独立轮对模型车转速主动控制实验

摘 要：独立轮对的导向是轻轨低地板车辆设计中的热点问题。本文以已有的独立轮对模型车为载体进行独立轮对主动控制的仿真和实验以改善模型车自动对中能力。仿真主要针对基于横向位移反馈的转速控制和基于摇头角的转速控制。实验主要针对基于横向位移反馈的转速控制。

关键词：独立轮对；主动控制；仿真计算；实验

中图分类号：TP27 文献标识码：A

轻轨车辆可采用独立轮对的结构以降低地板高度。因独立轮对没有类似传统轮对的纵向蠕滑力矩而失去了传统轮对的自动导向能力，在直线上不能自动对中[1]。为了改善独立轮对车辆的导向能力，主动控制方案是解决方案之一。本文主要针对基于转速控制的独立轮对模型车的直线对中能力进行仿真和实验。

利用两个电机进行了基于摇头角反馈的电机实验，初步验证了主动控制方案的可行性。文献[4]和文献[5]分析比较了独立轮对和传统刚性轮对的导向机理，给出了独立轮对直线上对中能力较弱的结论及其原因。文献[6]给出了基于转速反馈的摇头力矩主动控制方案。本文从已有的独立轮对模型车进行分析和实验，研究通过主动控制方案改善模型车直线上的自动对中能力。

1.独立轮对模型车运动过程分析

独立轮对模型车通过前轮的两个电机提供牵引力和导向力。PC作为上位机向伺服控制器发送命令，伺服控制器控制分别控制两个电机的转速。

自由独立轮对运动方程[7]：

不考虑轮缘接触踏面，同时等效斜度为零，可得模型车的运动方程：

其中前轮左、右轮速度差为：

不采取速差控制条件下，同时对模型车给一个2mm的横向位移激扰和0.02的摇头角激扰，不考虑轮缘接触及重力复原力，仿真结果如下。

在不采取主动控制条件下，模型车自动对中能力很差，轮对朝着不变的摇头角向一侧右侧钢轨滚动，直到左、右车轮的重力复原力之差与横向蠕滑力达到一个平衡，轮对的横移才会停止。

仿真结果说明：独立轮对模型车在不采取主动控制的条件下自动对中能力很差。

2. 独立轮对模型车转速控制仿真

采用位移反馈时，进行简单的比例控制，此时

；

仿真结果说明：采用位移反馈时可以改善模型车对中能力，使独立轮对模型车慢慢回到轨道中心线，但是同刚性轮对的蛇形运动相似，独立轮对无法完美的回到轨道中心线位置。

采取摇头角反馈时，进行简单的比例控制，此时

；

仿真结果说明：采用摇头角反馈可以改善模型车对中能力，可以使摇头角回到正常状态，但无法使横向位置回到中心线位置。

3独立轮对模型车转速控制实验结果

利用已有的独立轮对模型车，进行了低速情况下基于横移反馈的转速控制实验，对模型车的横向位移进行采集，实验结果如下：

结语

本文对独立轮对模型车的主动控制进行了仿真分析和具体实验，结果表明：

1、以横向位移作为转速控制的反馈量时，独立轮对能够慢慢回到轨道中心线，独立轮对的自动对中能力得到改善，但无法使轮对完美的回到中心线位置，最终形成类似于自由刚性轮对的蛇形运动；

2、以摇头角作为转速控制的反馈量时，虽然可以使摇头角回到正常状态从而改善模型车对中能力，但同样无法使模型车完美的回到中心线位置，最终导致模型车存在横向偏移偏差。

参考文献

[1] 孙效杰.电气耦合独立车轮转向架导向技术研究[D] 西南交通大学研究生院学位论文.2010：2-5.

[2] 李哲峰. 100%低地板牵引传动系统分析与控制策略研究[D].北京交通大学博士论文2009：54-55.

[3] B.Liang，S.D.Iwnicki. An Experimental Study of Independently Rotating Wheels for Railway Vehicles[J] IEEE International Conference on Machatronics and Automation Aug.2007：82-86.

[4]任毅，李芾，黄运华.独立旋转车轮导向机理研究[J] 机车电传动，2009（4）：25-35.

[5]陈泽深.独立车轮转向架的导向原理[J]. 铁道机车车辆，1999（1）：16-22.

[6]任利惠，周劲松，沈钢.采用轮毂电机的独立车轮轮对的主动导向控制[J].中国铁道科学，2010（5）：77-83.

[7]任利. 独立轮对导向技术研究[D].同济大学博士论文.2006：84-109.