礦用鉸接式車(chē)輛四輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)控制方案設(shè)計(jì)

曹建文

(1.中國(guó)煤炭科工集團(tuán) 太原研究院有限公司, 山西 太原 030021;2.山西天地煤機(jī)裝備有限公司, 山西 太原 030021;3.煤礦采掘機(jī)械裝備國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室, 山西 太原 030021)

礦用鉸接式車(chē)輛適宜在露天礦山,井下綜掘/綜采工作面等狹小空間,低速行駛、頻繁制動(dòng)場(chǎng)景使用,能夠適應(yīng)于煤礦惡劣路面、頻發(fā)轉(zhuǎn)向和制動(dòng)、強(qiáng)振動(dòng)和沖擊工況,已逐漸成為露天煤礦、井下綜掘工作面的主要運(yùn)輸工具。常見(jiàn)的礦用鉸接式車(chē)輛有WJX-10FB防爆鉛酸蓄電池鏟運(yùn)機(jī)、WX45J蓄電池支架搬運(yùn)車(chē)、488鏟車(chē)、VT680電動(dòng)鏟板車(chē)等。礦用鉸接式車(chē)輛的前后車(chē)架通過(guò)鉸接裝置連接以及全液壓轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)使前后車(chē)架形成折轉(zhuǎn)角,實(shí)現(xiàn)大轉(zhuǎn)向角、小轉(zhuǎn)彎半徑的轉(zhuǎn)向控制,增強(qiáng)了車(chē)輛的靈活性和機(jī)動(dòng)性[1-2]. 傳統(tǒng)礦用鉸接式車(chē)輛控制方案存在運(yùn)行與驅(qū)動(dòng)模式單一,控制實(shí)時(shí)性、適用性差等問(wèn)題[3-4]. 因此,設(shè)計(jì)了一種實(shí)時(shí)性好、適用性強(qiáng)的四輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)控制方案,以PLC控制器為核心,基于CAN總線(xiàn)通訊技術(shù)實(shí)現(xiàn)礦用鉸接式車(chē)輛電動(dòng)機(jī)“一對(duì)一”變頻器控制;設(shè)計(jì)多種運(yùn)行模式和驅(qū)動(dòng)模式,增強(qiáng)車(chē)輛的適用性;設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)處理與監(jiān)控平臺(tái),及時(shí)掌握車(chē)輛運(yùn)行與故障情況,保證車(chē)輛安全、穩(wěn)定、高效運(yùn)行。

1 礦用鉸接式車(chē)輛特點(diǎn)

典型的礦用鉸接式車(chē)輛為三段式回轉(zhuǎn)鉸接式結(jié)構(gòu),見(jiàn)圖1. 第1段為鏟板+駕駛室,第2段為電氣控制箱+液壓控制系統(tǒng),第3段為鉛酸蓄電池。該鉸接式電動(dòng)鏟板車(chē)用于井下綜采工作面液壓支架的回撤和安裝。

圖1 典型礦用鉸接式車(chē)輛(電動(dòng)鏟板車(chē))結(jié)構(gòu)圖

礦用鉸接式車(chē)輛的特點(diǎn)為：1) 轉(zhuǎn)彎半徑小,在狹小場(chǎng)地作業(yè)機(jī)動(dòng)靈活。2) 視野良好,駕駛員易于掌握轉(zhuǎn)彎臨界點(diǎn)的位置。3) 在不改變轉(zhuǎn)彎半徑的條件下能獲得較大的軸距,提高了行駛中的縱向穩(wěn)定性,減小地面不平或快速行駛時(shí)的顛簸和沖擊。4) 在松軟地面上曲線(xiàn)行駛時(shí)仍能獲得較大的牽引力。車(chē)輪和機(jī)體在轉(zhuǎn)向面內(nèi)沒(méi)有相對(duì)運(yùn)動(dòng),有足夠的空間安裝大直徑寬胎面的低壓輪胎,從而降低接地比壓,有利于提高車(chē)輛的附著性能,獲得較好的越野性和通過(guò)性[5]. 5) 由于車(chē)架滾轉(zhuǎn)(擺動(dòng)),使車(chē)輪可以適應(yīng)不平地形,保持車(chē)輛有均勻的垂直載荷和良好的接地能力,有效地利用附著力,改善了牽引性能,車(chē)架的扭轉(zhuǎn)應(yīng)力減小。

2 總體控制方案設(shè)計(jì)

礦用鉸接式車(chē)輛四驅(qū)控制系統(tǒng)由PLC控制器為核心模塊,擴(kuò)展數(shù)字量輸入、數(shù)字量輸出、模擬量輸入以及通信模塊協(xié)同完成對(duì)鉸接式車(chē)輛的控制,總體設(shè)計(jì)框圖見(jiàn)圖2. 礦用鉸接式車(chē)輛有“解制動(dòng)”等8個(gè)數(shù)字量輸入信號(hào),對(duì)應(yīng)控制手柄的8個(gè)功能鍵以及組合鍵,協(xié)同組合完成對(duì)車(chē)輛的控制。與之對(duì)應(yīng)的數(shù)字量輸出信號(hào)有“制動(dòng)釋放”等,包括語(yǔ)音提示、前后燈輸出等。PLC控制器擴(kuò)展采集模擬量輸入接口用于采集腳踏板信號(hào),以控制車(chē)速;采集油泵電機(jī)的油泵信號(hào),以防油溫過(guò)高對(duì)油泵電機(jī)造成損害。PLC控制器擴(kuò)展兩組CAN總線(xiàn)通信接口,用于控制前后4組變頻器,進(jìn)而分別“一對(duì)一”控制前后4個(gè)電動(dòng)機(jī);擴(kuò)展一個(gè)Modbus通訊接口,用于采集礦用鉸接式車(chē)輛的傳感器信號(hào);擴(kuò)展TCP/IP通信接口,用于傳送數(shù)據(jù)至工業(yè)液晶顯示屏。

圖2 礦用鉸接式車(chē)輛四驅(qū)控制方案總體設(shè)計(jì)框圖

礦用鉸接式車(chē)輛啟動(dòng)前,需先完成油泵電機(jī)啟動(dòng)、解制動(dòng)動(dòng)作。油泵電機(jī)用于為車(chē)輛的液壓系統(tǒng)提供動(dòng)力,由手柄的功能鍵“油泵啟?！卑粹o完成,在初始態(tài)時(shí),按下該按鈕為油泵啟動(dòng),且觸發(fā)“油泵正在啟動(dòng)”語(yǔ)音聲光報(bào)警,持續(xù)5 s. 再次按下該按鈕后,油泵停止。即“油泵啟?！卑粹o按照規(guī)律“啟動(dòng)—停止—啟動(dòng)—停止……”循環(huán)往復(fù)。“解制動(dòng)”按鈕用于對(duì)支架搬運(yùn)車(chē)進(jìn)行解制動(dòng)。上述兩個(gè)動(dòng)作完成后,即可對(duì)支架搬運(yùn)車(chē)進(jìn)行前進(jìn)、后退方向控制,由功能鍵“前進(jìn)”+“使能”以及“后退”+“使能”完成,且發(fā)出前進(jìn)或后退語(yǔ)音聲光報(bào)警?？刂浦Ъ馨徇\(yùn)車(chē)停止時(shí),由功能鍵“停止”+“使能”完成。另外,通過(guò)功能鍵“前燈”或“后燈”可控制照明燈亮或滅。

3 控制策略設(shè)計(jì)

3.1 運(yùn)行及驅(qū)動(dòng)模式

礦用鉸接式車(chē)輛的運(yùn)行模式分為轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩兩種模式,在轉(zhuǎn)矩運(yùn)行模式下又分為平地運(yùn)行、爬坡運(yùn)行兩種狀態(tài);驅(qū)動(dòng)模式分為四驅(qū)、前驅(qū)、后驅(qū)3種。運(yùn)行模式采用手柄功能鍵“使能+前燈”順序切換;驅(qū)動(dòng)模式采用功能鍵“使能+后燈”順序切換,見(jiàn)表1.

表1 礦用鉸接式車(chē)輛運(yùn)行以及驅(qū)動(dòng)模式表

3.2 變頻控制

PLC控制器擴(kuò)展兩個(gè)CAN總線(xiàn)通信口,第一個(gè)CAN口用于控制礦用鉸接式車(chē)輛前部?jī)蓚€(gè)變頻器;第二個(gè)CAN口用于控制礦用鉸接式車(chē)輛后部?jī)蓚€(gè)變頻器;變頻器與電動(dòng)機(jī)之間采用“一對(duì)一”控制模式[6-8]. PLC控制器與變頻器之間的部分CAN總線(xiàn)通信數(shù)據(jù)格式定義見(jiàn)表2.

表2 PLC控制器與變頻器部分CAN總線(xiàn)通信數(shù)據(jù)格式定義表

根據(jù)文獻(xiàn)[9]采用有限狀態(tài)機(jī)原理對(duì)變頻器的啟動(dòng)、停止進(jìn)行控制,即設(shè)計(jì)控制、過(guò)程兩個(gè)狀態(tài)機(jī)。設(shè)定控制狀態(tài)機(jī)的狀態(tài)為“傳輸停止”“傳輸使能”以及“傳輸故障”;設(shè)定過(guò)程狀態(tài)機(jī)的狀態(tài)為“空閑”“準(zhǔn)備好”“選擇”“運(yùn)行使能”以及“急?！?并分別定義狀態(tài)跳轉(zhuǎn)順序和條件。在初始狀態(tài)時(shí),PLC控制發(fā)送“控制指令”給變頻器后,解析變頻器返回的“狀態(tài)字”,根據(jù)解析結(jié)果,在兩個(gè)狀態(tài)機(jī)之間進(jìn)行跳轉(zhuǎn),以控制變頻器的啟動(dòng)、停止以及變頻控制[10-12]. 礦用鉸接式車(chē)輛變頻控制策略見(jiàn)圖3,對(duì)腳踏板信號(hào)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換以及軟件濾波處理后作為控制系統(tǒng)的輸入當(dāng)量,根據(jù)編碼器反饋速度、功率系數(shù)以及電壓系數(shù)選擇運(yùn)行模式、驅(qū)動(dòng)模式以及給定轉(zhuǎn)矩值。

圖3 礦用鉸接式車(chē)輛變頻控制策略框圖

3.3 轉(zhuǎn)向控制

礦用鉸接式車(chē)輛安裝有左、右兩個(gè)油缸位移傳感器,用于轉(zhuǎn)向控制。定義礦用鉸接式車(chē)輛右側(cè)油缸行程為RTravel,左側(cè)油缸行程為L(zhǎng)Travel,上述單位均為mm. 根據(jù)文獻(xiàn)[13]分析可知,對(duì)鉸接式車(chē)輛進(jìn)行轉(zhuǎn)向控制時(shí),需計(jì)算車(chē)輛轉(zhuǎn)向角θ. 當(dāng)LRadius、RTravel實(shí)時(shí)值在測(cè)量誤差范圍內(nèi)時(shí),左側(cè)油缸對(duì)應(yīng)的角度A的余弦公式可表示為式(1)：

(1)

式中：L1為行程的角度A夾邊1的長(zhǎng)度,L2為行程的角度A夾邊2的長(zhǎng)度。

同理,左側(cè)油缸對(duì)應(yīng)的角度B的余弦公式可表示為式(2)：

(2)

當(dāng)Rlφ與Rrφ的差值在2°范圍內(nèi)時(shí),認(rèn)為該轉(zhuǎn)向角數(shù)據(jù)正確,可作為礦用鉸接式車(chē)輛電子差速的依據(jù);否則,認(rèn)為該轉(zhuǎn)向角數(shù)據(jù)錯(cuò)誤,需重新計(jì)算。

3.4 數(shù)據(jù)處理與監(jiān)控

礦用鉸接式車(chē)輛控制系統(tǒng)需要實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確、周期性地采集傳感器數(shù)據(jù),包括系統(tǒng)壓力、沖液壓力、解制動(dòng)壓力、蓄能器壓力、鏟板壓力、甲烷濃度以及鉸接位置的左右油缸行程數(shù)據(jù),以Modbus RTU總線(xiàn)通信模式發(fā)送給PLC控制器。

礦用鉸接式車(chē)輛駕駛室內(nèi)安裝有工業(yè)液晶顯示屏,展示車(chē)輛運(yùn)行狀態(tài)核心數(shù)據(jù),方便駕駛?cè)藛T及時(shí)掌握車(chē)輛運(yùn)行情況。PLC控制器以TCP/IP通信模式將數(shù)據(jù)發(fā)送給工業(yè)液晶顯示屏[14],解析后進(jìn)行數(shù)據(jù)顯示。

4 試驗(yàn)與應(yīng)用

為驗(yàn)證設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)礦用鉸接式車(chē)輛四輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)控制方案的正確性和適用性,在試驗(yàn)室環(huán)境下分別進(jìn)行變頻控制試驗(yàn)、轉(zhuǎn)向試驗(yàn)以及數(shù)據(jù)處理與監(jiān)控試驗(yàn)。

4.1 變頻控制試驗(yàn)

在廠(chǎng)內(nèi)環(huán)形試車(chē)專(zhuān)區(qū)對(duì)礦用鉸接式車(chē)輛進(jìn)行變頻控制試驗(yàn)。

1) 試驗(yàn)方法。

a) 分別以5 km/h、10 km/h、20 km/h、30 km/h以及40 km/h恒速跑合試驗(yàn)。

b) 在0～40 km/h進(jìn)行加速、減速跑合試驗(yàn)。

c) 分別進(jìn)行12°、14°爬坡試驗(yàn)。試驗(yàn)過(guò)程中,通過(guò)工業(yè)液晶顯示屏查看車(chē)輛輸出頻率、運(yùn)行速度、運(yùn)行轉(zhuǎn)矩、運(yùn)行模式、驅(qū)動(dòng)模式等關(guān)鍵參數(shù)。

2) 試驗(yàn)結(jié)果。

a) 跑合試驗(yàn)過(guò)程中車(chē)輛運(yùn)行良好,可按照設(shè)定車(chē)速穩(wěn)定運(yùn)行。

b) 加減速過(guò)程中,輸出頻率與車(chē)速變化協(xié)調(diào),可實(shí)現(xiàn)變頻加減速控制。

c) 能夠完成12°、14°爬坡試驗(yàn),車(chē)輛運(yùn)行穩(wěn)定,未出現(xiàn)溜車(chē)現(xiàn)象。

4.2 轉(zhuǎn)向試驗(yàn)

在廠(chǎng)內(nèi)試車(chē)專(zhuān)區(qū)對(duì)礦用鉸接式車(chē)輛進(jìn)行轉(zhuǎn)彎試驗(yàn)。

1) 試驗(yàn)方法。

車(chē)速為20 km/h與30 km/h,轉(zhuǎn)向角度為30°,記錄并分析車(chē)輛側(cè)偏角精度。

2) 試驗(yàn)結(jié)果。

轉(zhuǎn)向角為30°時(shí)側(cè)偏角曲線(xiàn)、橫擺角速度控制曲線(xiàn)見(jiàn)圖4、5.

圖4 轉(zhuǎn)向角為30°時(shí)側(cè)偏角控制圖

圖5 轉(zhuǎn)向角為30°時(shí)橫擺角速度控制圖

a) 車(chē)速為20 km/h時(shí),車(chē)輛側(cè)偏角控制精度較高;車(chē)速為30 km/h時(shí),車(chē)輛側(cè)偏角控制偏差略大,但處于[-0.035 rad,0.035 rad]允許范圍內(nèi)。

b) 轉(zhuǎn)向穩(wěn)定后,試驗(yàn)橫擺角數(shù)據(jù)與仿真橫擺角數(shù)據(jù)趨勢(shì)相近,誤差約12%;試驗(yàn)橫擺角數(shù)據(jù)不規(guī)則波動(dòng)是由于試驗(yàn)過(guò)程中轉(zhuǎn)向不勻速及試驗(yàn)路面不平造成的。

4.3 數(shù)據(jù)處理與監(jiān)控試驗(yàn)

在廠(chǎng)內(nèi)試車(chē)專(zhuān)區(qū)對(duì)礦用鉸接式車(chē)輛進(jìn)行變頻控制試驗(yàn)、轉(zhuǎn)向試驗(yàn)時(shí),通過(guò)工業(yè)液晶顯示屏對(duì)車(chē)輛運(yùn)行狀態(tài)、關(guān)鍵參數(shù)、故障信息等進(jìn)行查看。如,操作手柄功能鍵“使能+前燈”,顯示屏中的運(yùn)行模式在“轉(zhuǎn)速”“轉(zhuǎn)矩平地”“轉(zhuǎn)矩爬坡”間順序切換;操作手柄功能鍵“使能+后燈”,顯示屏中的驅(qū)動(dòng)模式在“四驅(qū)”“前驅(qū)”“后驅(qū)”間順序切換。車(chē)輛運(yùn)行過(guò)程中,左右油缸長(zhǎng)度、輸出頻率、側(cè)偏角等關(guān)鍵數(shù)值實(shí)時(shí)且準(zhǔn)確顯示,見(jiàn)圖6.

圖6 監(jiān)控平臺(tái)實(shí)時(shí)畫(huà)面

5 結(jié) 論

基于變頻控制技術(shù)、CAN總線(xiàn) 通訊技術(shù)實(shí)現(xiàn)了礦用鉸接式車(chē)輛四輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)控制方案,完成礦用鉸接式車(chē)輛的運(yùn)行及驅(qū)動(dòng)模式設(shè)計(jì)、變頻控制方案設(shè)計(jì)、轉(zhuǎn)向控制方案設(shè)計(jì)以及數(shù)據(jù)處理監(jiān)控平臺(tái)設(shè)計(jì),提升了車(chē)輛控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性和適用性。礦用鉸接式車(chē)輛控制系統(tǒng)在廠(chǎng)內(nèi)的試驗(yàn)結(jié)果證明了設(shè)計(jì)的四輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)控制方案的正確性和有效性,滿(mǎn)足了車(chē)輛安全、高效、穩(wěn)定運(yùn)行的要求。