Влияние закона управления на колебательные процессы в электромеханическом приводе

Актуальность. В настоящее время транспортные средства с электромеханической силовой передачей и электрохимической аккумуляторной батареей в качестве источника энергии всё чаще можно встретить на улично-дорожной сети. Это электромобили, используемые как личный транспорт, электробусы как общественный пассажирский транспорт, грузовые электромобили, используемые для различных нужд. Главным свойством данной техники является обеспечение требуемого запаса хода на одной 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 жёсткости внешней механической характеристики электродвигателя, создаются ситуации для возбуждения колебательных явлений. Особенно 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 перекладкой, т.е. вхождением в зацепление другой стороны зубьев. При быстром изменении крутящего момента такой процесс может сопровождаться ударом с последующим возбуждением фрикционных колебаний. Поэтому важно эффективно управлять назначением крутящего момента для устранения данных негативных явлений.

Цель исследования. Необходимо проверить влияние S-образного закона назначения крутящего момента в управлении электромеханической силовой передачи на динамическую нагруженность механической трансмиссии и на энергоэффективность движения.

Материалы и методы. Исследование влияния закона назначения крутящего момента выполнено с применением методов экспериментальных исследований.

Результаты исследования. S-образный закон назначения крутящего момента показал возможность исключения возбуждения колебаний при изменении режима движения и направления приложения нагрузки в механической трансмиссии силовой передачи. Высокое значение рекуперативного момента при отпускании педали хода и движении в тормозном режиме снижает эффективность движения, увеличивая удельные энергозатраты на 1 км пути.

Заключение. Применение S-образного закона назначения крутящего момента возможно для реализации алгоритмов управления движением и реализации программного обеспечения.

1. Бутарович Д.О., Скотников Г.И., Эраносян А.В. Алгоритм управления рекуперативным торможением с помощью педали акселератора // Научно-технический вестник Брянского государственного университета. 2022. № 4. С. 275–281. DOI: 10.22281/2413-9920-2022-08-04-275-281.

2. Wen, He & Chen, Wang & Hui, Jia. A single-pedal regenerative braking control strategy of accelerator pedal for electric vehicles based on adaptive fuzzy control algorithm. Energy Procedia. 2018. 152. pp. 624–629. doi: 10.1016/j.egypro.2018.09.221

3. Yongqiang, Zhao & Xin, Zhang & Jiashi, Li & Haitao, Huo & Teng, Ma & Chunyu, Zhou. A research on evaluation and development of single-pedal function for electric vehicle based on PID. Journal of Physics: Conference Series. 2020. 1605.

4. Hongwen He; Chen Wang; Hui Jia and Xing Cui An intelligent braking system composed single-pedal and multi-objective optimization neural network braking control strategies for electric vehicle, Applied Energy. 2020. 259, (C) doi: 10.1016/j.apenergy.2019.114172.

5. Zhang J, Lv C, Gou J, et al. Cooperative control of regenerative braking and hydraulic braking of an electrified passenger car. Proc Inst Mech Eng, Part D: J Automob Eng 2012; 226(10). pp. 1289–302.

6. Guo J, Wang J, Cao B. Regenerative braking strategy for electric vehicles[C] // Intelligent Vehicles Symposium. IEEE. 2009. pp. 864–868.

7. Xu Guoqing, Li Weimin, Xu Kun, et al. An intelligent regenerative braking strategy for electric vehicles[J]. Energies. 2011. 4(9). pp. 1461–1477.

8. Zhang J, Lv C, Qiu M, et al. Braking energy regeneration control of a fuel cell hybrid electric bus[J]. Energy Conversion & Management. 2013. 76(76). 1117–1124.

9. Wang J.W, Tsai S.H, Li H.X, et al. Spatially Piecewise Fuzzy Control Design for Sampled-Data Exponential Stabilization of Semi-linear Parabolic PDE Systems [J]. IEEE Transactions on Fuzzy Systems. 2018.

10. Zhang Kangkang, Xu Liangfei et al. A Comparative Study on Regenerative Braking System and Its Strategies for Rear-wheel Drive Battery Electric Vehicles [J]. Automotive Engineering. 2015,(02). pp. 125–131.

11. Lv C., Zhang J., Li Y., et al. Mechanism analysis and evaluation methodology of regenerative braking contribution to energy efficiency improvement of electrified vehicles [J]. Energy Conversion and Management, 2015. 92. pp. 469–482.

12. Kulas R.A., Rieland H., and Pechauer J., “A System Safety Perspective into Chevy Bolt’s One Pedal Driving, ”SAE Technical Paper 2019-01-0133, 2019. DOI: 10.4271/2019-01-0133.

13. Wang J., Besselink I.J. M., van Boekel, J.J. P., & Nijmeijer, H. Evaluating the energy efficiency of a one pedal driving algorithm. 1-10. Paper presented at 2015 European Battery, Hybrid and Fuel Cell Electric Vehicle Congress (EEVC 2015), Brussels, Belgium. 2015.

14. Вильке В.Г., Шаповалов И.Л. Автоколебания в процессе торможения автомобиля // Вестник МГУ. Сер. 1. Математика, механика. 2015. № 4. С. 33–39.

15. Кручинин П.А., Магомедов М.Х., Новожилов И.В. Математическая модель автомобильного колеса на антиблокировочных режимах движения. Известия РАН, серия МТТ. 2001. № 6. С. 63–69.

16. Awrejcewiez J., Dzyubak L., Grehori C. Estimation of chaotic and regular (stick-slip and ship-slip) oscillations exhibited by coupled oscillations with dry friction // Nonlinear Dynamics. 2005. V. 42. No.2. P. 383–394.

17. Pascal M. Dynamics and stability of a two degrees of freedom oscillator with an elastic stop // Journal of Computational and Nonlinear Dynamics. 2006. V.1. No 1. P. 94–102.

18. Shin K., Brennan M.J., Oh J.-E., Harris C.J. Analysis of disk brake noise using a two-degrees-of-freedom model. Journal of Sound and Vibration. 2002. V. 254. No 5. P. 837–848.

19. Вильке В.Г., Шаповалов И.Л. Автоколебания в процессе торможения автомобиля // Вестник Московского университета. Серия 1. Математика. Механика. 2015. № 4. С 33–39.

20. Ергин А.А., Коломейцева М.Б., Котиев Г.О. Антиблокировочная система управления тормозным приводом колеса автомобиля. Приборы и системы. Управление, контроль, диагностика. 2004. № 9. С. 11–13.

21. Soliman A., Kaldas M. An investigation of anti-lock braking system for automobiles. SAE Tech. Paper. 2012. no. 2012-01-0209. https://doi.org/10.4271/2012-01-0209

22. Sun C., Pei X. Development of ABS ECU with hard ware-inthe-loop simulation based on labcar system. SAE Int. J. Passeng. Cars – Electron. Electr. Syst. 2015. vol. 8, no. 1. pp. 14–21. DOI: https://doi.org/10.4271/2014-01-2524.

23. Sabbioni E., Cheli F., d’Alessandro V. Analysis of ABS/ESP control logics using a HIL test bench. SAE Tech. Paper. 2011. no. 2011-01-0032. https://doi.org/10.4271/2011-01-0032

24. Жилейкин М.М. Исследование автоколебательных процессов в зоне взаимодействия эластичной шины с твердым опорным основанием // Известия высших учебных заведений. Машиностроение, 2021. № 10. С. 3–15. DOI: 10.18698/0536-1044-2021-10-3-15.

25. Жилейкин М.М., Сиротин П.В., Носиков С.С., Пуляев Н.Н. Метод выявления потери устойчивости движения тракторов при реализации тягового усилия на прицеп или сцепной агрегат // Тракторы и сельхозмашины. 2023. Т. 90, № 1. С. 39–48. DOI: 10.17816/0321-4443-321266. EDN ZCQJYM.

26. Грабар И.Г., Опанасюк Е.Г., Бегерский Д.Б., Опанасюк О.Е. Определение условий начала автоколебательных процессов в контакте модели пневматической шины с сыпучим грунтом // Вiсник СевНТУ. 2011. № 121. С. 139–142. EDN UMXAMR.

27. Клепиков В.Б. Динамика электромеханических систем с нелинейным трением: монография. Х.: Изд-во «Підручник НТУ “ХПІ”», 2014. 408 с. На рус. яз. ISBN 978-617-687-029-6.

28. Klimov A.V., Ospanbekov B.K., Keller A.V., Shadrin S.S., Makarova D.A., Furletov Y.M. Research into the Peculiarities of the Individual Traction Drive Nonlinear System Oscillatory Processes. World Electr. Veh. J. 2023. 14, 316. https://doi.org/10.3390/wevj14110316

29. Klimov A.V., Ospanbekov B.K., Antonyan A.V. [et al.] Detecting Wheel Slip to Suppress Self-Excited Oscillations in Braking Mode // World Electric Vehicle Journal. 2024. Vol. 15, No. 8. P. 340. DOI: 10.3390/wevj15080340. EDN FHAZAU.

30. Климов А.В. Колебательные процессы в нелинейной системе индивидуального тягового электрического привода // Грузовик. 2023. № 7. С. 19–24. DOI 10.36652/1684-1298-2023-7-19-24. EDN RXPWMI.

31. Климов А.В., Антонян А.В. Исследование особенностей протекания колебательных процессов в нелинейной системе индивидуального тягового привода электробуса // Известия МГТУ МАМИ. 2023. Т. 17, № 1. С. 87–96. DOI: 10.17816/2074-0530-115233. EDN DVWXHE.

32. Климов А.В. Противобуксовочная система с функцией подавления автоколебаний колёс в тяговом режиме работы // Труды НАМИ. 2023. № 3(294). С. 44–56. DOI: 10.51187/0135-3152-2023-3-44-56. EDN XJXUWX.

33. Климов А.В. Наблюдатель буксования ведущих колес с функцией подавления автоколебаний в тяговом режиме // Транспортные системы. 2023. № 2(28). С. 17–29. DOI 10.46960/2782-5477_2023_2_17. EDN HRSZDR.

34. Климов А.В. Подавление автоколебаний ведущих колес в тормозном режиме // Грузовик. 2023. № 9. С. 6–14. DOI: 10.36652/1684-1298-2023-9-6-14. EDN PUCDXP.