自動化碼頭IGV制動控制策略研究

吳叢銘 溫富榮 張 煜 楊彩云 羅欣欣 李家良 劉原良 林建良

1 廣西欽州保稅港區(qū)盛港碼頭有限公司 2 武漢理工大學(xué)交通與物流工程學(xué)院

1 引言

在港口水平運輸車領(lǐng)域,智能引導(dǎo)水平運輸車(以下簡稱IGV)得到了越來越多的關(guān)注。近年來用于智能引導(dǎo)水平運輸車輛的新技術(shù)研究日益增多,例如研究電驅(qū)動和液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的控制策略、開發(fā)新型驅(qū)動模式等,其中,電機制動是保證智能水平運輸車平穩(wěn)運行的主要研究內(nèi)容之一。

IGV制動過程若是全程使用輪鼓制動器,制動過程波動大,磨損輪胎,對車輛沖擊大,易損害液壓系統(tǒng)、車橋及懸架系統(tǒng),使車輛各部件壽命減少。IGV采用中置雙電機給前后驅(qū)動輪提供動力,車身配載更均衡。其制動系統(tǒng)分為駐車制動和行車制動,行車制動是8個車輪同時抱死,駐車制動則是在車輛停下之后夾輪器工作,將電機驅(qū)動軸轉(zhuǎn)盤夾緊。但在自動化碼頭作業(yè)過程中,車輛遇到緊急情況抱死的情況較少,一般在正常運行狀態(tài),聯(lián)合sick激光防撞系統(tǒng),對車輛進行電機制動,讓車速慢慢下降。電機制動相對于鼓式制動對IGV的穩(wěn)定性更有利,可減少輪胎磨損。

在IGV和電機制動的研究領(lǐng)域,Ehsani M等基于電動及混合動力汽車的特點,提出一種并聯(lián)式混合制動系統(tǒng),以及用于該系統(tǒng)的2種控制策略,即最大電機制動控制策略和理想制動力分配控制策略[1]。陳榮等對基于轉(zhuǎn)子磁場定向控制的永磁同步電機制動進行分析,提出電機制動響應(yīng)性能、抑制速度超調(diào)的措施[2]。

結(jié)合對IGV結(jié)構(gòu)的分析,研究中置雙電機制動控制策略,以提升智能引導(dǎo)運輸車的制動穩(wěn)定性,減小輪胎摩擦。

2 IGV結(jié)構(gòu)分析

2.1 驅(qū)動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

某自動化碼頭四輪驅(qū)動八輪轉(zhuǎn)向IGV與傳統(tǒng)自動引導(dǎo)水平運輸車相比多了4個承重輪,車輪型號縮小,質(zhì)心位置下降,具有更好的穩(wěn)定性和轉(zhuǎn)彎通過性,且集裝箱對車架的載荷均衡分配到前后軸,整車的動力學(xué)性能更好。該IGV采用中置雙電機驅(qū)動,前后各1套電機驅(qū)動(見圖1),由同1個控制器進行控制,實現(xiàn)4個驅(qū)動輪驅(qū)動力和電機制動力的同時控制。該IGV采用雙級減速機構(gòu),電機所帶負荷更大,減速效果更明顯。

1.懸架 2.驅(qū)動橋 3.驅(qū)動電機 4.萬向節(jié) 5.驅(qū)動轉(zhuǎn)向橋 6.輪胎 7.輪輞圖1 單套電機驅(qū)動示意圖

2.2 機械液壓制動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

IGV的機械液壓制動系統(tǒng)由鼓式液壓助力制動器和夾輪器駐車制動構(gòu)成。鼓式液壓助力制動位于輪鼓內(nèi),制動鼓裝在驅(qū)動橋上,制動器總成由制動蹄、制動鼓及液壓助力組成。IGV在行車過程中,使用機械液壓系統(tǒng)進行制動,8個車輪都會抱死從而迅速將車停下。此制動方式?jīng)]有ABS防抱死功能,所以對于輪胎以及制動器的傷害都比較大。夾輪器駐車制動是當車停穩(wěn)時,液壓系統(tǒng)動作,夾輪器夾緊電機驅(qū)動軸飛盤,防止溜車。

3 IGV輪胎磨損分析

3.1 橡膠磨損機理

IGV在正常行駛中的輪胎磨損,即磨粒磨損,也是橡膠輪胎最常見的磨損形式。磨粒磨損按磨損接觸可分為單點磨損、多點磨損和線性磨損;按磨粒的形態(tài),可分為尖銳磨損和圓鈍磨損。重點研究IGV在行駛過程中正常制動所產(chǎn)生的輪胎磨損,其磨損率可表達為:

AS=γ·Wf

(1)

式中,AS為磨損率;γ為耐磨性系數(shù);Wf為摩擦功。

3.2 輪胎摩擦功與輪胎磨損量的關(guān)系

IGV在碼頭水平運輸區(qū)域行駛過程中,輪胎的縱向滑移和橫向滑移對于IGV的驅(qū)動和控制有很大的影響。IGV輪胎純滾動時,不會對輪胎造成嚴重磨損。當IGV制動過程中,輪胎與地面產(chǎn)生相對滑移時,輪胎橫向力和縱向力對地面摩擦做功,產(chǎn)生輪胎磨損。輪胎在滑移過程中的摩擦功可表示為:

Wf=Wx+Wy

(2)

式中,Wx為縱向力所做摩擦功;Wy為橫向力所做摩擦功[3]。

輪胎摩擦功和附著系數(shù)與滑移率有關(guān),需在制動效果好的同時保證摩擦功盡量小。對于IGV而言,由于鼓式制動器動作信號是由電控系統(tǒng)給出,而且只有2種狀態(tài),即制動鼓放松和夾緊。這2種狀態(tài)更適用于緊急制動,若是正常狀況下停車,該制動方式對輪胎的損傷以及對液壓系統(tǒng)和懸架系統(tǒng)的沖擊都比較大。重載工況下的IGV,車輪抱死制動不符合輪胎經(jīng)濟性,在正常行駛中需要盡量避免。

3.3 基于輪胎磨損的2種制動形式的關(guān)系

為減少輪胎磨損,基于IGV純電動力驅(qū)動的方式,設(shè)計電機的能耗制動與液壓助力制動鼓制動組合的制動方案,在滿足制動需求的同時盡可能減少輪胎的滑移。電機能耗制動和液壓制動的響應(yīng)特性存在著較大的差異,液壓制動相對于電機制動,其制動力穩(wěn)定但動態(tài)響應(yīng)較慢,制動過程的實質(zhì)是動能轉(zhuǎn)換成摩擦能,表現(xiàn)為輪胎與地面的摩擦做工,對輪胎磨損傷害較大。電機制動動態(tài)響應(yīng)快速,動能轉(zhuǎn)換成電能,電感變化產(chǎn)生的磁阻轉(zhuǎn)矩阻礙電機的旋轉(zhuǎn),但制動力波動較大,需要進行一系列調(diào)頻控制,對上層控制的要求較高。

電機制動與液壓制動屬于2個獨立子系統(tǒng),它們之間關(guān)系見圖2。

圖2 液壓制動與能耗制動關(guān)系圖

4 IGV電機制動模型

4.1 動力性能分析

根據(jù)汽車動力學(xué)理論可知,整車動力性的指標主要包括:最高車速、最大爬坡度、加速時間[4]。IGV使用場景為港口水平運輸區(qū)域,最大爬坡度取10°。根據(jù)車輛在不同行駛工況下的功率平衡方程,可確定驅(qū)動系統(tǒng)滿足各項動力性要求時的功率。IGV需要達到的動力性能指標見表1。

表1 IGV主要參數(shù)表

4.2 IGV電機參數(shù)設(shè)計

中部永磁同步直流電機參數(shù)設(shè)計是IGV驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計的關(guān)鍵。當電機轉(zhuǎn)速在基速以下時,通常對電機采用恒轉(zhuǎn)矩控制,可以在低速時輸出大轉(zhuǎn)矩,有利于車輛的起步和加速;當電機轉(zhuǎn)速達到基速時,電機功率達到可以安全輸出的最大值,該最大值即為峰值功率。

電機最大轉(zhuǎn)矩選取最大爬坡度時的峰值轉(zhuǎn)矩,可由下式計算得出:

(3)

(4)

式中,Ft為加速驅(qū)動力,N;mv為整車質(zhì)量,kg;Rr為車輪滾動半徑,0.778 m;CD為空氣阻力系數(shù),取0.5;ητ為傳動系統(tǒng)傳動效率,取93%;AV為迎風面積,取1.68 m2,fV為滾動阻力系數(shù),取0.018。代入車輛參數(shù)計算,得到2個中置電機的總峰值轉(zhuǎn)矩T應(yīng)滿足T≥13 284 Nm。

4.3 IGV電機制動過程

電機制動過程分為回饋發(fā)電制動階段和能耗制動階段。IGV在直行過程中默認按最高速度行駛,此時的運行功率為峰值功率,在峰值率下,輸出轉(zhuǎn)矩接近峰值轉(zhuǎn)矩。

假定車輛從正常直行進入制動階段。制動階段開始時,電機轉(zhuǎn)子仍然旋轉(zhuǎn)并切割磁感線,此時電機進入發(fā)電狀態(tài),電機將在設(shè)定的限幅制動力矩及摩擦力矩作用下減速,反電動勢減小。電流調(diào)節(jié)器使輸出電壓也同步減小,以保持電機電流為系統(tǒng)設(shè)定的最大制動電流。電機的三相電流幅值不變,頻率隨速度線性下降,電機相當于由三相變頻恒流源供電。電機運動方程為:

(5)

式中,Te,Tf,TΩ分別為電磁、負載、摩擦力矩,可知在制動剛發(fā)生時,它們的和等于T≥13 284 Nm。

為了進一步求解后續(xù)回饋發(fā)電制動過程中的電機輸出轉(zhuǎn)矩,引入永磁同步電機的磁鏈公式:

(6)

(7)

式中,Ld、Lq分別為定子繞組在d軸和q軸上的電感;uduq分別為電機在d軸、q軸的輸入電壓;iq和id分別是定子電流在q軸和d軸的分量;ψPM為永磁體磁鏈;R為電機內(nèi)阻;ω為電機角速度。

當電機進入減速制動狀態(tài)時,電機輸入d軸和q軸的電壓為零,電機制動力矩的變化如下:

(8)

(9)

(10)

(11)

通過以上公式可知,電機制動力矩特性與由電機的設(shè)計參數(shù):磁鏈、繞組電阻、電感、極對數(shù)等共同決定。其中磁鏈由電機磁場強度分布決定,對于永磁同步電機來說永磁體的磁場是固定的,所以電機永磁體的參數(shù)對制定特性起到至關(guān)重要的影響。IGV作業(yè)場景復(fù)雜,驅(qū)動電機的工作特性需要更加擬合靈活和短距離啟停作業(yè)場景。根據(jù)以上的設(shè)計要求,采用磁性強的釹鐵硼鈷作為電機的定子磁體材料,能為驅(qū)動電機帶來更高的磁場強度和更高系數(shù)的轉(zhuǎn)矩特性,電機制動的制動轉(zhuǎn)矩更高,制動距離更短。

電機經(jīng)過回饋發(fā)電階段的減速,速度逐漸降低,當電機的速度已經(jīng)接近零時,反電動勢過小,切割磁感線的阻力也變小。這個階段,逆變器輸出反向驅(qū)動電流,電機受到反向的轉(zhuǎn)矩與負載轉(zhuǎn)矩達到平衡,駐車制動器介入,制動完成。

5 IGV電機復(fù)合制動控制策略

5.1 IGV制動工況分析

IGV的停車工況可分為8種:緩沖區(qū)停車、岸橋作業(yè)位停車、場橋作業(yè)位停車、充電位停車、堆場IGV車道安全位停車、臨時停車,以及防撞保護停車和故障緊急停車。對于防撞保護停車和故障緊急停車,觸發(fā)保護會直接車輪抱死制動停車,這2種工況對于輪胎和車輛的損害是最大的,但也是最少出現(xiàn)的。對于24 h不停工運轉(zhuǎn)的IGV來說,前6種工況是其正常行駛下最常見的工況。對于前6種工況,IGV具有成熟的導(dǎo)航系統(tǒng)和車輛管理系統(tǒng)進行路徑規(guī)劃和行駛預(yù)估,可通過電機能耗制動實現(xiàn)精準停車。

5.2 IGV制動控制策略

當導(dǎo)航系統(tǒng)收到車隊管理系統(tǒng)下發(fā)的停車目標點信息后,根據(jù)車輪速度編碼器、車輪角度編碼器、磁釘定位系統(tǒng)、慣性測量單元等測量信息組合構(gòu)成導(dǎo)航算法,根據(jù)當前車速和坐標計算到達停車目標點的減速度,下發(fā)指令由單機電控系統(tǒng)實現(xiàn)車輛平穩(wěn)制動。

IGV的中置雙電機制動采用能耗制動,電機電動運行時,通過改變電壓大小控制轉(zhuǎn)矩,改變輸出電流頻率控制轉(zhuǎn)速,能量從電池傳遞到驅(qū)動器,并輸出三相交流電。當電機工作在制動狀態(tài),再生能量的回灌會使母線電壓高于正常工作值。通過對母線電壓的采樣和電壓環(huán)的作用,逆變器立刻切換到整流回饋狀態(tài),控制能量由電機側(cè)向電池側(cè)傳遞。此時根據(jù)楞次定律,永磁體組成的轉(zhuǎn)子在旋轉(zhuǎn)中切割定子線圈繞組的磁感線,受到反向的轉(zhuǎn)矩。當需要電池組輸出電流進行能耗制動時,逆變器改變輸出相序,輸出反向轉(zhuǎn)矩。導(dǎo)航系統(tǒng)根據(jù)IGV實時狀態(tài)進行制動距離的計算,電控系統(tǒng)根據(jù)電機轉(zhuǎn)速計算反向轉(zhuǎn)矩,并控制驅(qū)動器施加在電機上的直流電壓,對制動減速度進行補償,從而達到IGV中置雙電機制動的目的。當轉(zhuǎn)子導(dǎo)體與直流磁場之間無相對運動時,感應(yīng)電動勢消失,感應(yīng)電流隨之消失,電動機停轉(zhuǎn),駐車夾輪器動作,將直流電源切除,IGV中置雙電機能耗制動過程結(jié)束。

從能量角度看,能耗制動消耗的是IGV中置雙電機轉(zhuǎn)子切割直流磁場產(chǎn)生的電能,與電機電源反接制動相比,這種形式的能耗制動能量損耗少,制動停車距離計算準確,制動過程平穩(wěn)。該能耗制動適用于電動容量大、要求制動平穩(wěn)和啟動頻繁的場合。

當IGV觸發(fā)防撞保護停車及故障緊急停車時,電機電源直接切斷,液壓系統(tǒng)作用,鼓式制動器制動,將車輪抱死,強制制動;同時也可避免電機制動失效時發(fā)生事故。

5.3 應(yīng)用數(shù)據(jù)分析

為了更好地說明電機制動過程,使用INVT studio永磁同步電機驅(qū)動器圖形對IGV的帶雙重箱減速制動波形進行截取(見圖3),其中線性減速制動,也就是回饋發(fā)電制動的過程中,電流幅值恒定,制動轉(zhuǎn)矩恒定且反向,速度平穩(wěn)降低。而在能耗制動階段中,電機轉(zhuǎn)速已經(jīng)接近于零,在這個狀態(tài)不再有負載慣性帶來的機械能轉(zhuǎn)化電能的過程,在最后階段驅(qū)動器輸出反向轉(zhuǎn)矩平衡負載轉(zhuǎn)矩,使得車輛完全停止,最后駐車制動器介入。

圖3 電機電流、轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速波形圖

6 結(jié)語

為滿足自動化集裝箱碼頭IGV平穩(wěn)可靠制動需求,依照動力性要求對IGV驅(qū)動系統(tǒng)進行參數(shù)匹配,確定了中置雙電機的輸出特性;制定了IGV正常行駛工況下電機制動控制策略,電控系統(tǒng)與導(dǎo)航系統(tǒng)相結(jié)合,對車輛進行準確制動;選擇能耗制動的電機制動方式,將IGV中置雙電機轉(zhuǎn)子切割直流磁場產(chǎn)生的電能,電能消耗在IGV中置雙電機轉(zhuǎn)子的制動上。在IVG調(diào)試應(yīng)用中,該制動控制策略可有效減小制動沖擊和輪胎磨損,防止液壓系統(tǒng)過載,取得了良好的測試效果。