一種電動輪鏟板車防滑處理方法*

方雷，徐代友，王洋

(航天重型工程裝備有限公司， 湖北 武漢 430000)

0 引言

在國家大力發(fā)展智慧礦山、綠色礦山的號召下，逐步淘汰柴油發(fā)動機(jī)采用電驅(qū)動方式將成為鏟板車發(fā)展趨勢。WXP100型電動輪鏟板車成功應(yīng)用于神東8.8 m大采高綜采項目，用于工作面100 t液壓支架的對接移動，也可以用于運(yùn)輸采煤機(jī)。電動鏟板車采用四輪邊驅(qū)動方式，驅(qū)動電動機(jī)類型為開關(guān)磁阻電動機(jī)。開關(guān)磁阻電動機(jī)啟動電流小，啟動轉(zhuǎn)矩大，適于鏟板車低速大推力的應(yīng)用工況[1-2]。但鏟板車常工作于井下泥濘大坡度路段,由于地面附著力小，在靜態(tài)大推力下驅(qū)動輪非常容易發(fā)生打滑現(xiàn)象。傳統(tǒng)柴油機(jī)型號車可以通過限滑差速器調(diào)整來實(shí)現(xiàn)防滑功能[3]，該防滑方法不能適用于獨(dú)立輪邊電驅(qū)動鏟板車。因此研究一種適用于獨(dú)立輪邊電驅(qū)動防滑處理方法成為整車控制系統(tǒng)重要組成部分。

1 電動輪鏟板車防滑系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

電動輪鏟板車防滑處理以整車電驅(qū)動系統(tǒng)為平臺實(shí)現(xiàn)。整車電驅(qū)動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 整車電驅(qū)動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

整車電驅(qū)系統(tǒng)由4個牽引電動機(jī)、1個液壓泵電動機(jī)及5個獨(dú)立的電動機(jī)控制器組成。根據(jù)鏟板車實(shí)際運(yùn)行工況，采用開關(guān)磁阻電動機(jī)作為驅(qū)動和液壓泵電動機(jī)，電動機(jī)與減速機(jī)連接組成輪邊驅(qū)動系統(tǒng)。

牽引電動機(jī)處于四象限運(yùn)行模式，為整車提供牽引及電制動轉(zhuǎn)矩；液壓泵電動機(jī)帶動液壓泵為整車液壓系統(tǒng)提供動力。牽引電動機(jī)和液壓泵電動機(jī)由相應(yīng)的電動機(jī)控制器控制，由整車控制系統(tǒng)發(fā)送各電動機(jī)的目標(biāo)轉(zhuǎn)矩或者目標(biāo)轉(zhuǎn)速至電動機(jī)控制器，由電動機(jī)控制器控制產(chǎn)生并反饋實(shí)際轉(zhuǎn)矩和實(shí)際轉(zhuǎn)速等狀態(tài)參數(shù)。牽引電動機(jī)和液壓泵電動機(jī)外特性曲線如圖2所示。整車直流母線電壓為480 Vdc，電動機(jī)的額定功率為100 kW，額定轉(zhuǎn)速為1 500 r/min。

2 電動輪鏟板車防滑控制策略

2.1 電動鏟板車防滑原理分析

電動輪鏟板車運(yùn)行于工況惡劣的井下環(huán)境，路面常存在泥濘、坑洼、坡度陡峭等狀態(tài)，此狀態(tài)路面附著力減小。車輛正常行駛時，附著力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于驅(qū)動電動機(jī)的輸出牽引力，因此不會形成輪胎與地面的滑行移動只有輪胎的滾動動作。但在上述路面行駛時，由于路面附著力低，易出現(xiàn)驅(qū)動電動機(jī)的牽引力大于路面附著力極限值時，此時電動機(jī)轉(zhuǎn)速會快速增大，形成輪胎的滾動和相對地面的滑移動作?；坡视址Q滑動率，是指在車輪運(yùn)動中滑動成分所占的比例。根據(jù)井下路面綜合判斷，當(dāng)滑動率大于0.3時，可以判定為輪子打滑[4]。

上述可知，輪胎的打滑是由于牽引輪的牽引力大于地面的極限附著力造成的。因此防滑控制的根本目的是調(diào)整驅(qū)動輪的牽引力，使之與路面附著力相匹配，控制輪子的滑移率小于0.3。同時給驅(qū)動輪施加合適的牽引力矩，使得輪子的牽引力與地面附著力相匹配。

2.2 電動鏟板車防滑控制策略概述

傳統(tǒng)軸驅(qū)動車輛都是通過差速器控制驅(qū)動軸兩端輪子的差異轉(zhuǎn)速來實(shí)現(xiàn)防滑功能。電動輪鏟板車為四輪獨(dú)立輪邊驅(qū)動，并無驅(qū)動軸因此通過差速器的方式防滑。但由于每個驅(qū)動輪可以獨(dú)立控制牽引轉(zhuǎn)矩和輪子轉(zhuǎn)速，將為防滑控制提供更為便捷和有效的平臺。

電動輪鏟板車防滑控制分為兩步，第一步為驅(qū)動防滑輪的打滑狀態(tài)判斷；第二步為實(shí)施對打滑輪的處理措施。其中判斷打滑狀態(tài)為防滑控制策略的關(guān)鍵。

電動機(jī)控制器可以將每一個電動機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速通過總線發(fā)送至整車控制器,電動機(jī)轉(zhuǎn)速是判斷防滑狀態(tài)的關(guān)鍵參數(shù)。上述的滑移率通過公式轉(zhuǎn)換可以用轉(zhuǎn)差率來表示，轉(zhuǎn)差率一般是指某一車輪的速度與車輛速度(參考速度)的差值同車輛速度的比值，此處指由某一輪速推算出的車速與計算平均車速的差值同計算平均車速的比值。驅(qū)動輪打滑可根據(jù)計算驅(qū)動輪轉(zhuǎn)差率和加速度兩個方面的組合判斷。其判斷原理與方法如下：

車輛在非打滑的情況下，各輪的計算車速在理論上一致，轉(zhuǎn)差率為零，當(dāng)輪子打滑時，則該輪子計算車速將明顯大于其他輪子計算車速或計算平均車速，該車輪的轉(zhuǎn)差率將迅速變大，但利用轉(zhuǎn)差率來判斷是否打滑的不足之處是轉(zhuǎn)差率隨路面條件的不同而不同，需要通過多次試驗確定。同時為了更加準(zhǔn)確地判斷出輪子的打滑狀態(tài)還需引入各輪的加速度，加速度反映出輪子計算車速變化的快慢，是相對于本軸的獨(dú)立標(biāo)準(zhǔn)，與其他軸無關(guān)，當(dāng)該輪的加速度迅速變大時，便可以結(jié)合上述的轉(zhuǎn)差率對該輪的打滑狀態(tài)進(jìn)行判斷。

當(dāng)判定某驅(qū)動輪為打滑狀態(tài)后，開始調(diào)節(jié)該驅(qū)動輪的目標(biāo)牽引轉(zhuǎn)矩，電動機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)矩不斷降低，轉(zhuǎn)速也會隨之減小。當(dāng)電動機(jī)轉(zhuǎn)差率恢復(fù)至一定范圍內(nèi)時，打滑現(xiàn)象消失，防滑處理完成。

3 電動鏟板車防滑控制器設(shè)計

3.1 電動鏟板車防滑控制器實(shí)現(xiàn)平臺

電動鏟板車防滑控制器組成如圖2所示。首先由電動機(jī)控制器采集相應(yīng)控制輪的實(shí)時轉(zhuǎn)速，通過CAN總線傳輸至整車控制器；整車控制器接收到4個牽引電動機(jī)的轉(zhuǎn)速后啟動防滑判斷模塊，對每個驅(qū)動輪進(jìn)行打滑狀態(tài)判斷；當(dāng)驅(qū)動輪發(fā)生打滑現(xiàn)象時，整車控制器調(diào)整相應(yīng)驅(qū)動輪電動機(jī)的目標(biāo)轉(zhuǎn)矩，將目標(biāo)轉(zhuǎn)矩通過CAN總線發(fā)送至相應(yīng)的電動機(jī)控>制器，然后由電動機(jī)控制器控制電動機(jī)產(chǎn)生同樣的實(shí)際轉(zhuǎn)矩。

圖2 防滑處理實(shí)現(xiàn)平臺組成

3.2 電動鏟板車防滑控制模型分析

車輪速度根據(jù)牽引電動機(jī)轉(zhuǎn)速換算得出，如式(1)：

vL=(π·D·n/i)/60·3 600/1 000

(1)

式中：vL為車輪速度，km/h；D為輪胎直徑，m；n為計算電動機(jī)轉(zhuǎn)速，r/min；i為減速機(jī)減速比。

(2)

前述的各輪轉(zhuǎn)差率計算便以此參數(shù)為依據(jù)。

(3)

另外為了更加真實(shí)地反映驅(qū)動輪子轉(zhuǎn)速變化的狀態(tài)，特引入了驅(qū)動輪加速度變量。通過加速度變化來反饋?zhàn)陨磙D(zhuǎn)速的變化情況。正常行駛時，車輛加速過程中，各輪的加速度近似相等且比較小。但是當(dāng)某一驅(qū)動輪處于打滑狀態(tài)時，該輪的加速度會突然變大且與其他車輪不一致。各輪的加速度計算公式如式(4)。

(4)

驅(qū)動輪的打滑狀態(tài)需要綜合驅(qū)動的轉(zhuǎn)差率和加速度兩個狀態(tài)變量，其流程如圖3所示。

圖3 防滑檢測及處理流程

從防滑處理流程圖可知，采集各驅(qū)動輪的實(shí)時轉(zhuǎn)速，計算整車速度和各輪的輪速，對各驅(qū)動輪進(jìn)行實(shí)時加速度計算；根據(jù)各輪速和整車車速的比較計算轉(zhuǎn)差率，綜合兩變量的判斷結(jié)果判斷出驅(qū)動輪的打滑狀態(tài)；對于打滑驅(qū)動輪，通過匹配該輪驅(qū)動轉(zhuǎn)矩的方式改變輪子的加速度和轉(zhuǎn)差率,達(dá)到防滑處理的目的。

4 防滑試驗結(jié)果及分析

利用工程專用CoDeSys編譯器在整車控制器上對防滑處理進(jìn)行軟件實(shí)現(xiàn)[5]。電動輪鏟板車由于整車前后重心分布(整車空載前后載重比達(dá)到了2∶8)不均，以及地面附著力偏小在靜態(tài)推拉支架工況下，前輪容易出現(xiàn)打滑情況。因此在整車設(shè)計調(diào)試過程中，專門進(jìn)行了防滑試驗，試驗結(jié)果如圖4～9所示。

圖4顯示車輛正常行駛下，驅(qū)動輪在轉(zhuǎn)向時才有左右內(nèi)外輪差，直線行駛時各輪的輪速基本一致，處于非打滑狀態(tài)。圖5顯示在非打滑狀態(tài)下各輪的驅(qū)動轉(zhuǎn)矩狀態(tài)，牽引轉(zhuǎn)矩基本一致，車輛能夠平穩(wěn)運(yùn)行。

圖6顯示鏟板車在進(jìn)行靜態(tài)推動支架過程中，左前輪轉(zhuǎn)速明顯高于其他三驅(qū)動輪轉(zhuǎn)速，目測該輪處于打滑狀態(tài)。圖7顯示防滑處理程序判斷出的左前輪打滑標(biāo)志位和打滑保持標(biāo)志位狀態(tài)，可以看出當(dāng)左前輪打滑標(biāo)志位置1.0后，表示左前輪處于打滑狀態(tài)。圖8反映了打滑輪的目標(biāo)轉(zhuǎn)矩計算流程。當(dāng)系統(tǒng)檢測到左前輪處于打滑狀態(tài)時，調(diào)整減小目標(biāo)驅(qū)動轉(zhuǎn)矩直至打滑狀態(tài)消失，并在打滑標(biāo)志位置0的狀態(tài)下持續(xù)輸出匹配當(dāng)前轉(zhuǎn)矩，以保持打滑輪的最大驅(qū)動力。圖9顯示左前輪打滑情況下的電動機(jī)相應(yīng)轉(zhuǎn)矩，可知與整車控制器輸出的目標(biāo)轉(zhuǎn)矩一致。最后從圖6中左前輪的轉(zhuǎn)速變化可以看出，驅(qū)動輪在打滑的情況下轉(zhuǎn)速會快速上升，當(dāng)系統(tǒng)判斷出打滑狀態(tài)并進(jìn)行防滑處理后轉(zhuǎn)速會快速降低，迅速脫離打滑狀態(tài)，并通過優(yōu)化轉(zhuǎn)矩控制策略可以最大限度地保證打滑輪的驅(qū)動力。

圖4 非打滑情況下各輪轉(zhuǎn)速

圖5 非打滑情況下各輪實(shí)際牽引轉(zhuǎn)矩

圖6 打滑情況下各輪轉(zhuǎn)速

圖7 左前輪打滑標(biāo)志

圖8 打滑情況下給定的驅(qū)動轉(zhuǎn)矩

圖9 左前輪打滑情況下實(shí)際驅(qū)動轉(zhuǎn)矩

5 結(jié)論

通過上述試驗結(jié)果可知，本文研究的防滑處理方法適用于四輪獨(dú)立電驅(qū)動鏟板車?？焖儆行У嘏袛喑鲵?qū)動輪打滑狀態(tài)，并通過調(diào)節(jié)驅(qū)動電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩，將電動機(jī)轉(zhuǎn)差率和加速度控制在合理的范圍，在快速控制車輛打滑狀態(tài)的基礎(chǔ)上，最大限度地保證打滑驅(qū)動輪的驅(qū)動力。該防滑處理方法已經(jīng)成功應(yīng)用于本公司生產(chǎn)的電動輪鏟板車驅(qū)動控制策略，顯著提高了車輛驅(qū)動的安全性和穩(wěn)定性。