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《北京林业大学》 2016年
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单轨车的分布式动力系统设计及仿真

童修伟  
【摘要】:本研究依托于北京林业大学近年研制的BSR-1型山地林用单轨车(简称“单轨车”)。若推广使用,该单轨车还存在一些亟待解决的问题。首先,单轨车采用一台小型汽油机驱动牵引机来牵引各节挂车,牵引力全部集中在牵引机的驱动销轮的一个销齿上。由于结构尺寸限制了集中牵引力的大小,也就无法较大幅度地提高单轨车的额定载荷量,不实用。其次,单轨车采用的机械制动易磨损失效,且制动能量不能回收,能量损耗较大。第三,单轨车启动、停车、加减速等控制精度差,存在能量分配不合理,工作效率低的问题。因此,本研究采用由柴油发电机组和蓄电池提供能源动力,各节车厢采用电动机分布式驱动的方式。主要研究如下:1)根据原始数据和目标设定值,分析单轨车运输工况和作业流程,计算各种工况下的运行阻力,得出最大阻力和所需功率,为下一步整体动力系统匹配方案提供计算数据依据。2)根据理论计算出的数据设计提出车辆整体分布式动力系统配置方案和各种组件的选型。3)根据工况要求,设计了动力驱动控制系统,其主要包括以STM32为控制核心的整车控制器,电机驱动控制器,电池能量管理系统,再生能量制动控制器等。采取的控制策略是传统的PID控制。4)利用CarSim和Simulink对所设计的动力系统进行建模和联合仿真分析。仿真结果表明所设计出的分布式动力系统方案具有可行性,基本达到了载荷量、能量制动回收、控制精度、燃油经济性、工作效率和能量利用率的要求。
【关键词】:单轨车 分布式动力系统 能量回收制动 整车控制系统 联合仿真
【学位授予单位】:北京林业大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2016
【分类号】:S776
【目录】:
  • 摘要3-4
  • Abstract4-9
  • 1 绪论9-15
  • 1.1 研究背景和意义9-10
  • 1.1.1 研究的背景9
  • 1.1.2 研究的意义9-10
  • 1.2 单轨车的研究现状10-12
  • 1.2.1 国外研究现状10-11
  • 1.2.2 国内研究现状11
  • 1.2.3 国内外研究现状总结11-12
  • 1.3 动力驱动方式存在问题分析12-13
  • 1.4 主要研究内容和路线13-14
  • 1.4.1 主要研究内容13
  • 1.4.2 技术路线13-14
  • 1.5 本章小结14-15
  • 2 整体设计方案的分析15-20
  • 2.1 设计要求15
  • 2.2 整车组件的设计分析15-19
  • 2.2.1 动力装置的设计16
  • 2.2.2 传动系统的设计16-17
  • 2.2.3 制动系统的设计17
  • 2.2.4 挂车系统的设计17-18
  • 2.2.5 车轮系统的设计18-19
  • 2.3 本章小结19-20
  • 3 工况分析和行驶阻力计算20-26
  • 3.1 受力分析与计算20-24
  • 3.1.1 重力载荷计算20
  • 3.1.2 阻力载荷计算20-24
  • 3.2 工况分析及总阻力计算分析24-25
  • 3.2.1 工况分析24
  • 3.2.2 总阻力计算分析24-25
  • 3.3 本章小结25-26
  • 4 分布式动力系统执行机构的设计研究26-38
  • 4.1 动力方式简介26
  • 4.2 分布式动力系统整体方案26-27
  • 4.3 电动机的选择27-32
  • 4.3.1 对电动机的性能要求27
  • 4.3.2 交流异步电动机特性分析27-28
  • 4.3.3 电动机最大功率要求28-29
  • 4.3.5 电动机的转速选择29-30
  • 4.3.6 电动机的扭矩选择30-32
  • 4.4 减速器的设计32-34
  • 4.4.1 速比取值范围计算32-33
  • 4.4.2 传动系统的减速比计算33-34
  • 4.5 柴油发电机组的选择34-36
  • 4.5.1 柴油发电机组功率要求34-35
  • 4.5.2 柴油发电机组型号的选择35-36
  • 4.6 验证计算36
  • 4.6.1 驱动销轮的实际转速36
  • 4.6.2 单轨车的平均行驶速度36
  • 4.6.3 电动机的转矩36
  • 4.7 本章小结36-38
  • 5 分布式动力系统中的控制部分设计研究38-59
  • 5.1 整体控制结构组成38-44
  • 5.1.1 整车控制器38-39
  • 5.1.2 电机控制器39
  • 5.1.3 能量管理器39-40
  • 5.1.4 制动控制器40-41
  • 5.1.5 CAN总线41-44
  • 5.2 整车控制器的硬件设计44-53
  • 5.2.1 主控芯片及最小系统模块设计45-49
  • 5.2.2 电源模块设计49
  • 5.2.3 脉冲电路设计49-50
  • 5.2.4 开关量信号模块设计50
  • 5.2.5 模拟量信号模块设计50-52
  • 5.2.6 功率驱动模块设计52
  • 5.2.7 CAN通信模块设计52-53
  • 5.3 软件架构设计及控制策略53-57
  • 5.3.1 主程序设计53-54
  • 5.3.2 工况切换流程54-55
  • 5.3.3 加速模式控制流程55-56
  • 5.3.4 减速模式控制流程56
  • 5.3.5 制动能量回收控制流程56-57
  • 5.4 本章小结57-59
  • 6 基于carsim和simulink的动力系统建模和联合仿真分析59-74
  • 6.1 软件介绍59
  • 6.2 carsim车辆系统模型59-63
  • 6.2.1 车体模型59-61
  • 6.2.2 轮胎模型61-62
  • 6.2.3 动力系统执行机构建模62
  • 6.2.4 制动系统建模62-63
  • 6.2.5 传动系统建模63
  • 6.3 simulink模型63-64
  • 6.4 柴油发电机组特性仿真分析64-66
  • 6.5 CarSim与Matlab/Simulink联合仿真平台构建66-67
  • 6.6 CarSim与Matlab/Simulink联合仿真分析67-73
  • 6.6.1 动力性仿真结果分析67-69
  • 6.6.2 稳定性仿真结果分析69-70
  • 6.6.3 制动性仿真结果分析70-71
  • 6.6.4 能耗仿真结果分析71-73
  • 6.7 本章小结73-74
  • 7 结论与展望74-76
  • 7.1 结论74-75
  • 7.2 展望75-76
  • 参考文献76-79
  • 个人简介79-80
  • 第一导师简介80-81
  • 第二导师简介81-82
  • 致谢82

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