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(guó)家大力發(fā)展智慧礦山、綠色礦山的號(hào)召下，逐步淘汰柴油發(fā)動(dòng)機(jī)采用電驅(qū)動(dòng)方式將成為鏟板車發(fā)展趨勢(shì)。WXP100型電動(dòng)輪鏟板車成功應(yīng)用于神東8.8 m大采高綜采項(xiàng)目，用于工作面100 t液壓支架的對(duì)接移動(dòng)，也可以用于運(yùn)輸采煤機(jī)。電動(dòng)鏟板車采用四輪邊驅(qū)動(dòng)方式，驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)類型為開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)。開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)電流小，啟動(dòng)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(dòng)輪非常容易發(fā)生打滑現(xiàn)象。傳統(tǒng)柴油機(jī)型號(hào)車可以通過(guò)限滑差速器調(diào)整來(lái)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(dòng)鏟板車。因此研究一種適用于獨(dú)立輪邊電驅(qū)動(dòng)防滑處理方法成為整車控制系統(tǒng)重要組成部分。

1 電動(dòng)輪鏟板車防滑系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

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

圖1 整車電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

整車電驅(qū)系統(tǒng)由4個(gè)牽引電動(dòng)機(jī)、1個(gè)液壓泵電動(dòng)機(jī)及5個(gè)獨(dú)立的電動(dòng)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(dòng)機(jī)作為驅(qū)動(dòng)和液壓泵電動(dòng)機(jī)，電動(dòng)機(jī)與減速機(jī)連接組成輪邊驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。

牽引電動(dòng)機(jī)處于四象限運(yùn)行模式，為整車提供牽引及電制動(dòng)轉(zhuǎn)矩；液壓泵電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)液壓泵為整車液壓系統(tǒng)提供動(dòng)力。牽引電動(dòng)機(jī)和液壓泵電動(dòng)機(jī)由相應(yīng)的電動(dòng)機(jī)控制器控制，由整車控制系統(tǒng)發(fā)送各電動(dòng)機(jī)的目標(biāo)轉(zhuǎn)矩或者目標(biāo)轉(zhuǎn)速至電動(dòng)機(jī)控制器，由電動(dòng)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(dòng)機(jī)和液壓泵電動(dòng)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(dòng)機(jī)的額定功率為100 kW，額定轉(zhuǎn)速為1 500 r/min。

2 電動(dòng)輪鏟板車防滑控制策略

2.1 電動(dòng)鏟板車防滑原理分析

電動(dòng)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(shí)，附著力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的輸出牽引力，因此不會(huì)形成輪胎與地面的滑行移動(dòng)只有輪胎的滾動(dòng)動(dòng)作。但在上述路面行駛時(shí)，由于路面附著力低，易出現(xiàn)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的牽引力大于路面附著力極限值時(shí)，此時(shí)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速會(huì)快速增大，形成輪胎的滾動(dòng)和相對(duì)地面的滑移動(dòng)作。滑移率又稱滑動(dòng)率，是指在車輪運(yùn)動(dòng)中滑動(dòng)成分所占的比例。根據(jù)井下路面綜合判斷，當(dāng)滑動(dòng)率大于0.3時(shí)，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(dòng)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(shí)給驅(qū)動(dòng)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(dòng)鏟板車防滑控制策略概述

傳統(tǒng)軸驅(qū)動(dòng)車輛都是通過(guò)差速器控制驅(qū)動(dòng)軸兩端輪子的差異轉(zhuǎn)速來(lái)實(shí)現(xiàn)防滑功能。電動(dòng)輪鏟板車為四輪獨(dú)立輪邊驅(qū)動(dòng)，并無(wú)驅(qū)動(dòng)軸因此通過(guò)差速器的方式防滑。但由于每個(gè)驅(qū)動(dòng)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(tái)。

電動(dòng)輪鏟板車防滑控制分為兩步，第一步為驅(qū)動(dòng)防滑輪的打滑狀態(tài)判斷；第二步為實(shí)施對(duì)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(dòng)機(jī)控制器可以將每一個(gè)電動(dòng)機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速通過(guò)總線發(fā)送至整車控制器,電動(dòng)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(guò)公式轉(zhuǎn)換可以用轉(zhuǎn)差率來(lái)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(jì)算平均車速的差值同計(jì)算平均車速的比值。驅(qū)動(dòng)輪打滑可根據(jù)計(jì)算驅(qū)動(dòng)輪轉(zhuǎn)差率和加速度兩個(gè)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(jì)算車速在理論上一致，轉(zhuǎn)差率為零，當(dāng)輪子打滑時(shí)，則該輪子計(jì)算車速將明顯大于其他輪子計(jì)算車速或計(jì)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(lái)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(guò)多次試驗(yàn)確定。同時(shí)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(jì)算車速變化的快慢，是相對(duì)于本軸的獨(dú)立標(biāo)準(zhǔn)，與其他軸無(wú)關(guān)，當(dāng)該輪的加速度迅速變大時(shí)，便可以結(jié)合上述的轉(zhuǎn)差率對(duì)該輪的打滑狀態(tài)進(jìn)行判斷。

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

3 電動(dòng)鏟板車防滑控制器設(shè)計(jì)

3.1 電動(dòng)鏟板車防滑控制器實(shí)現(xiàn)平臺(tái)

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

3.2 電動(dòng)鏟板車防滑控制模型分析

車輪速度根據(jù)牽引電動(dòng)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(jì)算電動(dòng)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(jì)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(dòng)輪子轉(zhuǎn)速變化的狀態(tài)，特引入了驅(qū)動(dòng)輪加速度變量。通過(guò)加速度變化來(lái)反饋?zhàn)陨磙D(zhuǎn)速的變化情況。正常行駛時(shí)，車輛加速過(guò)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(dòng)輪處于打滑狀態(tài)時(shí)，該輪的加速度會(huì)突然變大且與其他車輪不一致。各輪的加速度計(jì)算公式如式(4)。

(4)

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

圖3 防滑檢測(cè)及處理流程

從防滑處理流程圖可知，采集各驅(qū)動(dòng)輪的實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速，計(jì)算整車速度和各輪的輪速，對(duì)各驅(qū)動(dòng)輪進(jìn)行實(shí)時(shí)加速度計(jì)算；根據(jù)各輪速和整車車速的比較計(jì)算轉(zhuǎn)差率，綜合兩變量的判斷結(jié)果判斷出驅(qū)動(dòng)輪的打滑狀態(tài)；對(duì)于打滑驅(qū)動(dòng)輪，通過(guò)匹配該輪驅(qū)動(dòng)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(yàn)結(jié)果及分析

利用工程專用CoDeSys編譯器在整車控制器上對(duì)防滑處理進(jìn)行軟件實(shí)現(xiàn)[5]。電動(dòng)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(jì)調(diào)試過(guò)程中，專門進(jìn)行了防滑試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖4～9所示。

圖4顯示車輛正常行駛下，驅(qū)動(dòng)輪在轉(zhuǎn)向時(shí)才有左右內(nèi)外輪差，直線行駛時(shí)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(dòng)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(dòng)支架過(guò)程中，左前輪轉(zhuǎn)速明顯高于其他三驅(qū)動(dòng)輪轉(zhuǎn)速，目測(cè)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(jì)算流程。當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)到左前輪處于打滑狀態(tài)時(shí)，調(diào)整減小目標(biāo)驅(qū)動(dòng)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(dòng)力。圖9顯示左前輪打滑情況下的電動(dòng)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(dòng)輪在打滑的情況下轉(zhuǎn)速會(huì)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(huì)快速降低，迅速脫離打滑狀態(tài)，并通過(guò)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(dòng)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(dòng)轉(zhuǎn)矩

圖9 左前輪打滑情況下實(shí)際驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩

5 結(jié)論

通過(guò)上述試驗(yàn)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(dòng)鏟板車?？焖儆行У嘏袛喑鲵?qū)動(dòng)輪打滑狀態(tài)，并通過(guò)調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩，將電動(dòng)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(dòng)輪的驅(qū)動(dòng)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(dòng)輪鏟板車驅(qū)動(dòng)控制策略，顯著提高了車輛驅(qū)動(dòng)的安全性和穩(wěn)定性。