Testing the effectiveness of the algorithm for suppressing self-oscillations during intensive braking of a vehicle

Full Text

Введение

Как показывает анализ, проведённый [1–6], автоколебания в зоне взаимодействия эластичного колеса с опорным основанием при торможении возбуждаются в конечной фазе процесса замедления и могут иметь значительную интенсивность, что негативно сказывается на качестве процесса замедления и управляемости машины. Автоколебания сопровождаются увеличением в несколько раз амплитуд колебаний кинематических и силовых параметров процессов, протекающих в нелинейных системах, увеличивают их динамическую нагруженность, приводя к входу из строя. В [7–10] показано, что автоколебательные процессы при их возбуждении можно эффективно подавлять, выводя из системы провоцирующую их энергию. Для индивидуального электромеханического привода колёс предложено использовать демпфирующий крутящий момент прямо пропорциональный угловой скорости колёс $M_d=-K_w{\omega }_{\text{к}}{f}_{relay}$, (здесь $K_w$ — коэффициент вязкого трения или коэффициент демпфирования).

Для активного подавления автоколебаний коэффициент демпфирования должен быть $K_w\ge 2\sqrt{J_{\text{к}}{C}_m}$ [7–10], где $J_{\text{к}}$ — момент инерции колеса и механического привода, а угловую жёсткость $C_{mi}$ для колеса можно оценить в процессе управления как отношение приращения реализуемого приводом момента и ускорения/замедления колеса $C_{mi}=\frac{\mathrm{\Delta }{M}_{ti}}{\mathrm{\Delta }{\omega }_{\text{к\hspace{0.17em}}i}}$.

Испытаниям подвергалось транспортное средство, оснащённое индивидуальным тяговым электроприводом с функцией подавления автоколебаний и без неё. Основные характеристики электробуса и индивидуального тягового электрического привода приведены в [11].

Целью испытаний является проверка методами экспериментальных исследований эффективности работы алгоритма подавления автоколебаний в индивидуальном тяговом электроприводе электробуса большого класса.

Программа испытаний по проверке эффективности системы подавления автоколебаний при торможении

Транспортное средство для испытаний должно быть в 2 весовых состояниях: загружено на 100% до полной массы 18 000 кг и не загружено — иметь снаряжённую массу 12 200 кг.

Дорожные условия выбраны исходя из реализации повышенного проскальзывания ведущих колёс. Не должно наблюдаться сильного встречного ветра для исключения его влияния на динамику движения. Шины накачаны до давления, соответствующего технической документации, предварительно прогреты пробегом протяжённостью не менее 1 км скоростью не менее 25 км/ч.

Степень заряженности тяговой аккумуляторной батареи должна быть достаточной для обеспечения необходимой динамики движения и не оказывать влияния на тягово-скоростные характеристики привода.

В табл. 1 приведён перечень испытаний при исследовании эффективности алгоритма подавления автоколебаний при выполнении интенсивного замедления.

Таблица 1. Программа испытаний при выполнении интенсивного замедления

Table 1. Testing procedure at performing intensive deceleration

В качестве опорного основания выбран мокрый базальт.

Оборудование, используемое при испытаниях

Системы транспортного средства оснащены датчиками для фиксации параметров процессов их работы. Тяговый электрический привод оснащён датчиками частоты вращения ротора и фазных токов, позволяющими автономному инвертору напряжения рассчитывать развиваемый электромагнитный момент двигателя с помощью наблюдателя электромагнитного момента [12], нагрузка на колесе определяется с помощью наблюдателя момента сопротивления в процессе управления [13]. Регистрируется также угловая скорость всех колёс. Динамика кузова транспортного средства регистрируется с помощью датчиков линейных и угловых ускорений по всем координатам.

Для фиксации данных использовался адаптер Vector VN1630А (рис. 1) для подключения сети CAN к ЭВМ. Для анализа данных использовалось программное обеспечение Vector CANoe.

Рис. 1. Адаптер Vector VN1630А.

Fig. 1. The Vector VN1630A adapter.

Рабочее окно программы Vector CANoe показано на рис. 2, а, MatLab Simulink — на рис. 2, b.

Рис. 2. Окно программ для анализа данных: a — Vector CANoe; b — MatLab Simulink.

Fig. 2. The windows of the data processing software: a — the Vector CANoe, b — the MATLAB/Simulink.

Помимо регистрации данных с CAN шины производилась фиксация значений крутящего момента и угловых скоростей на ведущих колёсах с помощью тензометрических колёс Kistler RoaDyn. Измерительные колёса, установленные на ступицу ведущих колёс, показаны на рис. 3.

Рис. 3. Тензометрические измерительные колёса Kistler RoaDyn.

Fig. 3. The Kistler RoaDyn wheel force transducers.

С помощью регистрирующей аппаратуры IMC-CRFX-400 (рис. 4) осуществлялась фиксация значений крутящего момента, частоты вращения ведущих колёс.

Рис. 4. Оборудование для сбора данных IMC-CRFX-400.

Fig. 4. The IMC-CRFX-400 data acquisition equipment.

Дополнительно измеряются значения постоянного тока, потребляемого тяговыми электромеханическими приводами (рис. 5), для определения характера воздействия возбуждающихся колебательных явлений.

Рис. 5. Измерение потребляемого тока.

Fig. 5. The current consumption measuring.

Исследования при интенсивном торможении с деактивированной системой подавления автоколебаний

Транспортное средство перед началом испытаний осуществляет разгон до требуемой скорости и при въезде на опорное основание с низким коэффициентом сцепления — мокрый базальт, осуществляется интенсивное торможение, во время которого водитель нажимает на педаль тормоза с максимальной скоростью до упора.

На рис. 6–11 показаны результаты выполненных заездов. На приведённых регистрируемых зависимостях отчётливо видны участки работы антиблокировочной системы, сопровождаемые при этом возбуждением автоколебательных явлений для крутящих моментов на колёсах. Обнаруживается изменение знака крутящего момента, приложенного к колесу, что свидетельствует о наличии перекладки зубьев в зацеплении при активации антиблокировочной системы. Для реализации частот вращения колёс в данном случае существенные возбуждения автоколебательных явлений не обнаружены.

Рис. 6. Крутящий момент на колесе с деактивированной системой подавления автоколебаний, заезд № 1: a — левом; b — правом.

Fig. 6. Torque at the left (a) and right (b) wheels with the deactivated system of suppressing self-oscillations, ride № 1.

Рис. 7. Частота вращения колеса с деактивированной системой подавления автоколебаний, заезд № 1: a — левого; b — правого.

Fig. 7. Rotation velocity of the left (a) and right (b) wheels with the deactivated system of suppressing self-oscillations, ride № 1.

Рис. 8. Крутящий момент на колесе с деактивированной системой подавления автоколебаний, заезд № 2: a — левом; b — правом.

Fig. 8. Torque at the left (a) and right (b) wheels with the deactivated system of suppressing self-oscillations, ride № 2.

Рис. 9. Частота вращения колеса с деактивированной системой подавления автоколебаний, заезд № 1: a — левого; b — правого.

Fig. 9. Rotation velocity of the left (a) and right (b) wheels with the deactivated system of suppressing self-oscillations, ride № 2.

Рис. 10. Крутящий момент на колесе с деактивированной системой подавления автоколебаний, заезд № 3: a — левом; b — правом.

Fig. 10. Torque at the left (a) and right (b) wheels with the deactivated system of suppressing self-oscillations, ride № 3.

Рис. 11. Частота вращения колеса с деактивированной системой подавления автоколебаний, заезд № 3: a — левого; b — правого.

Fig. 11. Rotation velocity of the left (a) and right (b) wheels with the deactivated system of suppressing self-oscillations, ride № 3.

Исследование при интенсивном торможении с активированной системой подавления автоколебаний

На рис. 12–17 показаны результаты выполненных заездов при исследовании режима экстренного замедления на опорном основании с низкими сцепными свойствами для транспортного средства, оснащённого системой подавления автоколебаний.

Рис. 12. Крутящий момент на колесе с деактивированной системой подавления автоколебаний, заезд № 1: a — левом; b — правом.

Fig. 12. Torque at the left (a) and right (b) wheels with the activated.

Рис. 13. Частота вращения колеса с деактивированной системой подавления автоколебаний, заезд № 1: a — левого; b — правого.

Fig. 13. Rotation velocity of the left (a) and right (b) wheels with the activated system of suppressing self-oscillations, ride № 1.

Рис. 14. Крутящий момент на колесе с деактивированной системой подавления автоколебаний, заезд № 2: а — левом; b — правом.

Fig. 14. Torque at the left (a) and right (b) wheels with the activated system of suppressing self-oscillations, ride № 2.

Рис. 15. Частота вращения колеса с деактивированной системой подавления автоколебаний, заезд № 2: a — левого; b — правого.

Fig. 15. Rotation velocity of the left (a) and right (b) wheels with the activated system of suppressing self-oscillations, ride № 2.

Рис. 16. Крутящий момент на колесе с деактивированной системой подавления автоколебаний, заезд № 3: a — левом; b — правом.

Fig. 16. Torque at the left (a) and right (b) wheels with the activated system of suppressing self-oscillations, ride № 3.

Рис. 17. Частота вращения колеса с деактивированной системой подавления автоколебаний, заезд № 3: a — левого; b — правого.

Fig. 17. Rotation velocity of the left (a) and right (b) wheels with the activated system of suppressing self-oscillations, ride № 3.

На приведённых регистрируемых зависимостях отчётливо видны участки работы антиблокировочной системы при повышенном скольжении колёс. Возбуждаемые при этом колебательные явления менее интенсивны, чем в предыдущем случае, и характеризуются меньшим значением амплитуд, что свидетельствует об эффективности алгоритма подавления автоколебательных явлений. Для реализации частот вращения колёс в данном случае возбуждение автоколебательных явлений не обнаружено.

При интенсивных торможениях на опорном основании с низкими сцепными свойствами (лёд, лёд со снегом, мокрый асфальт и др.) для транспортного средства, не оснащённого алгоритмом подавления автоколебаний, усреднённые амплитуды колебаний крутящих моментов находятся в диапазоне 1850…2500 Нм, с максимальными значениями амплитуды — в диапазоне 6000…8500 Нм.

При оснащении системы управления транспортного средства алгоритмом подавления автоколебаний при интенсивном торможении усреднённые амплитуды колебаний крутящих моментов находятся в диапазоне 500…750 Нм, с максимальными значениями амплитуды — в диапазоне 1000…1500 Нм.

Применение алгоритма подавления автоколебаний в системе управления позволяет снизить величины максимальных амплитуд в 6 раз, усреднённых амплитуд — в 3–3,5 раза, исключая при этом изменения знака момента.

Выводы

Методами экспериментальных исследований установлена работоспособность и эффективность алгоритма подавления автоколебаний в системе электромеханического привода ведущих колёс транспортного средства, что позволяет рекомендовать его использование при разработке систем управления.

Методами экспериментальных исследований установлено, что применение алгоритма подавления автоколебаний в системе управления позволяет снизить величины максимальных амплитуд в 6 раз, усреднённых амплитуд — в 3–3,5 раза, исключая при этом изменения знака момента при интенсивных замедлениях транспортного средства.

Дополнительная информация

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 authors 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

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

References

Supplementary files

Supplementary Files

Action

1. JATS XML

Download

2. Fig. 1. The Vector VN1630A adapter.

Download (45KB)

Indexing metadata

3. Fig. 2. The windows of the data processing software: a — the Vector CANoe, b — the MATLAB/Simulink.

Download (268KB)

Indexing metadata

4. Fig. 3. The Kistler RoaDyn wheel force transducers.

Download (335KB)

Indexing metadata

5. Fig. 4. The IMC-CRFX-400 data acquisition equipment.

Download (281KB)

Indexing metadata

6. Fig. 5. The current consumption measuring.

Download (199KB)

Indexing metadata

7. Fig. 6. Torque at the left (a) and right (b) wheels with the deactivated system of suppressing self-oscillations, ride № 1.

Download (279KB)

Indexing metadata

8. Fig. 7. Rotation velocity of the left (a) and right (b) wheels with the deactivated system of suppressing self-oscillations, ride № 1.

Download (241KB)

Indexing metadata

9. Fig. 8. Torque at the left (a) and right (b) wheels with the deactivated system of suppressing self-oscillations, ride № 2.

Download (251KB)

Indexing metadata

10. Fig. 9. Rotation velocity of the left (a) and right (b) wheels with the deactivated system of suppressing self-oscillations, ride № 2.

Download (217KB)

Indexing metadata

11. Fig. 10. Torque at the left (a) and right (b) wheels with the deactivated system of suppressing self-oscillations, ride № 3.

Download (257KB)

Indexing metadata

12. Fig. 11. Rotation velocity of the left (a) and right (b) wheels with the deactivated system of suppressing self-oscillations, ride № 3.

Download (208KB)

Indexing metadata

13. Fig. 12. Torque at the left (a) and right (b) wheels with the activated.

Download (226KB)

Indexing metadata

14. Fig. 13. Rotation velocity of the left (a) and right (b) wheels with the activated system of suppressing self-oscillations, ride № 1.

Download (189KB)

Indexing metadata

15. Fig. 14. Torque at the left (a) and right (b) wheels with the activated system of suppressing self-oscillations, ride № 2.

Download (230KB)

Indexing metadata

16. Fig. 15. Rotation velocity of the left (a) and right (b) wheels with the activated system of suppressing self-oscillations, ride № 2.

Download (201KB)

Indexing metadata

17. Fig. 16. Torque at the left (a) and right (b) wheels with the activated system of suppressing self-oscillations, ride № 3.

Download (234KB)

Indexing metadata

18. Fig. 17. Rotation velocity of the left (a) and right (b) wheels with the activated system of suppressing self-oscillations, ride № 3.

Download (177KB)

Indexing metadata