馬凱

(中國煤炭科工集團 太原研究院有限公司， 山西 太原 030006)

0 引言

傳統(tǒng)汽車行走時，兩驅(qū)動輪之間通過機械差速器進行速度調(diào)節(jié)。差速器分別驅(qū)動兩側(cè)半軸和驅(qū)動輪，當不考慮差速器內(nèi)摩擦力矩時,兩側(cè)輸出幾乎相等的力矩。當車輛轉(zhuǎn)彎或行駛在不平路面上時，差速器可使左右驅(qū)動車輪以不同的轉(zhuǎn)速純滾動運行[1]。機械差速器的本質(zhì)是以保持兩驅(qū)動車輪轉(zhuǎn)矩相同為手段，實現(xiàn)兩驅(qū)動車輪轉(zhuǎn)速隨運行工況的自適應調(diào)節(jié)。

電動汽車由電動機直接驅(qū)動車輪(輪轂電動機)或由電動機通過傳動裝置驅(qū)動車輪。車輪之間沒有機械差速器，因此需要通過電控方式解決差速問題。電子差速系統(tǒng)的研究主要集中于地面電動車輛。目前常用的電子差速方法有對轉(zhuǎn)雙轉(zhuǎn)子電動機方式，其結(jié)構(gòu)是由一個永磁同步電動機和一個三相異步電動機級聯(lián)構(gòu)成的電動機結(jié)構(gòu)，連同安裝在2個轉(zhuǎn)子外側(cè)的換向減速行星排實現(xiàn)差速，該方法結(jié)構(gòu)復雜，應用推廣較為困難[2]?；谵D(zhuǎn)角反饋的速度控制方法是通過測量轉(zhuǎn)向油缸或車輪轉(zhuǎn)角等，根據(jù)車輪轉(zhuǎn)角大小分配內(nèi)外車輪不同的轉(zhuǎn)速，該方法要求角度傳感器有較高的可靠性[3-4]。等轉(zhuǎn)矩控制方法是以控制驅(qū)動電動機電流的方式等值分配各輪的驅(qū)動力，使各輪驅(qū)動電動機的轉(zhuǎn)矩相等，達到差速目的[5-7]。滑移率控制方法考慮了轉(zhuǎn)彎時車輪的垂直載荷變化，以使兩驅(qū)動輪的附著率相等為目標，并以此為依據(jù)分配兩輪的驅(qū)動轉(zhuǎn)矩，減小了車輛發(fā)生滑轉(zhuǎn)的可能性，但滑移率的判定較為困難[8]。在滑移率控制方法基礎上又出現(xiàn)了以轉(zhuǎn)矩差速為研究對象，以車輪滑移角為反饋變量，實現(xiàn)電子差速的方法，該方法仿真效果良好，但尚未進行試驗驗證[9]。橫擺力矩控制方法利用針對橫擺力矩設計的滑?？刂破鲗崿F(xiàn)車輛差速轉(zhuǎn)向，可有效控制車身橫擺力矩，調(diào)節(jié)橫擺角速度和質(zhì)心側(cè)偏角，提高車輛的操縱性和穩(wěn)定性。橫擺力矩控制方法適用于高速運行的車輛[10-12]。

在煤礦井下運輸車輛中，同樣廣泛采用電力驅(qū)動。某無驅(qū)動橋礦用車輛采用交流電動機驅(qū)動，同側(cè)兩個車輪由同一交流電動機驅(qū)動，對側(cè)車輪之間沒有驅(qū)動橋無法利用機械差速器調(diào)節(jié)速度[13-14]，具體結(jié)構(gòu)見圖1。該車輛屬于低速車輛，最高車速不超過10 km/h。針對其特點，在借鑒上述機械差速器等轉(zhuǎn)矩差速控制及等電子差速方法的基礎上提出了一種基于速度反饋的簡單可行的差速控制方法。

1 某礦用車輛驅(qū)動系統(tǒng)

某礦用四輪驅(qū)動車輛如圖1所示，兩側(cè)驅(qū)動回路各自獨立由一個交流異步電動機通過行走減速器、長短傳動軸、輪邊減速器、車輪進行動力傳遞。轉(zhuǎn)向時，同側(cè)兩車輪擺角大小相等、方向相反，理論轉(zhuǎn)速相同,而兩側(cè)車輪轉(zhuǎn)速不同需要進行差速控制。該行走系統(tǒng)的差速控制實質(zhì)為對兩交流異步電動機的差速控制。

1-車輪;2-長傳動軸;3-輪邊減速器;4-短傳動軸;5-行走減速器;6-交流異步電動機。

該驅(qū)動控制系統(tǒng)采用轉(zhuǎn)差頻率方式的變壓變頻調(diào)速控制。轉(zhuǎn)差頻率控制基于交流電動機穩(wěn)態(tài)電路，是在V/f控制的基礎上發(fā)展起來的，可在控制過程中保持磁通恒定、限制轉(zhuǎn)差頻率變化范圍，通過轉(zhuǎn)差頻率調(diào)節(jié)異步電動機的電磁轉(zhuǎn)矩。其動態(tài)性能雖沒有基于交流電動機動態(tài)方程的矢量控制和直接轉(zhuǎn)矩控制好，但相比V/f控制提高了動態(tài)特性和限制過電流能力。其控制原理相對簡單，適合動態(tài)性能沒有過高要求的場合。

依據(jù)交流異步電動機穩(wěn)態(tài)模型[15]，應用轉(zhuǎn)差頻率變頻控制時，在基頻以下采用定子電壓補償?shù)姆绞骄S持Er/ω恒定，可保持轉(zhuǎn)子磁通φmr不變。此時交流電動機轉(zhuǎn)矩為：

(1)

(2)

由式(2)可知，交流電動機轉(zhuǎn)矩與其轉(zhuǎn)速降落值成正比，因此可以通過控制交流電動機轉(zhuǎn)速降落值來間接控制交流電動機輸出轉(zhuǎn)矩。

2 差速控制策略

2.1 差速控制流程

車輛直行時兩電動機轉(zhuǎn)速基本相同。當車輛由直行變?yōu)檗D(zhuǎn)向時如圖2所示，此時轉(zhuǎn)向內(nèi)側(cè)車輪行駛半徑Rn小于外側(cè)車輪行駛半徑Rw。若兩車輪轉(zhuǎn)速仍然相等，則內(nèi)側(cè)車輪將會拖動外側(cè)車輪行走，即內(nèi)側(cè)車輪行走阻力加大、滑移量增大從而轉(zhuǎn)速降低，外側(cè)車輪行走阻力減小、滑移量減小甚至產(chǎn)生滑轉(zhuǎn)從而轉(zhuǎn)速增大。因此兩電動機轉(zhuǎn)速降落及輸出力矩產(chǎn)生了差異。根據(jù)上述理論分析，通過速度調(diào)節(jié)的方式將兩電動機轉(zhuǎn)速降落偏差值調(diào)整至一定范圍內(nèi)，即相當于將兩電動機力矩偏差調(diào)整至一定范圍內(nèi)，即可認為兩車輪轉(zhuǎn)速得到良好的匹配。轉(zhuǎn)向時外側(cè)電動機轉(zhuǎn)速加快，以下稱快速電動機；內(nèi)側(cè)電動機轉(zhuǎn)速降低，以下稱慢速電動機。設定快速電動機某頻率下同步轉(zhuǎn)速為n1，實際轉(zhuǎn)速為n10，轉(zhuǎn)速降落為Δn1；慢速電動機某頻率下同步轉(zhuǎn)速為n2，實際轉(zhuǎn)速n20，轉(zhuǎn)速降落為Δn2。同步轉(zhuǎn)速為控制器給定的電動機轉(zhuǎn)速，實際轉(zhuǎn)速為由編碼器反饋速度或由變頻器計算得出的電動機實際轉(zhuǎn)速。編碼器與電動機轉(zhuǎn)子軸連接，直接得出電動機轉(zhuǎn)子軸轉(zhuǎn)速，測速精度較高?？刂破鞯慕o定轉(zhuǎn)速指令發(fā)送至變頻器后，變頻器通過定子電壓幅值補償，同步調(diào)節(jié)電動機氣隙磁通在每相繞組中的感應電動勢及同步頻率，保持電動機氣隙磁通恒定，從而穩(wěn)定地調(diào)節(jié)電動機轉(zhuǎn)速。差速控制流程如圖3所示。

1-外側(cè)車輪; 2-外側(cè)電動機; 3-內(nèi)側(cè)電動機; 4-內(nèi)側(cè)車輪。

圖3 差速控制流程

2.2 控制策略解析

1) 設定兩電動機轉(zhuǎn)速絕對差值的檢測對比是為了防止過于頻繁地調(diào)整電動機轉(zhuǎn)速，影響直行效果。該實際轉(zhuǎn)速對比值ns要大于轉(zhuǎn)速降落對比值Δns。當|n20-n10|>ns時，進行下一步速度檢測，則保持兩電動機給定轉(zhuǎn)速相同，即n1=n2。

2) 檢測計算兩電動機轉(zhuǎn)速降落差值，當差值|Δn2-Δn1|>Δns時，則開始下一步轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié),否則不進行轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)。

3) 如上述當車輛由直行開始轉(zhuǎn)向或者轉(zhuǎn)彎半徑減小時，此時慢速電動機會拖動快速電動機行走，慢速電動機轉(zhuǎn)速降落增大，快速電動機轉(zhuǎn)速降落減少。當差值|Δn2-Δn1|>Δns時，開始調(diào)整慢速電動機轉(zhuǎn)速，將其給定值n2設定為n2-(Δn2-Δn1)。反復迭代，直至兩電動機轉(zhuǎn)速降落差值在Δns內(nèi)。穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)向時慢速電動機轉(zhuǎn)速降落值大于快速電動機，因此發(fā)出力矩也稍大于快速電動機。

當車輛由轉(zhuǎn)彎趨于直行或者轉(zhuǎn)彎半徑增大時，此時快速電動機會拖動慢速電動機行走，快速電動機轉(zhuǎn)速降落增大，慢速電動機轉(zhuǎn)速降落減小。同樣當|Δn2-Δn1|>Δns時，開始增大慢速電動機給定轉(zhuǎn)速n2，將其給定值n2設定為n2+(Δn1-Δn2)，即該設定值同樣為n2-(Δn2-Δn1)。反復迭代，直至兩電動機轉(zhuǎn)速降落差值在Δns內(nèi)。若仍然處于轉(zhuǎn)向狀態(tài)，此時外側(cè)快速電動機發(fā)出力矩稍大于內(nèi)側(cè)慢速電動機。若處于直行狀態(tài)，通過額外的兩電動機轉(zhuǎn)速絕對值的對比檢驗及轉(zhuǎn)速設定，兩電動機給定同步轉(zhuǎn)速將相同。

2.3 實際應用效果

在地面對該車輛進行了差速性能試驗并通過車載存儲器對兩電動機轉(zhuǎn)速、電流等運行數(shù)據(jù)進行了實時存儲。圖4為車輛從直行開始轉(zhuǎn)向并穩(wěn)定轉(zhuǎn)向一段時間的兩電動機給定同步轉(zhuǎn)速及實際轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的變化曲線。由圖4可知，直行時兩電動機給定同步轉(zhuǎn)速均為1 000 r/min，此時兩電動機轉(zhuǎn)速降落比較接近。開始轉(zhuǎn)向后，外側(cè)快速電動機同步轉(zhuǎn)速不變，內(nèi)側(cè)慢速電動機給定同步轉(zhuǎn)速及實際轉(zhuǎn)速持續(xù)下降。在轉(zhuǎn)向變化過程中快速電動機轉(zhuǎn)速降落有所降低，從10～15 r/min降為5～10 r/min；慢速電動機轉(zhuǎn)速降落則明顯增大，從10～15 r/min增為30～40 r/min。整個轉(zhuǎn)向過渡時間約1.3s。穩(wěn)定轉(zhuǎn)向后，因轉(zhuǎn)向行走阻力大于直線行走阻力，兩電動機轉(zhuǎn)速降落均比直行時偏大，慢速電動機轉(zhuǎn)速降落也略大于快速電動機。這與上述理論分析的差速效果基本一致。穩(wěn)定轉(zhuǎn)向時兩電動機實際轉(zhuǎn)速比約為1.67，與理論計算差速比基本符合，證明了該差速控制方法切實有效。

在轉(zhuǎn)子磁通φmr不變時，交流電動機電流變化趨勢與力矩變化趨勢基本一致。通過圖5中兩電動機電流曲線可間接看出兩電動機力矩變化趨勢。直行時兩電動機電流相差無幾，轉(zhuǎn)彎差速過程中慢速電動機電流明顯增大、快速電動機電流有所減小，到穩(wěn)定轉(zhuǎn)向后慢速電動機電流仍略大于快速電動機。兩電動機電流變化規(guī)律與上述速度變化規(guī)律基本吻合。

圖5 差速過程中兩電動機電流曲線

該差速控制方法原理與機械差速器相同，對于良好路面、坑洼不平路面均有良好的適應性。在遇到單側(cè)輪胎滑轉(zhuǎn)率明顯增加的工況時，在該側(cè)輪胎沒有完全失去附著能力時，滑轉(zhuǎn)率低的那一側(cè)輪胎對應的電動機會降速，驅(qū)使整車以較低的速度行走。如遇到一側(cè)輪胎完全失去附著能力的工況時，此時整車先是產(chǎn)生一定側(cè)移，最后失去行走能力。由此可知，除非是遇到單側(cè)輪胎失去附著力的極端工況，該方法對于低速礦用車輛有良好的適應性，井下實際使用效果也驗證了這一點。

3 結(jié)論

無驅(qū)動橋的低速礦用電驅(qū)車輛轉(zhuǎn)彎時，無法利用輪間差速器進行速度調(diào)節(jié)。本文分析了傳統(tǒng)車輛差速控制原理，介紹了地面電動車輛的電子差速原理，在此基礎上通過對交流電動機轉(zhuǎn)差率控制方法的分析，提出一種基于轉(zhuǎn)速反饋的差速控制策略。該策略通過簡單的利用兩交流電動機轉(zhuǎn)速降落的差值調(diào)節(jié)兩電動機中慢速電動機的給定同步轉(zhuǎn)速值，以保證兩電動機發(fā)出力矩相等，實現(xiàn)兩側(cè)車輪的自適應差速。經(jīng)實際應用及數(shù)據(jù)監(jiān)測結(jié)果表明，該差速控制方法切實有效。該方法僅采集了電動機轉(zhuǎn)速信號，電動機編碼器故障時可由變頻器計算轉(zhuǎn)速進行替代，因此該控制系統(tǒng)可靠性高。通過該電子差速控制方法，實現(xiàn)了低速礦用車輛的平穩(wěn)轉(zhuǎn)向，提高了車輛的運行穩(wěn)定性和可靠性。因該差速方法理論基于交流電動機穩(wěn)態(tài)模型，在動態(tài)性能方面有所不足。后續(xù)可基于矢量變頻控制進行針對性提升，并通過模糊PID控制等手段進一步提高差速控制的綜合性能。