有轨电车独立旋转车轮主动导向控制与转矩分配策略研究

作     者：李正武 

作者单位：北京交通大学 

学位级别：硕士

导师姓名：林飞

授予年度：2023年

学科分类：08[工学] 082304[工学-载运工具运用工程] 080204[工学-车辆工程] 0802[工学-机械工程] 0823[工学-交通运输工程] 

主      题：有轨电车 独立旋转车轮 导向控制 黏着控制 转矩分配 

摘      要：低地板有轨电车具有低噪声、乘坐舒适、绿色环保、无需高站台等优点,目前已成为城市轨道交通的重要组成部分。独立旋转车轮是实现有轨电车低地板的关键技术。与传统的刚性轮对相比,独立旋转车轮具有更强的稳定性和小曲线通过性能,但是缺乏直线对中和曲线导向的能力。本文以牵引电机导向型独立旋转车轮为研究对象,围绕独立旋转车轮导向控制技术展开研究,重点关注多约束条件下的主动导向控制策略和整车转矩协调优化控制策略。横向位移控制可以使独立旋转车轮具有较为优越的导向性能,但是在运行工况变化后,系统的稳定性、鲁棒性和动态性能变差。针对该问题,本文提出基于模糊逻辑控制的参数自适应调整策略,使导向控制器参数在运行工况变化后能够自动寻优。此外,考虑到有轨电车复杂多变的运行工况导致模糊控制器参数整定困难,且牵引电机转矩和功率对导向转矩产生一定的限制,本文以横向位移与电机导向功率加权和作为目标函数,以轮轨游间、电机转矩和功率作为约束条件,利用遗传算法对模糊控制器参数进行求解。独立旋转车轮导向转矩的分配通常采用平均分配的方式。由于低地板有轨电车在运行过程中载荷会发生动态转移,平均分配的方式会出现低载荷车轮分配大转矩的情况,容易导致车轮提前进入黏着不稳定区。本文提出基于负荷率的转矩优化分配策略,在保证牵引/制动力和导向转矩不变的前提下,以整车车轮负荷率最小化为目标函数,通过建立二次规划问题对牵引电机的最优转矩进行求解,提升了车辆的稳定裕度。牵引/制动转矩、导向转矩的实现都依赖于轮轨间黏着力。现有的黏着控制是针对刚性轮对进行设计的。本文在刚性轮对优化黏着控制的基础上,将黏着控制运用对象由轮对转移到单个车轮上,提出适用于独立旋转车轮的空转/滑行检测方法。在轨面状态变差时,独立旋转车轮的正常运行需要在黏着范围内进行不同转矩指令的协调控制,本文将黏着控制和导向控制结合,提出考虑黏着限制的转矩分配策略。最后,搭建了小功率独立旋转车轮实验台和半实物实验平台。在小功率独立旋转车轮实验台上完成了主动导向控制策略的验证。在半实物实验平台上完成了转矩分配策略的验证。