礦用電機(jī)車重聯(lián)同步控制策略的研究與應(yīng)用

張 凱

（山西華鑫電氣有限公司，山西 陽(yáng)泉 045000）

引言

在礦用電機(jī)車無(wú)線重聯(lián)同步控制系統(tǒng)的研發(fā)中共有重聯(lián)方式的選擇、無(wú)線通信的選擇、網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的設(shè)計(jì)以及重聯(lián)同步控制策略的設(shè)計(jì)四個(gè)核心點(diǎn)。其中重聯(lián)同步控制策略不僅是設(shè)計(jì)核心點(diǎn)更是設(shè)計(jì)難點(diǎn)。合理的重聯(lián)同步控制策略不僅是兩臺(tái)重聯(lián)機(jī)車共同出力、平穩(wěn)運(yùn)行的基礎(chǔ)，而且還是應(yīng)對(duì)各種特殊情況的保障，如起步打滑、底卸放煤。

1 重聯(lián)機(jī)車運(yùn)行狀態(tài)分析

本文以雙機(jī)重聯(lián)中最復(fù)雜的車型——雙駕駛雙變頻礦用電機(jī)車為基礎(chǔ)，對(duì)機(jī)車正常運(yùn)行進(jìn)行相關(guān)技術(shù)分析。為了論述方便準(zhǔn)確，將對(duì)重聯(lián)機(jī)車中2臺(tái)機(jī)車的4臺(tái)電機(jī)進(jìn)行標(biāo)注定義，具體可分為主控機(jī)車主控電機(jī)、主控機(jī)車從控電機(jī)、從控機(jī)車主控電機(jī)、從控機(jī)車從控電機(jī)。

對(duì)于正常行車的重聯(lián)機(jī)車來(lái)講，其4臺(tái)電機(jī)以等速同負(fù)荷的方式運(yùn)行才是其最佳工作狀態(tài)。其中單臺(tái)礦用電機(jī)車內(nèi)部的2臺(tái)電機(jī)由于共同安裝在一個(gè)車架中，故而可以近似看作是鋼性連接；而重聯(lián)主控機(jī)車與從控機(jī)車之間雖然采用的是半鋼性連接，但由于半鋼性的范圍較小，在極限時(shí)可以轉(zhuǎn)變?yōu)殇撔赃B接，此時(shí)主從機(jī)可以通過(guò)負(fù)載耦合來(lái)同步車速，故同樣可以以鋼性連接的方式來(lái)進(jìn)行相關(guān)數(shù)據(jù)分析。

重聯(lián)主控機(jī)車與從控機(jī)車之間的負(fù)載耦合是一個(gè)動(dòng)態(tài)且非線性的過(guò)程，該過(guò)程的快慢、平穩(wěn)將是重聯(lián)機(jī)車同步運(yùn)行的關(guān)鍵。

2 基于速度控制的轉(zhuǎn)矩跟隨功率平衡策略

根據(jù)礦用電機(jī)車的相關(guān)技術(shù)知識(shí)可知，在正常運(yùn)行狀態(tài)下，同規(guī)格機(jī)車的車速與電機(jī)轉(zhuǎn)速，也就是與變頻器的輸出頻率之間成固定的線性關(guān)系，再加之重聯(lián)機(jī)車可以以鋼性連接的方式來(lái)進(jìn)行相關(guān)數(shù)據(jù)分析，因此重聯(lián)機(jī)車之間的同負(fù)荷等速控制就可以等效為重聯(lián)機(jī)車內(nèi)部電機(jī)之間的功率平衡控制。

基于轉(zhuǎn)矩跟隨的功率平衡策略的核心思想是：通過(guò)轉(zhuǎn)矩給定控制的方式來(lái)直接控制每臺(tái)電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩，進(jìn)而控制電機(jī)的輸出功率，也就是電機(jī)運(yùn)行電流，來(lái)達(dá)到多臺(tái)電機(jī)輸出功率的一致性。

要實(shí)現(xiàn)多臺(tái)電機(jī)基于轉(zhuǎn)矩跟隨的功率平衡控制，首先應(yīng)與電機(jī)負(fù)載與額定功率的客觀水平相結(jié)合進(jìn)行轉(zhuǎn)矩分配，而后依靠直接轉(zhuǎn)矩控制使電機(jī)控制與功率平衡的目的得以實(shí)現(xiàn)。

假設(shè)單臺(tái)電機(jī)的額定功率λi分配系數(shù)為可由下面的公式得出

式中：Pi為第i臺(tái)電機(jī)的額定功率為受控電機(jī)的總額定功率；N為受控電機(jī)的總數(shù)量。

功率分配系數(shù)λi滿足歸一化條件，即

功率與轉(zhuǎn)矩的關(guān)系滿足如下等式：

式中：T為電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩；ω為電機(jī)的角速度。

電機(jī)輸出經(jīng)過(guò)固定齒比減速器后的角速度與電機(jī)角速度的關(guān)系公式如下：

式中：ω'為電機(jī)輸出經(jīng)過(guò)固定齒比減速器后的角速度；μ為電機(jī)所連接減速器的傳動(dòng)比。

對(duì)于電機(jī)車驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)而言，車輪角速度就是電機(jī)輸出經(jīng)過(guò)固定齒比減速器后的角速度，車輪角速度與線速度的關(guān)系公式如下：

式中：v為電機(jī)所帶車輪的線速度，在不打滑的情況下，就等于機(jī)車速度；r為電機(jī)所帶車輪的半徑。

將公式（3）（4）代入到公式（2）可得如下公式：

通過(guò)公式（5）可知，在礦用電機(jī)車的應(yīng)用中，第i臺(tái)電機(jī)的輸出功率與電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩、所帶車輪的線速度與半徑以及減速器的傳動(dòng)比有關(guān)。

當(dāng)?shù)V用電機(jī)車處于正常的牽引狀態(tài)下時(shí)，也就是處于非打滑狀態(tài)時(shí)，功率分配系數(shù)只與車機(jī)減速器的傳動(dòng)比以及機(jī)車車輪半徑有關(guān)，而與速度無(wú)關(guān)。也就是只要機(jī)車不發(fā)生打滑情況，基于轉(zhuǎn)矩跟隨的功率平衡控制策略均適用于從起步到額定速度的任意工作狀態(tài)。

由于重聯(lián)中采用的是2臺(tái)同規(guī)格礦用電機(jī)車，其牽引電機(jī)、減速器、車輪規(guī)格均完全相同，根據(jù)公式（1）與（5）可知，在正常的牽引狀態(tài)下，4臺(tái)電機(jī)的功率平衡就等同于4臺(tái)電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩相同，即分配系數(shù)

根據(jù)轉(zhuǎn)矩跟隨的功率平衡策略的相關(guān)理論可知，電機(jī)之間通過(guò)硬連接來(lái)實(shí)現(xiàn)等速運(yùn)行是該理論的基礎(chǔ)，而機(jī)車內(nèi)部的2臺(tái)電機(jī)以及重聯(lián)的2臺(tái)機(jī)車之間并不是直接的硬連接，所以要對(duì)從控電機(jī)以及從控機(jī)車進(jìn)行對(duì)應(yīng)的速度控制。

以正常運(yùn)行的機(jī)車內(nèi)電機(jī)功率平衡控制為例，因?yàn)橥慌_(tái)電機(jī)車上的2臺(tái)牽引電機(jī)、減速器、車輪規(guī)格均完全一樣，故同一臺(tái)機(jī)車上的車輪速度必然相同，也就是說(shuō)2臺(tái)牽引電機(jī)的角速度是完全相同的。那么對(duì)于這2臺(tái)電機(jī)的功率分配問(wèn)題，就可以根據(jù)公式（1）與（5），就可以得出以下關(guān)系：

式中：T1'為1號(hào)牽引電機(jī)的給定轉(zhuǎn)矩；T2'為2號(hào)牽引電機(jī)的給定轉(zhuǎn)矩。

通過(guò)公式（6）可知，只需要將功率平衡控制中主機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩作為從機(jī)給定值即可實(shí)現(xiàn)2臺(tái)電機(jī)功率平衡調(diào)節(jié)。

基于上述理論，對(duì)于正常狀態(tài)下的重聯(lián)機(jī)車的功率平衡調(diào)節(jié)給定策略如下：

1）司機(jī)的給定操作直接給定到主控機(jī)車的主控電機(jī)；

2）從控電機(jī)以主控電機(jī)的輸出（輸出頻率、輸出轉(zhuǎn)矩）作為給定值；

3）從控機(jī)車以主控機(jī)車的輸出（輸出轉(zhuǎn)矩）作為給定值，即主控機(jī)車中主控電機(jī)的輸出值是從控機(jī)車中主控電機(jī)的給定值。

由于重聯(lián)機(jī)車之間的負(fù)載耦合是存在一個(gè)半鋼性與鋼性相互變化的過(guò)程，根據(jù)轉(zhuǎn)矩控制的特性可知，當(dāng)給定轉(zhuǎn)矩大于負(fù)載轉(zhuǎn)矩時(shí)電機(jī)將按加速曲線加速至給定頻率，也就是說(shuō)從控機(jī)車在給定轉(zhuǎn)矩大于其負(fù)載后會(huì)呈現(xiàn)加速運(yùn)行狀態(tài)，故而在重聯(lián)機(jī)車負(fù)載耦合時(shí)會(huì)產(chǎn)生較大的沖擊。為了保證負(fù)載耦合過(guò)程的快速性，同時(shí)減少在負(fù)載耦合過(guò)程中的沖擊問(wèn)題，可在從控機(jī)車的控制策略中加入PID控制器對(duì)從控機(jī)車進(jìn)行速度調(diào)節(jié)，具體內(nèi)容如下：

以主控機(jī)車的輸出轉(zhuǎn)矩作為PID的設(shè)定值；以從控機(jī)車的輸出轉(zhuǎn)矩作為PID的反饋值；以主控機(jī)車的輸出頻率×（1+PID的調(diào)節(jié)值）作為從控機(jī)車的頻率給定值；PID控制器采用雙向調(diào)節(jié)正向控制方式，即從控機(jī)的頻率給定值同從控機(jī)車的轉(zhuǎn)矩給定值與其反饋值的差值成正向控制關(guān)系；模糊PID、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID等智能算法可以帶來(lái)更好的調(diào)節(jié)效果。

因?yàn)橹芈?lián)機(jī)車每趟運(yùn)行的負(fù)載分布都不一樣，再加之負(fù)載耦合是一個(gè)動(dòng)態(tài)的過(guò)程，所以對(duì)于傳統(tǒng)PID控制器的各項(xiàng)參數(shù)的整定值不易獲取。重聯(lián)機(jī)車之間的負(fù)載耦合過(guò)程中的沖擊問(wèn)題僅存在于從控機(jī)車的轉(zhuǎn)矩給定大于負(fù)載的情況下，且從控機(jī)車負(fù)載的增加并非線性，而是階梯性變化。綜上所述，僅需要對(duì)從控機(jī)車輸出頻率加以限制，來(lái)控制負(fù)載耦合過(guò)程中的車速，即可達(dá)到減少?zèng)_擊的目的。也就是說(shuō)，將基于PID速度控制的轉(zhuǎn)矩跟隨功率平衡策略中的PID調(diào)速算法這塊直接由“主控機(jī)車輸出頻率×（1+設(shè)定值）”來(lái)代替。具體內(nèi)容如下：

將PID調(diào)速算法用主控機(jī)車輸出頻率×（1+設(shè)定值）來(lái)代替，作用于從控機(jī)車的給定頻率；從控機(jī)車的給定頻率一般情況下小于等于其額定工作頻率，也就是50 Hz；對(duì)于平穩(wěn)性要求不高的應(yīng)用場(chǎng)合，設(shè)定值可以采用固定值方式，推薦0.2~0.3；對(duì)于平穩(wěn)性要求較高的應(yīng)用場(chǎng)合，設(shè)定值可以跟據(jù)從控機(jī)車的輸出轉(zhuǎn)矩與給定轉(zhuǎn)矩之間差值的大小做簡(jiǎn)單的線性或非線性調(diào)節(jié)。

3 結(jié)論

采用基于速度控制的轉(zhuǎn)矩跟隨功率平衡策略的礦用電機(jī)車無(wú)線重聯(lián)同步控制系統(tǒng)已經(jīng)在陽(yáng)煤集團(tuán)五礦的12T礦用防爆特殊型蓄電池電機(jī)車上得到了應(yīng)用。經(jīng)過(guò)半年以上的測(cè)試與使用，重聯(lián)車組起步平穩(wěn)、牽引有力、同步性好，且易于操控可滿足用戶的既定要求，從而證實(shí)了基于速度控制的轉(zhuǎn)矩跟隨功率平衡策略的可行性與實(shí)用性。