зону движения по инерции необходимо границу $h_{d{r}_u}$ между этими режимами располагать в окрестности нулевого продольного ускорения электробуса $a_x\cong 0$. Условием равномерного (без ускорения) движения будет равенство нулю углового ускорения $\dot{\omega }$ вала тягового электродвигателя:

$J\dot{\omega }=h_{dr}{M}_{\max }\left(\omega \right)-M_{\text{c}}$, (1)

где J — момент инерции вращающихся масс, приведенный к валу ТЭД; $M_{\max }\left(\omega \right)$ — максимальный доступный для текущего значения угловой скорости $\omega$ крутящий момент на валу ТЭД; $M_{\text{c}}$ — момент сопротивления, приведенный к валу ТЭД.

Положение правой границы $h_{d{r}_u}$ зоны движения по инерции (рис. 3):

$h_{d{r}_u}=\frac{\left\{Mg\left[f_0\cdot {\left(\frac{V}{V_0}\right)}^{\mathrm{0,1}}\cos \alpha +\sin \alpha \right]+c_x{F}_{\text{лоб}}\rho \frac{V^2}{2}\right\}\cdot r_{\text{к}0}}{M_{\max }\left(\omega \right)}$ (2)

В соответствии с рекомендациями работ [4, 5] выражение для положения левой границы $h_{d{r}_d}$:

$h_{d{r}_d}=h_{d{r}_u}+\mathrm{0,1}\cdot \left(\frac{V}{V_{\max }}\right)$, (3)

где $V_{\max }$ — максимальная скорость движения.

На рис. 4 показаны зависимости $h_{d{r}_u}$ и $h_{d{r}_d}$ mот скорости движения V для электробуса КАМАЗ-6282 [1].

Рис. 4. Зависимости $h_{d{r}_u}$ и $h_{d{r}_d}$ от скорости движения V для электробуса КАМАЗ-6282.

Fig. 4. Dependences of the $h_{d{r}_u}$ and $h_{d{r}_d}$ on motion velocity V for the KAMAZ-6282 electric bus.

ПРИНЦИП ФОРМИРОВАНИЯ УСТАВОК КРУТЯЩИХ И ТОРМОЗНЫХ МОМЕНТОВ ТЭД, ОБЕСПЕЧИВАЮЩИХ ПЛАВНУЮ ВЫБОРКУ ЗАЗОРОВ В ЗУБЧАТЫХ ЗАЦЕПЛЕНИЯХ ПРИ ПЕРЕКЛАДКАХ

С целью снижения ударных динамических нагрузок, возникающих в зубчатых зацеплениях механической части тягового привода при перекладках в момент перехода между различными зонами на рис. 3 необходимо соблюдать следующие принципы формирования уставок крутящих и тормозных моментов на валу ТЭД:

1. При пересечении границ $h_{d{r}_u}$ или $h_{d{r}_d}$ (выход из зоны движения по инерции) значение крутящего момента должно быть равным нулю.
2. График задания момента при приближении к границам зоны движения по инерции должен иметь асимптоту $\tau$ = 0, где $\tau$ — уставка крутящего момента в процентах от максимально доступного. (рис. 5), чтобы избежать повышенных динамических ударных нагрузок в зубчатых зацеплениях, из-за возникновения автоколебательных процессов в контуре векторного управления моментом двигателя вследствие изменения положения границ зон $h_{d{r}_u}$ и $h_{d{r}_d}$ при изменении скорости движения.

Рис. 5. График задания уставки крутящего момента на валу ТЭД: ${\tau }_{pm}\left(V\right)$ — максимальное значение рекуперативного момента; ${\tau }_{am}\left(V\right)$ — максимальное значение тягового момента; $h_m\left(V\right)$ — положение педали акселератора, при котором становится доступным запрос максимального тягового момента.

Fig. 5. Graph of setting adjustment at the shaft of a traction electric motor: ${\tau }_{pm}\left(V\right)$ — maximum value of the regenerative torque; ${\tau }_{am}\left(V\right)$ — maximum value of traction torque; $h_m\left(V\right)$ — position of the accelerator pedal where the demand for maximal traction torque becomes available.

Движение электробуса, соответствующее зоне $h_{d{r}_u}<h_{dr}<h_m$, соответствует всем требованиям по тягово-динамическим свойствам: максимальному ускорению при трогании, ускорении при движении, преодолении подъёма, максимальной скорости.

Введение зоны $h{}_m<h_{dr}\le 1$ позволяет не прибегать к использованию полного хода педали для обеспечения рабочего движения, но с сохранением запаса по моменту в случае перегрузки двигателя по моменту при необходимости.

Наличие в алгоритме зоны $h{}_m<h_{dr}\le 1$ позволяет увеличить безопасность движения, так как реакция привода на высоких скоростях на небольшие изменения положения педали хода становится более мягкой, что исключает резких изменений крутящего момента и скорости движения.

ФОРМИРОВАНИЕ УСТАВКИ КРУТЯЩЕГО МОМЕНТА В ЗОНЕ РЕКУПЕРАТИВНОГО ТОРМОЖЕНИЯ 0 < h_dr ≤ h_drd

Для определения зависимости уставки ${\tau }_{pm}$ от скорости движения определимся, что при рекуперативном торможении максимальное значение замедления не должно превышать a_x = -1,4 м/с² по условиям обеспечения комфорта пассажиров. Исходя из анализа дифференциального уравнения торможения транспортного средства, с учётом в первом приближении равенства рекуперативных моментов на левом и правом электродвигателе

${\tau }_{pm}=\frac{r_{\text{к0}}}{{М}_{\max }\left(\omega \right)n_{\text{в}}}\left[-a_{x}M-Mg{f}_0\cdot {\left(\frac{V}{V_0}\right)}^{\mathrm{0,1}}-c_x{F}_{\text{лоб}}\rho \frac{V^2}{2}\right]$ (4)

На рис. 6 показана зависимость ${\tau }_{pm}$ от скорости движения для электробуса КАМАЗ-6282.

Рис. 6. Зависимость ${\tau }_{pm}$ от скорости движения электробуса КАМАЗ-6282.

Fig. 6. Dependence of the ${\tau }_{pm}$ on the motion velocity of the KAMAZ-6282 electric bus.

Зависимость ${\tau }_p\left(h_{dr}\right)$ имеет вид:

${\tau }_p=a\cdot {\left(\frac{h_{dr}}{h_{d{r}_d}}\right)}^2+b\cdot \left(\frac{h_{dr}}{h_{d{r}_d}}\right)+c$, (5)

где a, b и с — коэффициенты, подлежащие определению.

На рис. 7 показана зависимость ${\tau }_p$ от $h_{dr}$ для электробуса КАМАЗ-6282 для V = 35 км/ч, ${\tau }_{pm}=88\%$, $h_{dr}=\mathrm{0,21}$.

Рис. 7. Зависимость ${\tau }_p$ от $h_{dr}$ для электробуса КАМАЗ-6282.

Fig. 7. Dependence of ${\tau }_p$ on $h_{dr}$ for the KAMAZ-6282 electric bus.

ФОРМИРОВАНИЕ УСТАВКИ КРУТЯЩЕГО МОМЕНТА ДЛЯ ТЯГОВОГО РЕЖИМА ДВИЖЕНИЯ h_dru < h_dr ≤ h_m

Принимая максимальное ускорение разгона a_x = 1,4 м/с², выражение для определения уставки имеет вид:

${\tau }_{pm}=\frac{r_{\text{к0}}}{{М}_{\max }\left(\omega \right)n_{\text{в}}}\left[a_{x}M-Mg{f}_0\cdot {\left(\frac{V}{V_0}\right)}^{\mathrm{0,1}}-c_x{F}_{\text{лоб}}\rho \frac{V^2}{2}\right]$ (6)

На рис. 8 кривая 1 показана зависимость ${\tau }_{am}$ от скорости движения для электробуса КАМАЗ-6282.

Рис. 8. Зависимости ${\tau }_{am}$ (1) и $h_m$ (2) от скорости движения для электробуса КАМАЗ-6282.

Fig. 8. Dependences of ${\tau }_{am}$ (1) and $h_m$ (2) on the motion velocity for the KAMAZ-6282 electric bus.

На рис. 8 кривая 2 показана зависимость $h_m$ от скорости движения для электробуса КАМАЗ-6282. Благодаря введению границы $h_m$ нет необходимости использовать полный ход педали акселератора, чтобы получать максимальное ускорение разгона, что позволяет обеспечить требуемую тяговую динамику.

В тяговом режиме должен быть предусмотрен активируемый водителем режим «Помощник трогания на подъёме», который предписывает 100% крутящего момента ТЭД при полном нажатии на педаль акселератора на низкой скорости.

Зависимость ${\tau }_a\left(h_{dr}\right)$ в диапазоне $h_{d{r}_u}<h_{dr}\le h_m$ имеет вид:

${\tau }_a=d\cdot {\left(\frac{h_{dr}}{h_{d{r}_u}}\right)}^n+e\cdot \left(\frac{h_{dr}}{h_{d{r}_{ud}}}\right)+f$, (7)

где d, e и f — коэффициенты, подлежащие определению.

На рис. 9 показана зависимость ${\tau }_a$ от $h_{dr}$ для электробуса КАМАЗ-6282 для V = 35 км/ч, ${\tau }_{am}$= 75%, $n$=6.

Рис. 9. Зависимость ${\tau }_a$ от $h_{dr}$ для электробуса КАМАЗ-6282.

Fig. 9. Dependence of ${\tau }_a$ on $h_{dr}$ for the KAMAZ-6282 electric bus.

В диапазоне $h_m<h_{dr}\le 1$ для аппроксимации зависимости ${\tau }_d\left(h_{dr}\right)$ используем квадратичный полином вида:

${\tau }_d=k{h}_{dr}^2+l{h}_{dr}+m$, (8)

где k, l и m — коэффициенты, подлежащие определению.

На рис. 10 показана зависимость ${\tau }_d$ от $h_{dr}$ для электробуса КАМАЗ-6282.

Рис. 10. Зависимость ${\tau }_d$ от $h_{dr}$ для электробуса КАМАЗ-6282.

Fig. 10. Dependence of ${\tau }_d$ on $h_{dr}$ for the KAMAZ-6282 electric bus.

На рис. 11 показана сборка (рис. 6, 7, 9 и 10) зависимости уставки момента $\tau$ от положения педали акселерометра $h_{dr}$ для скорости V = 35 км/ч.

Рис. 11. Сборка зависимости уставки момента $\tau$ от положения педали хода V = 35 км/ч.

Fig. 11. The assembled dependence of torque setting $\tau$ on accelerator pedal position at V = 35 km/h.

Были проведены виртуальные испытания электробуса с однопедальным управлением. На рис. 12 представлена циклограмма изменения положения педали хода, которая является управляющим воздействием со стороны водителя.

Рис. 12. Циклограмма изменения положения педали хода.

Fig. 12. The cyclogram of varying the accelerator pedal position.

На рис. 13 представлен транслируемый сигнал педали акселератора для производителя привода.

Рис. 13. Транслируемый сигнал педали хода.

Fig. 13. The transmitted signal of the accelerator pedal.

Как видно из рис. 12 и 13, транслируемый сигнал педали акселератора при запросе тягового момента масштабируется, т.к. протяженность зоны запроса тяги меньше полного хода педали (рис. 3 и 5). На рис. 14 представлены реализации крутящих моментов на ведущих колёсах электробуса полученные с помощью имитационной модели движения транспортного средства в MatLab [6].

Рис. 14. Реализация крутящих моментов на ведущих колесах электробуса.

Fig. 14. The resulted torque at the driven wheels of the electric bus.

Как видно из рис. 14, крутящие моменты отрабаты- ваются плавно, без рывков несмотря на то, что воздействие водителя на педаль акселератора бывает достаточно резким (рис. 12).

При необходимости назначить режимы движения по инерции или рекуперативного торможения транслируется положение «ноль». В последнем случае однопедальный алгоритм назначает уставки рекуперативного момента, как это показано на рис. 15.

Рис. 15. Уставка рекуперативного момента при однопедальном управлении.

Fig. 15. The regenerative torque setting at the single-pedal control.

На рис. 16 показан итоговый график скорости движения электробуса в процессе движения.

Рис. 16. График скорости движения электробуса в процессе движения.

Fig. 16. The graph of motion velocity of the electric bus.

График на рис. 16 свидетельствует о плавном характере изменения скорости движения и адекватной реакции электробуса на управляющие воздействия.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Полученные в процессе виртуальных испытаний электробуса положительные результаты работы алгоритма однопедального управления тяговым электроприводом позволяют рекомендовать использование алгоритма при разработке систем управления с повышенной энергоэффективностью на реальном объекте.

ДОПОЛНИТЕЛЬНО

Конфликт интересов. Автор декларирует отсутствие явных и потенциальных конфликтов интересов, связанных с публикацией настоящей статьи.

Источник финансирования. Автор заявляет об отсутствии внешнего финансирования при проведении исследования.

ADDITIONAL INFORMATION

Competing interests. The author declares that he has no competing interests.

Funding source. This study was not supported by any external sources of funding.

About the authors

Alexander V. Klimov

Author for correspondence.
Email: klimmanen@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-5351-3622
SPIN-code: 7637-3104
Scopus Author ID: 57218166154

Cand. Sci. (Tech.), Associate Professor of the Advanced Engineering School of Electric Transport, Head of the Electric Vehicles Department

References

Supplementary files

Supplementary Files

Action

1. JATS XML

Download

2. Fig. 1. Main layout and main view of an electric bus: a) main view of an electric bus; b) main layout of electric equipment: 1 — a traction battery; 2 — an invertor; 3 — a traction electric motor; 4 — drivetrain.

Download (172KB)

Indexing metadata

3. Fig. 2. Probability of distribution of accelerations (a) and decelerations (b) of an electric bus during its service.

Download (166KB)

Indexing metadata

4. Fig. 3. Mutual disposition of areas of traction, regenerative (braking) and inertial (run-out) motion modes depending on the accelerator pedal position.

Download (48KB)

Indexing metadata

5. Fig. 4. Dependences of the and on motion velocity V for the KAMAZ-6282 electric bus.

Download (116KB)

Indexing metadata

6. Fig. 5. Graph of setting adjustment at the shaft of a traction electric motor: — maximum value of the regenerative torque; — maximum value of traction torque; — position of the accelerator pedal where the demand for maximal traction torque becomes available.

Download (42KB)

Indexing metadata

7. Fig. 6. Dependence of the on the motion velocity of the KAMAZ-6282 electric bus.

Download (91KB)

Indexing metadata

8. Fig. 7. Dependence of on for the KAMAZ-6282 electric bus.

Download (106KB)

Indexing metadata

9. Fig. 8. Dependences of (1) and (2) on the motion velocity for the KAMAZ-6282 electric bus.

Download (106KB)

Indexing metadata

10. Fig. 9. Dependence of on for the KAMAZ-6282 electric bus.

Download (93KB)

Indexing metadata

11. Fig. 10. Dependence of on for the KAMAZ-6282 electric bus.

Download (89KB)

Indexing metadata

12. Fig. 11. The assembled dependence of torque setting  on accelerator pedal position at V = 35 km/h.

Download (94KB)

Indexing metadata

13. Fig. 12. The cyclogram of varying the accelerator pedal position.

Download (110KB)

Indexing metadata

14. Fig. 13. The transmitted signal of the accelerator pedal.

Download (96KB)

Indexing metadata

15. Fig. 14. The resulted torque at the driven wheels of the electric bus.

Download (125KB)

Indexing metadata

16. Fig. 15. The regenerative torque setting at the single-pedal control.

Download (99KB)

Indexing metadata

17. Fig. 16. The graph of motion velocity of the electric bus.

Download (117KB)

Indexing metadata