雙電動(dòng)輪裝載機(jī)制動(dòng)控制策略研究與仿真

卞永明，李生博，朱利靜，蔣 佳，蘭 皓，何 勇

（1.同濟(jì)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，上海 201804；2.中國交通建設(shè)第二航務(wù)工程有限公司，湖北 武漢 430040）

車輛制動(dòng)性能無疑是影響車輛安全性的重要因素之一.在對(duì)裝載機(jī)電力驅(qū)動(dòng)行走技術(shù)的研究中，雙電動(dòng)輪裝載機(jī)的制動(dòng)系統(tǒng)必須始終滿足2個(gè)要求.首先，在緊急制動(dòng)狀態(tài)下，必須使車輛在最短可能的距離中停止；其次，必須保持對(duì)車輛方向的控制.前者要求在所用的車輪制動(dòng)系統(tǒng)能供給足夠的制動(dòng)轉(zhuǎn)矩.后者要求所有的車輪上平均分配制動(dòng)力.國內(nèi)外對(duì)如何充分利用車輛的制動(dòng)能量進(jìn)行了大量的工作，提出了多種回饋制動(dòng)與液壓制動(dòng)匹配控制的策略和方法，如并行分配策略、最佳制動(dòng)力分配比策略、最佳能量回收策略等［1］.本文所研究的車型是ZLM15B輪式電力驅(qū)動(dòng)裝載機(jī).該裝載機(jī)行走系統(tǒng)采用雙電動(dòng)輪作為驅(qū)動(dòng)系統(tǒng).整車為前橋驅(qū)動(dòng)，電動(dòng)機(jī)通過傳動(dòng)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)前輪.

1 永磁同步電動(dòng)輪

永磁同步電動(dòng)輪前驅(qū)裝載機(jī)（見圖1）行走系統(tǒng)取消了分動(dòng)箱、液力變矩器和變速箱等機(jī)械部件，改由2個(gè)永磁同步電動(dòng)輪前用3相380V交流電源代替?zhèn)鹘y(tǒng)柴油發(fā)動(dòng)機(jī).永磁同步電動(dòng)輪（見圖2）由永磁同步電機(jī)（Permanent Magnet Synchronous Motor，PMSM）和行走減速器組成，車輪直接與行走減速器連接，集行走和制動(dòng)于一體.這是國內(nèi)首次將PMSM應(yīng)用在工程機(jī)械輪邊驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中.

圖1 永磁同步電動(dòng)輪驅(qū)動(dòng)裝載機(jī)Fig.1 Loader driven by PMSM

圖2 永磁同步電動(dòng)輪Fig.2 PMSM electric wheel

圖3 永磁同步電動(dòng)輪裝載機(jī)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Control system structure schematic drawing of PMSM loader

永磁同步電機(jī)能量回饋制動(dòng)原理介紹整機(jī)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示.電機(jī)控制器接收轉(zhuǎn)矩控制指令，采用弱磁控制算法控制電機(jī)運(yùn)行，起步階段低速恒力矩輸出，運(yùn)行階段高速恒功率運(yùn)行.整機(jī)控制器根據(jù)加速或制動(dòng)踏板的信號(hào)，向2個(gè)電機(jī)控制器發(fā)出相同電機(jī)轉(zhuǎn)矩控制指令，整機(jī)速度則由電機(jī)轉(zhuǎn)矩與外負(fù)載的平衡點(diǎn)決定［2］.

2 永磁同步電機(jī)能量回饋制動(dòng)

對(duì)于永磁同步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)來說，常用的制動(dòng)方式有能耗制動(dòng)、反接制動(dòng)和再生制動(dòng)3種方式.其中能耗制動(dòng)和反接制動(dòng)是依靠在主回路中串接能耗電阻，實(shí)現(xiàn)制動(dòng)的.再生制動(dòng)是通過改變逆變器開關(guān)順序來實(shí)現(xiàn)的［3］.能耗制動(dòng)和反接制動(dòng)均需在電樞回路中串接耗能電阻，且制動(dòng)的能量也是以熱的形式散失掉，得不到回收利用.從電機(jī)電磁制動(dòng)機(jī)械特性來看，反接制動(dòng)效果最好，但易產(chǎn)生較大的制動(dòng)電流，且電路硬件實(shí)現(xiàn)相對(duì)復(fù)雜.再生制動(dòng)可以延長電動(dòng)車在單電池條件下的續(xù)駛歷程，因此采用了再生制動(dòng)的制動(dòng)方式.

通常意義上的同步永磁電機(jī)多傳動(dòng)包括整流橋、直流母線供電回路、若干個(gè)逆變器，其中電機(jī)需要的能量是以直流方式通過脈沖寬度調(diào)制（PWM）逆變器輸出.在多傳動(dòng)方式下，制動(dòng)時(shí)感生能量就反饋到直流回路.通過直流回路，這部分反饋能量就可以消耗在其他處在電動(dòng)狀態(tài)的電機(jī)上，制動(dòng)要求特別高時(shí)，只需要在共用母線上并上1個(gè)共用制動(dòng)單元即可.以此參照到眾多的制動(dòng)小系統(tǒng)應(yīng)用，也不失為效率好、節(jié)能高的制動(dòng)方式.

共用直流母線方式的再生能量回饋系統(tǒng)（見圖4），是用1種最簡單的辦法來實(shí)現(xiàn)回饋制動(dòng)方法.通過這種方式，它可以將制動(dòng)產(chǎn)生的再生能量進(jìn)行充分利用，從而起到既節(jié)約電能又處理再生電能的功效.

圖4中，VF1和VF2為變頻器，接線是典型的共用直流母線的制動(dòng)方式，Ud為直流母線電壓，3-M1為三相永磁同步電機(jī)1，3-M2為三相永磁同步電機(jī)2，Te為電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩，ω為電機(jī)輸出轉(zhuǎn)速.M1，M2制動(dòng)時(shí)處于發(fā)電狀態(tài)，三相交流電源接到處于電動(dòng)狀態(tài)的電機(jī)M1上的變頻器VF1端，而VF2則通過共用直流母線方式與VF1的母線相連.在此種方式下，VF2僅做為逆變器在使用，電機(jī)處于電動(dòng)時(shí)，所需能量由交流電網(wǎng)通過VF1的整流橋獲得；電機(jī)處于發(fā)電時(shí)，反饋能量通過直流母線流入超級(jí)電容.

圖4 共用直流母線回饋制動(dòng)方式Fig.4 Feedback braking of common DC bus

3 串聯(lián)制動(dòng)控制策略

雙電動(dòng)輪裝載機(jī)制動(dòng)控制系統(tǒng)的再生制動(dòng)主要需要解決兩個(gè)基本問題：一是如何在再生制動(dòng)和機(jī)械摩擦制動(dòng)之間分配所需的總制動(dòng)力，以回收盡可能多的車輛動(dòng)能；二是如何分配總制動(dòng)力，以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的制動(dòng)狀態(tài)［4］.通常，再生制動(dòng)只對(duì)驅(qū)動(dòng)軸有效.為回收盡可能多的動(dòng)能，必須控制牽引電機(jī)產(chǎn)生特定量的制動(dòng)力，而同時(shí)，應(yīng)控制機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)，滿足駕駛員給出的制動(dòng)力指令.基本上，有3種不同的制動(dòng)控制策略：具有最佳制動(dòng)感覺的串聯(lián)制動(dòng)、最佳能量回收率的串聯(lián)制動(dòng)及并聯(lián)制動(dòng)［5］.

本文系統(tǒng)采用同時(shí)具有最佳制動(dòng)感覺和最佳制動(dòng)能量回收率的串聯(lián)制動(dòng)系統(tǒng).具有最佳的能量回收的特點(diǎn)：施加于前輪（驅(qū)動(dòng)軸）上的制動(dòng)力可分為2部分：再生制動(dòng)力和機(jī)械摩擦制動(dòng)力，當(dāng)所需要的制動(dòng)力小于電動(dòng)機(jī)所能產(chǎn)生的最大制動(dòng)力時(shí)，將只應(yīng)用電再生制動(dòng).當(dāng)給出的制動(dòng)力指令大于可應(yīng)用的再生制動(dòng)力時(shí)，電動(dòng)機(jī)將運(yùn)行以產(chǎn)生其最大的制動(dòng)轉(zhuǎn)矩，同時(shí)，剩余的制動(dòng)力將由機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)予以滿足；同時(shí)，又具有最佳能量回收率的串聯(lián)制動(dòng)系統(tǒng)的特點(diǎn)：在滿足對(duì)應(yīng)于給定負(fù)加速度指令的總制動(dòng)力情況下，盡可能多地回收制動(dòng)能量.

4 雙電動(dòng)輪裝載機(jī)制動(dòng)控制系統(tǒng)仿真

根據(jù)雙電動(dòng)輪裝載機(jī)的平地空載、平地重載、下坡空載、上坡重載等工況，選擇基于弱磁控制的PWSM作為電動(dòng)輪的驅(qū)動(dòng)電機(jī)，建立了仿真模型，仿真分析了分別采用電力制動(dòng)和機(jī)械制動(dòng)在以上各工況下的制動(dòng)性能及能量回收情況.

仿真參數(shù)主要包括整車參數(shù)和各種傳動(dòng)部件的主要參數(shù)：整機(jī)質(zhì)量m＝5.5t，裝載石頭質(zhì)量m2＝1.4 t，滾動(dòng)阻力系數(shù)為0.05，最大爬坡角度為25°，輪胎直徑為1.075m減速箱，行走減速器減速比為86，采用直流無刷電機(jī)，功率為5kW，電壓為273V，制動(dòng)器為鉗盤式制動(dòng)器.

按照表1的參數(shù)，對(duì)雙電動(dòng)輪驅(qū)動(dòng)裝載機(jī)平地、上坡等情況的空載和滿載下電力制動(dòng)的制動(dòng)距離、電容、電壓、電機(jī)轉(zhuǎn)矩、電機(jī)速度進(jìn)行仿真，其結(jié)果如圖5—圖9所示.從仿真結(jié)果來看路況與車載都可以影響制動(dòng)能量的回收，電容電壓和制動(dòng)效果.

圖5 電制動(dòng)各種工況下的制動(dòng)距離Fig.5 Braking distance of electric braking

圖6 各工況下制動(dòng)時(shí)的母線電壓Fig.6 Busbar voltage while braking

由仿真結(jié)果可知：

（1）改造后的雙電動(dòng)輪驅(qū)動(dòng)裝載機(jī)單獨(dú)采用再生制動(dòng)平地上輕載的制動(dòng)距離為0.69m，時(shí)間為0.70 s；重載時(shí)的制動(dòng)距離為0.68m，制動(dòng)時(shí)間為0.75s.而實(shí)驗(yàn)表明采用鉗盤式制動(dòng)器時(shí)，平路輕載的制動(dòng)距離為2.08m，制動(dòng)時(shí)間為2.6s；重載14kN時(shí)的制動(dòng)距離為2.68m，制動(dòng)時(shí)間為3.2s.可以看出在平地上采用再生制動(dòng)的比采用鉗盤制動(dòng)的制動(dòng)距離和時(shí)間都短.

（2）制動(dòng)時(shí)電機(jī)的制動(dòng)轉(zhuǎn)矩變?yōu)?75N·m，加快了制動(dòng)速度.制動(dòng)過程中，電機(jī)通過直流母線給超級(jí)電容充電，超級(jí)電容的最大電壓達(dá)到了294.7V，減少了制動(dòng)時(shí)的能量損失.

圖7 各工況下制動(dòng)時(shí)的電機(jī)轉(zhuǎn)矩Fig.7 Motor torque while braking

圖8 各種工況下制動(dòng)時(shí)的電機(jī)轉(zhuǎn)速Fig.8 Motor speed while braking

（3）上坡時(shí)制動(dòng)的轉(zhuǎn)矩、速度、電機(jī)輸出的機(jī)械功率及制動(dòng)時(shí)電容的電壓、制動(dòng)距離均小于平地工況.

圖9 各種工況下制動(dòng)時(shí)的輸出功率Fig.9 Output power while braking

5 結(jié)論

雙電動(dòng)輪驅(qū)動(dòng)裝載機(jī)運(yùn)行中的1個(gè)主要特點(diǎn)就是頻繁的起動(dòng)和制動(dòng)，雙電動(dòng)輪驅(qū)動(dòng)裝載機(jī)對(duì)于其驅(qū)動(dòng)電機(jī)來說同時(shí)是1個(gè)大的慣量，因此研究電動(dòng)汽車制動(dòng)時(shí)的能量回饋控制技術(shù)具有非常重要的理論價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義.本文以雙電動(dòng)輪驅(qū)動(dòng)裝載機(jī)為研究對(duì)象，對(duì)其再生制動(dòng)系統(tǒng)與機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行了研究，取得了以下成果：

（1）基于永磁同步電機(jī)能量回饋制動(dòng)原理提出了雙電動(dòng)輪驅(qū)動(dòng)裝載機(jī)的串聯(lián)制動(dòng)控制策略，在保證制動(dòng)安全的前提下回收最大的制動(dòng)能量，實(shí)現(xiàn)整車制動(dòng)能量高效回收.

（2）在MATLAB／Simulink環(huán)境下對(duì)整車和制定的再生控制策略進(jìn)行了在平地、上坡分別重載和輕載下仿真，仿真出電機(jī)的轉(zhuǎn)矩、速度、電機(jī)輸出的機(jī)械功率及制動(dòng)時(shí)電容的電壓，制動(dòng)距離.

（3）仿真結(jié)果表明，采用再生制動(dòng)是符合實(shí)際要求的，效果優(yōu)于單采用鉗盤式制動(dòng)器.

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