The influence of the control law on oscillatory processes in an electromechanical drive

Texto integral

Введение

Транспортные средства с электромеханической силовой передачей и электрохимической аккумуляторной батареей в качестве источника энергии сегодня все чаще встречаются на дорогах. Это электромобили, используемые как личный транспорт, электробусы в качестве общественного пассажирского транспорта и грузовые электромобили, используемые для различных нужд. Главным свойством данной техники является обеспечение требуемого запаса хода на 1 подзарядке. Для этого необходимо применять совершенные компоненты силовой передачи, источники энергии и методы управления, обеспечивающие минимизацию энергозатрат.

Поскольку процессы в электромеханической силовой передаче протекают с высокой скоростью, в контуре управления двигателем с частотами до 10 кГц и более, при наличии низкой инерционности и жесткости внешней механической характеристики электродвигателя, создаются ситуации для возбуждения колебательных явлений. В особенности важны режимы изменения условий движения (тяговый, ведомый, тормозной), сопровождаемые изменением направления усилия в зоне контакта колеса с дорогой и направления приложения нагрузки в зубчатых зацеплениях. Данный процесс сопровождается пересопряжением, т.е. вхождением в зацепление другой стороны зубьев. При быстром изменении крутящего момента данный процесс может сопровождаться ударом с последующим возбуждением фрикционных колебаний. Поэтому важно эффективно управлять назначением крутящего момента для устранения данных негативных явлений.

Электромеханическая силовая передача, включающая тяговый привод и механическую трансмиссию, позволяет реализовывать рекуперативное замедление при отпускании педали хода. При этом можно выделить три зоны работы привода в зависимости от положения педали: I – тормозной режим; II – режим движения по инерции; III – тяговый режим (рис. 1).

Рис. 1. Основные принципы управления ускорением и замедление: а – при разгоне (ускорении); б – при замедлении (торможении)

Fig. 1. Basic principles of acceleration and deceleration control: a – during acceleration; b – during deceleration (braking)

В режиме движения по инерции для снижения динамической нагруженности механической трансмиссии электродвигатель может реализовывать небольшой рекуперативный момент. С этой точки зрения особенно важен переход между тяговым и тормозным режимами, так как в этих случаях происходит изменение направления приложения нагрузки в зубчатых передачах. Поскольку инерция электропривода мала в данном случае могут наблюдаться ударные нагрузки в зацеплениях механической передачи, проявляющиеся в колебаниях частоты вращения валов. Данное явление может возникать из-за изменения нагрузки как на выходном звене (колесе), так и на входном (вал электродвигателя). Последнее происходит из-за высокой жесткости внешней характеристики привода и колебаний (пульсаций) крутящего момента из-за не идеальности электромагнитной системы и методов управления.

Очень важно реализовывать методы управления крутящим моментов, позволяющие исключить или минимизировать дополнительные динамические нагрузки. Эта проблема определила постановку цели работы: проверка влияния законов задания момента на динамическую нагруженность различных.

Исследование характера различных зависимостей задания крутящего момента на динамическую нагруженность механических передач электропривода можно выполнять методами натурных экспериментальных исследований.

Исследование характера зависимости крутящего момента от положения педали хода

Существует как монотонный характер зависимости уставок крутящего момента от положения педали (рис. 2) и S-образный характер (рис. 3) [1-13].

Рис. 2. Монотонный характер зависимости уставок крутящего момента от положения педали

Fig. 2. Monotonous nature of the dependence of torque settings on pedal position

Рис. 3. S-образный характер зависимости уставок крутящего момента от положения педали [14]

Fig. 3. S-shaped dependence of torque settings on pedal position [14]

Значение рекуперативного крутящего момента в режиме движения по инерции обеспечивает как имитацию сопротивления в трансмиссии, так и исключение указанных выше пересопряжений при колебаниях сопротивления движения и нормальной нагрузки на колесах, а также оно влияет на энергоэффективность движения.

Значение рекуперативного крутящего момента в режиме движения по инерции h_dru – h_drd обеспечивает как имитацию сопротивления в трансмиссии, так и исключение указанных выше пересопряжений при колебаниях сопротивления движения и нормальной нагрузки на колесах, а также влияет на энергоэффективность движения.

Были проведены испытательные заезды транспортного средства [15] имеющего как монотонный, так и S-образный характер зависимостей крутящих моментов, при которых осуществлялись разгоны после трогания с места по прямой при нажатии педали хода и замедления при ее отпускании на ровной асфальтовой дороге. На ведущие колеса были установлены тензометрические колеса KistlerRim для фиксации силовых и кинематических параметров. Дополнительно параметры фиксировались с помощью штатных датчиков с CAN шины. При этом фиксировались значения угловых скоростей вала электродвигателя и положение педали хода. Для монотонного характера зависимости реализации процесса изменения положения педали хода и значений частоты вращения вала ротора приведены на рис. 4.

Рис. 4. Реализации частот вращения роторов тяговых электродвигателей при монотонном характере зависимости уставок крутящего момента (слева ‒ фрагмент 1; справа – фрагмент 2): а) положение педали хода, %; б) частота вращения ротора левого электродвигателя, об/мин;  в) частота вращения ротора правого электродвигателя, об/мин

Fig. 4. Realizations of rotation frequencies of traction electric motor rotors with a monotonic nature of the dependence of torque settings (left – fragment 1; right – fragment 2): a) position of the accelerator pedal, %; b) rotation frequency of the rotor of the left electric motor, rpm; c) rotation frequency of the rotor of the right electric motor, rpm

На рис. 4 отчетливо видны всплески на графиках угловых скоростей вращения роторов тяговых электродвигателей, свидетельствующие об ударной перекладке зубьев в механической передаче. Данные всплески реализаций могут в дальнейшем провоцировать автоколебания в механической трансмиссии, которым могут способствовать процессы в зоне контакта шины с дорогой [16-36], а также в электрической машине [37, 38] подавляемые в последствие с помощью управления электромеханическим приводом [39].

S-образный характер зависимости уставки крутящего момента тягового электродвигателя положитело сказывается на режимах работы механического привода, позволяя избежать ударной перекладки (пересопряжения зубьев). Реализации значений положения педали и частоты вращения вала двигателя приведены на рис. 5.

Рис. 5. Реализации положения педали хода и частот вращения роторов  тяговых электродвигателей при S-образном характере зависимости уставок  крутящего момента (слева ‒ фрагмент 1; справа – фрагмент 2):  а) положение педали хода, %; б) частота вращения ротора левого электродвигателя, об/мин;  в) частота вращения ротора правого электродвигателя, об/мин

Fig. 5.  Realizations of the position of the accelerator pedal and the rotation frequencies of traction electric motor rotors with an S-shaped dependence of torque settings (left – fragment 1; right – fragment 2): a) the position of the accelerator pedal, %; b) rotation frequency of the rotor of the left electric motor, rpm; c) rotation frequency of the rotor of the right electric motor, rpm

Исследование величины рекуперативного момента на энергоэффективность

Наличие режима замедления при отпускании педали хода (зоны I и II ‒ рис. 2,3) позволяет не только снизить динамическую нагруженность механических передач при переходных режимах движения, но и повысить энергоэффективность. Влияние на энергоэффективность проанализировано в процессе испытательных заездов исследуемого транспортного средства при осуществлении движения по циклу соответствующему городскому движению. Влияние величины рекуперативного момента при движении по инерции приведены в табл. 1.

Таблица 1. Влияние уставки рекуперативного момента в диапазоне положения педали h_dru – h_drd

Table Влияние уставки рекуперативного момента в диапазоне положения педали h_dru – h_drd

При уменьшении рекуперативного крутящего момента удельный расход энергии на движение снижается, ввиду увеличения общего пути, пройденного транспортным средством.

Величина уставки максимального рекуперативного момента при электродинамическом торможении и при движении по инерции должна иметь возможность настройки водителем или изменяться адаптивно в зависимости от условий движения. Высокое значение момента способствует излишней динамике замедления и уменьшает путь выбега, что мало энергоэффективно. Низкий рекуперативный момент не обеспечивает требуемого замедления при движении накатом.

Выводы

Введение в управление электромеханической силовой передачей S-образного закона управления устраняет колебательные явления в механических передачах при изменении режима движения с тягового на тормозной или движения по инерции, что выражается в отсутствие всплесков угловых скоростей вращения деталей. При этом снижается их динамическая нагурженность при изменении направления нагрузки в зубчатых зацеплениях – пересопряжении зубьев, за счет достижения изменения режима при нулевых производных изменения крутящего момента электродвигателя.

Величина рекуперативного момента, развиваемого электродвигателем при отпускании педали хода, влияет на энергоэффективность движения. Высокие значения рекуперативного момента увеличивают удельные затраты энергии за счет уменьшения тормозного пути на выбеге, что заставляет водителя воздействовать на педаль хода, переводя силовую передачу в тяговый режим.

Sobre autores

A. Klimov

Autor responsável pela correspondência
Email: klimmanen@mail.ru
ORCID ID: 0000-0002-5351-3622
Rússia, Moscow

Bibliografia

Arquivos suplementares

Arquivos suplementares

Ação

1. JATS XML

Baixar

2. Fig. 1. Basic principles of acceleration and deceleration control: a – during acceleration; b – during deceleration (braking)

Baixar (147KB)

Metadados

3. Fig. 2. Monotonous nature of the dependence of torque settings on pedal position

Baixar (4KB)

Metadados

4. Fig. 3. S-shaped dependence of torque settings on pedal position [14]

Baixar (97KB)

Metadados

5. Fig. 4. Realizations of rotation frequencies of traction electric motor rotors with a monotonic nature of the dependence of torque settings (left – fragment 1; right – fragment 2): a) position of the accelerator pedal, %; b) rotation frequency of the rotor of the left electric motor, rpm; c) rotation frequency of the rotor of the right electric motor, rpm

Baixar (526KB)

Metadados

6. Fig. 5. Realizations of the position of the accelerator pedal and the rotation frequencies of traction electric motor rotors with an S-shaped dependence of torque settings (left – fragment 1; right – fragment 2): a) the position of the accelerator pedal, %; b) rotation frequency of the rotor of the left electric motor, rpm; c) rotation frequency of the rotor of the right electric motor, rpm

Baixar (573KB)

Metadados