1885_XKA5750型數(shù)控銑床主傳動系統(tǒng)設(shè)計

1885_XKA5750型數(shù)控銑床主傳動系統(tǒng)設(shè)計,_xka5750,數(shù)控,銑床,傳動系統(tǒng),設(shè)計 黃河科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（文獻(xiàn)翻譯） 第 1 頁基于車輛動力學(xué)穩(wěn)定性控制的輪胎參數(shù)實(shí)時觀測摘要：車輛動力穩(wěn)定性控制系統(tǒng)（DCS）的性能主要由對輪胎受力的準(zhǔn)確實(shí)時的估計決定。輪胎受力的特點(diǎn)是由輪胎的動態(tài)特性和參數(shù)決定，而它們又會隨著工作環(huán)境的不同在很大程度上發(fā)生明顯的變化。目前，已經(jīng)有許多基于非線性觀測器來估計輪胎動力和動態(tài)參數(shù)的方法，但是由于它們計算復(fù)雜而且沒有很好的考慮四個輪子在轉(zhuǎn)向操縱條件下的動態(tài)差異，因此它們只用于離線分析。本文提出了一個新的算法，用于在（DCS）實(shí)時控制器中觀察輪胎的參數(shù)。這是一種基于傳感器的算法依靠來自 DCS 傳感器的信號融合技術(shù)，通過一組機(jī)動的程序來實(shí)現(xiàn)輪胎參數(shù)的估計。在控制周期內(nèi)校準(zhǔn)輪胎參數(shù)被視為車輛動態(tài)觀察的基本階段，其中計算和測量的車輛動態(tài)誤差被用作輪胎參數(shù)觀測過程中的修正因素。在一個給定的加速度下沿著直線運(yùn)動的測試過程被用來驗(yàn)證縱向剛度的估計方法，而在一個給定的轉(zhuǎn)向角度的測試過程則被用來驗(yàn)證側(cè)偏剛度的估計值。地面測試的結(jié)果表明，該算法可以準(zhǔn)確的估計輪胎的剛度，并且由于實(shí)時控制器只使用了 DCS 傳感器的信號，因此該算法計算成本可以接受。這一算法可以成為車輛動態(tài)穩(wěn)定性控制系統(tǒng)在輪胎動態(tài)參數(shù)估計方面的一個高效的算法，并可用來改善 DSC 控制器的魯棒性。關(guān)鍵詞：輪胎，縱向剛度，側(cè)偏剛度，車輛動力學(xué)穩(wěn)定性1 簡介隨著汽車底盤主動控制技術(shù)的發(fā)展，精確調(diào)整橫向和縱向輪胎受力的分布和范圍已經(jīng)成為提高輪胎動態(tài)穩(wěn)定性的一種重要方法。動態(tài)控制系統(tǒng)如：防抱死制動系統(tǒng)（ABS） ，牽引力控制系統(tǒng)（TCS） ，動態(tài)穩(wěn)定控制（DSC） ，的動態(tài)干預(yù)效果由輪胎與路面的摩擦值決定 1。VAN ZENTAN2首先解釋了基于基本輪胎力估計邏輯的 DCS 控制邏輯，哈托利等人 3進(jìn)一步開發(fā)了基于輪胎力非線性最佳分布控制的車輛動態(tài)管理系統(tǒng)。顯然對輪胎力的準(zhǔn)確估計已經(jīng)成為上文提到的動態(tài)控制系統(tǒng)中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)?？紤]到計算的復(fù)雜性和輪胎力估算方法的成本，簡化參數(shù)的輪胎模型是最常使用的方法 4。輪胎的參數(shù)，尤其是縱向和側(cè)偏剛度，決定了輪胎受力估計的精度。 黃河科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（文獻(xiàn)翻譯） 第 2 頁KIN5等人根據(jù)輪胎數(shù)據(jù)地圖來估計輪胎力，但是這種方法不能有效的補(bǔ)償氣壓，溫度，材料老化，輪胎的使用趨勢這些因素的影響作用。VAN ZENTAN2通過簡化的 HSRI 輪胎模型來估計輪胎的受力。這些動態(tài)狀態(tài)可以通過 DCS 控制的實(shí)時控制環(huán)節(jié)獲得 6。如果這些輪胎參數(shù)是通過 DCS 傳感器在車輛動態(tài)控制器中觀測的，那么就可能實(shí)現(xiàn)輪胎受力的精確估計了。一些研究小組已經(jīng)提出了在車輛動態(tài)控制中觀察輪胎參數(shù)的各種方法。RAY7通過擴(kuò)展卡爾曼-布西濾波（EKBF）來獲得輪胎參數(shù)。在這之后，李等人 8用 -slip 關(guān)系來估計摩擦力，即便是輪胎工作在較大的滑移率下。PASTERKAMP等人 9通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的方法來估計輪胎的受力。在基于效果的對 max 的預(yù)測中可能用到這些方法。然而這些方法沒能考慮到由四個輪子的單個主動控制，不同的垂直負(fù)載，或在 DCS 控制下的不平路面摩擦而引起的四個輪子之間的動態(tài)差異。同時由于計算復(fù)雜這些方法只用于離線分析。RYU10使用差分全球定位系統(tǒng)（DGPS ）來估計縱向剛度。他提出了基于GPS 的輪胎側(cè)偏剛度的實(shí)時識別辦法。但在車輛動態(tài)控制中差分全球定位系統(tǒng)由于其高成本而不被使用?？紤]到車輛動態(tài)狀態(tài)估計是 DCS 控制器中的一個基本組成部分，可以通過 DCS 的控制環(huán)節(jié)或者 DCS 傳感器例如：輪速傳感器，陀螺儀傳感器，轉(zhuǎn)向角傳感器獲得車輛和輪胎的動態(tài)狀態(tài)。輪胎參數(shù)觀測器可以集成到 DCS 控制器中，從而實(shí)現(xiàn)與輪胎相關(guān)的名義控制模型的實(shí)時自適應(yīng)調(diào)整。為了構(gòu)建輪胎縱向和側(cè)偏剛度的觀測器，由四個輪子的縱向和橫向的動態(tài)及負(fù)載轉(zhuǎn)移引起的差異要在論述中進(jìn)行補(bǔ)償?；镜囊?guī)則是：通過基于某個輪胎的打滑率的變化的縱向動態(tài)傳感機(jī)制來實(shí)現(xiàn)縱向剛度的檢測。側(cè)偏剛度則可以通過聯(lián)合勵磁支路在一個給定的轉(zhuǎn)向操縱中來實(shí)現(xiàn)檢測。車輛和輪胎的動態(tài)狀態(tài)可以通過 DCS 控制器獲得；這些相關(guān)狀態(tài)的觀測邏輯在本文中只作了簡短的描述。相關(guān)的橫向車輛和輪胎模型在第 2 節(jié)中論述。縱向剛度觀測器在第 3節(jié)中論述。側(cè)偏剛度在第 4 節(jié)中論述。最后，實(shí)車測試結(jié)果在第 5 節(jié)給出。2 車輛和輪胎模型一個七自由度的車輛動力學(xué)模型（圖 1）包括縱向，橫向，偏航運(yùn)動和四個輪子的旋轉(zhuǎn)，可能反映了負(fù)荷轉(zhuǎn)移的影響以及單個輪子在主動制動控制下的 黃河科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（文獻(xiàn)翻譯） 第 3 頁動態(tài)特性。該模型可以描述車輛的平面轉(zhuǎn)向的動態(tài)。這些相關(guān)的動態(tài)狀態(tài)也可以用 DCS 傳感器測量或估計。因此，該模型適合于輪胎動態(tài)觀測器。該模型的相關(guān)參數(shù)在表 1 中列出圖 1.七自由度四輪車輛模型表 1.被測車輛模型的相關(guān)參數(shù)動動力學(xué)方程可以表述如下： ()=(11+12)cos(11+12)sin+21+22,（ 1）(+)=(11+12)sin+(11+12)cos+21+22,(2) =(11+12)cos(1112)sin(21+22)(11+12)sin（3）.(1112)cos(2122)車輪的動力學(xué)方程是： 黃河科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（文獻(xiàn)翻譯） 第 4 頁,(4)()=() +()()在這里 i,j（i，j=1,2）代表了不同的輪子。F x 和 Fy 分別是輪胎在縱向和橫向受的力。v x 和 vy 分別代表輪胎橫向和縱向的速度。 表示車輛的偏轉(zhuǎn)率。 w代表前輪的轉(zhuǎn)角。Tw 代表車輪的制動力矩。M calhalf 表示驅(qū)動力矩，可以從引擎控制系統(tǒng)獲得。W whl 是車輪的角速度。VAN ZENTEN 根據(jù) Dugoff 輪胎模型提出了 DCS 中輪胎受力估計的邏輯，可以用輪胎動態(tài)狀態(tài)實(shí)時控制中的一個簡單的關(guān)系來描述非線性摩擦性能。并且根據(jù) Dugoff 輪胎模型中描述的關(guān)系，可以很容易的根據(jù)輪胎的縱向受力推導(dǎo)出其橫向受力。因此 Dugoff 輪胎模型是車輛動態(tài)控制系統(tǒng)中合適的輪胎模型。該模型表示如下：=1,12 11 142,12（ 5）=11tan,12 11 142tan,12 （ 6）這里 H 是綜合的滑動參數(shù)，C 和 C 分別代表輪胎的縱向剛度和側(cè)偏剛度，和 分別代表輪胎的滑移率和滑移角。3 輪胎的縱向剛度觀測器Dugoff 輪胎模型應(yīng)用在縱向剛度觀測器中。為了估計結(jié)果的精確性輪胎的受力應(yīng)該定義在輪胎道路摩擦曲線的線性區(qū)域。CARLSON 等人曾經(jīng)提出了一種輪胎縱向剛度觀測方法，在該方法中輪胎的半徑和剛度同時被估計，但前提是假設(shè)左右輪的動態(tài)是一樣的。但是在實(shí)時觀測中，輪胎的半徑可以很容易的測得，然而輪速波動和噪聲可能會因?yàn)槁窙r的不同而有明顯的差異。所以在認(rèn)為四個輪子的半徑和輪胎的類型是一樣的情況下四個輪子的動態(tài)必須包含在觀測過程中。如果一個車輪的滑移率低于 5，則輪胎的縱向受力與滑移率的關(guān)系可以 黃河科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（文獻(xiàn)翻譯） 第 5 頁表示為線性如下：= 1.(7)將驅(qū)動輪的在驅(qū)動狀態(tài)下的滑動率定義如下：= ,(8)當(dāng)車輛沿直線運(yùn)動時，輪胎的縱向剛度可以逐個觀測。如果車輛運(yùn)行的速度低則空氣動力學(xué)和滾動阻力的影響可以忽略不計。因此車輛在水平地面的縱向運(yùn)動方程可由式（1）簡化：= 2,=1(9)假設(shè)前面輪胎的縱向輪胎剛度是相同的，則只用考慮前輪的驅(qū)動力?？v向方程是基于式（7）（9） ，可表示如下：=1 1(2)(10)這里 sign表示測量或檢測狀態(tài)。輪速傳感器可以測量車輪的轉(zhuǎn)角 u 然后令,則()=142,=1()=142,=1(), =142,() . (11)在 DCS 控制系統(tǒng)里，控制器可以在時間間隔 T通常情況下為 10 毫秒內(nèi)，通過輪速脈沖捕獲轉(zhuǎn)角運(yùn)動并且計算輪速。那么，=+22 , =+22+1+22 . (12)在即時參數(shù) k 下，車速和車輛縱向加速度的錯誤可能被包含在估計值中。則 黃河科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（文獻(xiàn)翻譯） 第 6 頁=+,=+,=+22 =+. (13)從式子（10）-（13），縱向的方程可以表述如下：1 11+12 (2)=+0 (11+12)(11+12)(+) (2). (14)上述方程是縱向剛度的線性觀測方法，可以用最小二乘發(fā)來計算 C 和 Rf。乘項(xiàng)的錯誤可表述如下：,(11+12)(11+12)(+)這往往會使參數(shù)估計出現(xiàn)偏差，為了克服這樣的錯誤 vx 只能由兩個自由的后輪推導(dǎo)出來。那么，=+， 21+222 =(21+21+22+22)2 , =21+222 =(21+21+22+22)2 .(15)由式（10） ，該方程可轉(zhuǎn)化為：= 2,=1=11 +12 =0. (16)將式（16）乘以 vx，用式（15）代替 vx 和 我們就得到：=24(+21+21+22+22)(21+21+22+22)(21+21+22+22)(11+11+12+12)=0.(17)在實(shí)際的測試中，輪胎的半徑變化較小幾乎可以看做保持不變。R r 和 R f 黃河科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（文獻(xiàn)翻譯） 第 7 頁可以看做不變，以減少計算的復(fù)雜性。那么在即時參數(shù) k 下，式（17）可表述為以下方便的形式：(11,12,21,22,11,12,21,22,)=0.(18)來自 DCS 傳感器的檢測信號的錯誤，例如：輪速和縱向速度估計值，可能被視為獨(dú)立的零均值IZM 噪聲。為了使測量誤差平方后的總值最小，這個問題將轉(zhuǎn)化為利用檢測到的 IZM 噪聲來找出正確的參數(shù)。那么式（18）可表述如下：(19)11;12;21;22, . (11,12,21,22,11,12,21,22,)=0.為了降低實(shí)時控制器的計算復(fù)雜程度，觀測器可以劃分成兩個級聯(lián)的觀測器。先估計 Vx，再估計縱向剛度。初試值有一個給定的常用范圍：CminCCmax。式（19）可簡化為：(20)11;12, . (11,12,11,12,). =0觀測器可以和 DSC 控制算法集成在一塊。如果控制器得到檢測縱向剛度的命令，那么驅(qū)動程序?qū)⒈桓嬷詼睾偷募铀俸蜏p速操作驅(qū)動車輛沿直線運(yùn)動。根據(jù)檢測到的轉(zhuǎn)向角，控制器可以判斷車輛是否在一條直線上。如果符合要求，控制器將會存儲給定時間內(nèi)的輪速，縱向速度和加速度。然后計算出 C。觀測過程可通過圖 2 說明。 黃河科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（文獻(xiàn)翻譯） 第 8 頁圖 2 輪胎縱向剛度觀測示意圖4 輪胎側(cè)偏剛度的檢測側(cè)偏剛度可以在自由滑行時的一個轉(zhuǎn)向操作中檢測。前輪的驅(qū)動力被視為0。如果前輪的轉(zhuǎn)角很小，那么車輛的動力學(xué)方程可由式（2）-（3）推導(dǎo)出。則只需估計前輪的側(cè)偏剛度：(+)+=(11+12)+(1211).(21)如果側(cè)偏角不超過 5 度，線性的水平輪胎力可以用 HSRI 輪胎模型來估計，并且認(rèn)為兩輪的側(cè)偏角是相等的。式（21）可進(jìn)一步簡化如下：+=2.(22)我們可以定義：=.+,=,=.(23)如果用集成的方法計算側(cè)偏角，那么只要整合的時間足夠長累積得錯誤就會大幅增加。因此，用衰減系數(shù) （1）縮減錯誤。那么：. (24)=用到了復(fù)化梯形積分： 黃河科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（文獻(xiàn)翻譯） 第 9 頁+1 =+.(25)考慮到轉(zhuǎn)向角的測量誤差，水平加速度，偏航率以及輪速，式（22）可表示如下：=( + )+12(21+21+22+22)(+)+(+)2.+.+ 2(+)21+21+22+22=0.(26)vx 是由自由滾動的車輪的輪速信號計算得出的。如果車輛處于自由滑行時的轉(zhuǎn)向操作中，那么 vx 可以被看作側(cè)偏剛度檢測中的一個獨(dú)立參數(shù)。因此，側(cè)偏剛度檢測器是一個級聯(lián)的觀測器。首先，檢測 vy（或側(cè)偏角），然后檢測側(cè)偏剛（26）可簡化下：=( + )+(+)+(+)2.+.+(+) =0(27)加上一個即時參數(shù) k，式（27）可簡便的表述如下：(,)=0.(28)為了降低計算的復(fù)雜度圍繞輪胎剛度的的常用范圍 CminCfCmin 給出了恰當(dāng)?shù)某跏贾怠Ｄ敲捶蔷€性估計方程如下：(29), . (,)=0,. 該檢測過程如圖 3 所示： 黃河科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（文獻(xiàn)翻譯） 第 10 頁圖 3 輪胎側(cè)偏剛度的概略圖觀測器可以和 DCS 控制算法集成在一塊。如果控制器得到檢測偏轉(zhuǎn)剛度的命令，那么驅(qū)動程序?qū)⒁砸粋€溫和的轉(zhuǎn)角驅(qū)動車輛；為了控制水平加速度，縱向速度必須適應(yīng)轉(zhuǎn)向角。這樣輪胎就能夠在水平方向上工作在線性區(qū)域內(nèi)。根據(jù)測量到的轉(zhuǎn)向角，偏航率以及水平加速度控制器就能夠判斷汽車是否以一個適應(yīng)的方式運(yùn)行。如果條件滿足，該控制器將在給定的時間內(nèi)存儲這些相關(guān)數(shù)值。然后觀測器開始計算 5 在線測試受力檢測器集成在 DCS 控制器里，當(dāng)驅(qū)動程序以某一給定操作驅(qū)動車輛，就會有一個子程序來校準(zhǔn)輪胎的剛度。5.1 縱向剛度的驗(yàn)證首先，在操縱過程測試中觀測輪胎的縱向剛度。讓車輛沿直線加速，加速度 ax 范圍是 03m/s 2 典型的數(shù)據(jù)集如圖 4 所示。在測試中有兩個加減速周期。DCS 傳感器測量四個輪子的轉(zhuǎn)角。然后可以通過有限差分的方法推導(dǎo)出縱向速度和加速度。接著可以利用式（20）來估計縱向剛度。 黃河科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（文獻(xiàn)翻譯） 第 11 頁圖 4 為觀測 Cf 設(shè)置的典型數(shù)據(jù)正如圖 5 所示，分別基于線性和非線性觀測器來估計縱向剛度。進(jìn)行不同初始值得反復(fù)試驗(yàn)：估計值列于表 2.非線性觀測器更為精確并且硝化數(shù)量比線性的小。輪胎的類型是米其林 MXV8-205/55R16-91V。垂直載荷約是 4120N。車輛和輪胎的參數(shù)由華晨汽車有限公司和米其林提供。 黃河科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（文獻(xiàn)翻譯） 第 12 頁圖 5 基于通過線性和非線性方法縱向剛度估計表 2 縱向剛度估計值5.2 側(cè)偏剛度驗(yàn)證為了觀測側(cè)偏剛度，設(shè)置了如下試驗(yàn)：（1）轉(zhuǎn)向角輸入是固定的，車輛繞一半徑約為 16m 的圓運(yùn)行。（2）轉(zhuǎn)向角，偏航率，橫向加速度及輪速通過 DCS 傳感器測量。（3）車輛的滑動角通過式（23）和(25)估計。估計邏輯也集成在 DCS 控制器中。（4）檢測器收集典型的數(shù)據(jù)集并計算出側(cè)偏剛度。測試數(shù)據(jù)集如圖 6 所示，側(cè)偏剛度的估計如圖 7 所示。來自三項(xiàng)非線性觀測的估計值列于表 3。因?yàn)檐囕v是穩(wěn)定的并且 DCS 控制器在測試的過程中是未激活狀態(tài)，所以計算輪胎剛度的計算能力是足夠的?？刂破鞯闹餍酒怯w凌 XC2000，控制周期為 40ms?？刂破鞯挠嬎銜r間是 9ms。縱向剛度的估計過程可能在 10ms 內(nèi)完成，側(cè)偏剛度的估計過程可能在 15ms 內(nèi)完成。因此整個輪胎參數(shù)的估計過程將很容易在 DCS 實(shí)時控制器中實(shí)現(xiàn)。 黃河科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（文獻(xiàn)翻譯） 第 13 頁圖 6 為觀測側(cè)偏剛度設(shè)置的測試數(shù)據(jù)圖 7 側(cè)偏剛度估計值表 3 側(cè)偏剛度的估計值（ w= 0.16rad） 黃河科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（文獻(xiàn)翻譯） 第 14 頁6 結(jié)論（1）利用 DCS 傳感器獲得的信號和直接從 DCS 控制器獲得的一些相關(guān)的車輛動態(tài)狀態(tài)輪胎剛度參數(shù)，在提出的觀測方法中通過一個給定的校準(zhǔn)操作過程可實(shí)現(xiàn)輪胎剛度參數(shù)的估計。（2）輪胎縱向剛度和側(cè)偏剛度的計算復(fù)雜程度在實(shí)車測試中的到了驗(yàn)證。結(jié)果表明該估計算法可用在實(shí)時控制器中。（3）校準(zhǔn)操縱過程很簡單，并且當(dāng)車輛在普通駕駛狀態(tài)下運(yùn)行時控制器可以很容易的激活估計算法。（4）輪胎參數(shù)估計的精度并不依賴于車輛和輪胎模型。該算法可以集成在DCS 控制算法中來提高魯棒性。參考文獻(xiàn)：1 LI Liang，LI Hongzhi，SONG lian，et a1Road friction estimation under complicated maneuver conditions for active yaw controlJChinese Journal of Mechanical Engineering,2009，22(4) ：5145202 VAN ZANTEN A TControl aspect of Bosch-VDCCThe3rd International Symposium on Advanced Vehicle Control Aachen, Germany1 996：5736073HAITTOR1 H，KOIBUCHI K，YOKOYAMA TForce and moment contr01 with nonlinear optimum distribution for vehicle dynamicsCThe 6th International Symposium on Advanced Vehicle Control, 黃河科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（文獻(xiàn)翻譯） 第 15 頁Hiroshima，Japan2002：595-6004LI Liang，SONG Jiang，WANG Huiyi，et a1Fast estimation and compensation of the tire force in real time control for vehicle dynamic stability control systemJInternational Journal of Vehicle Design，2008，48(3-4)：208-2295KIN K， RYU H，IKEDA T，et a1Enhanced vehicle stability and stecrability with VSACThe 6th International Symposium on Advanced Vehicle Control HiroshimaJapan2002：75-806TSENG H E，AsHRAFI B，MADAU DThe development of vehicle stability control、 at fordJ IEEE，ASME Transactio on Mechatronics，1999，4(3) ：223-2347RAY LAuRA RNonlinear state and tire force estimation for advanced vehicle controlJ1EEE Transaction on Control System Technology,199513r11：117-1248LEE Chankyu，HEDRjCK Karl，YI KyongsuReal-time slipbased