陳錫文 曾紅彪

1.湖南省汽車技師學(xué)院電氣系 湖南省邵陽市 422001 2.中南大學(xué)輕合金研究院 湖南省長沙市 410083

1 引言

貨車碰撞試驗(yàn)裝置將車輛或被碰撞模型在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)達(dá)到規(guī)定的速度，由場地系統(tǒng)、電力拖動(dòng)系統(tǒng)、高速攝像設(shè)備和牽引系統(tǒng)組成。

2 智能電力拖動(dòng)系統(tǒng)組成

電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)使電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，其機(jī)械運(yùn)動(dòng)過程被稱作電力拖動(dòng)，電力拖動(dòng)系統(tǒng)的功能是將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，拖動(dòng)控制系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)控制電機(jī)輸出的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速。智能電力拖動(dòng)系統(tǒng)是貨車實(shí)驗(yàn)平臺的重要組成部分，包括滯留電機(jī)、整流、速度控制、晶閥管觸發(fā)控制裝置。

3 電力拖動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)力分析模型

控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)和現(xiàn)實(shí)中使用動(dòng)力學(xué)原理對實(shí)驗(yàn)平臺進(jìn)行分析，動(dòng)力模型的研究是電力拖動(dòng)系統(tǒng)的重要技術(shù)環(huán)節(jié)，好的電力拖動(dòng)動(dòng)力模型為貨車碰撞實(shí)驗(yàn)平臺建設(shè)指明了方向，系統(tǒng)由直流電動(dòng)機(jī)、傳動(dòng)機(jī)械和試驗(yàn)車輛構(gòu)成，模型如1 式所示。

圖1 智能電力拖動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

其中，為電力拖動(dòng)系統(tǒng)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩，M為第L 次電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)扭矩，拖動(dòng)試驗(yàn)臺機(jī)械傳動(dòng)部件和電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量構(gòu)成電力拖動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)力旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)部分飛輪矩的代數(shù)和，直線運(yùn)動(dòng)的飛輪矩滿足動(dòng)量守恒定律，被測車輛和牽引鋼絲繩作直線運(yùn)動(dòng)，其質(zhì)量折算為等值飛輪矩。

3.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本文以湖南省汽車技師學(xué)院智慧校園電氣自動(dòng)化專業(yè)仿真系統(tǒng)之貨車試驗(yàn)碰撞試驗(yàn)裝置的建設(shè)為背景，以滿載的東風(fēng)重型貨車為拖動(dòng)對象，分三種情況：（1）貨車自重4.312T，設(shè)計(jì)滿載5T；（2）貨車重4.312 噸，超載到10T；（3）貨車重4.312T，超載重為20T。設(shè)計(jì)貨車碰撞試驗(yàn)的電力拖動(dòng)系統(tǒng)滿足公式所示的規(guī)律，系統(tǒng)滿足碰撞速度需求。

3.2 試驗(yàn)拖動(dòng)對象的選擇

該款汽車型號為EQ1092F19D，該車在交通運(yùn)輸中應(yīng)用廣泛，對其進(jìn)行碰撞試驗(yàn)具有一定的代表性，東風(fēng)EQ1092F19D貨車的基本載重質(zhì)量為5T，整備質(zhì)量為4.312T，整車長度為6910mm，寬度2479mm，高度為2475mm，滿載質(zhì)量為9.312T。在試驗(yàn)過程中貨車滿載5T 以50Km/h 的速度與剛性壁碰撞，檢測碰撞的速度、加速度要求牽引力為16.5T。

本文所設(shè)計(jì)的碰撞試驗(yàn)用途相對特殊，用于檢測貨物在碰撞過程受損情況的同時(shí)要求分析貨車碰撞后汽車受損情況和駕乘人員受傷預(yù)測，在100m 的距離內(nèi)加速到50Km/h，電力拖動(dòng)系統(tǒng)要求提供的拉力是轎車碰撞試驗(yàn)的5 到10 倍，所以試驗(yàn)過程中對電力拖動(dòng)系統(tǒng)的要求相對較高。模擬試驗(yàn)過程中在80 米內(nèi)，牽引的電機(jī)帶動(dòng)貨車最大加速度為16.1m/s 和23m/s 兩種情況，如果拖動(dòng)電機(jī)在50Km/h 的速度情況下脫鉤，在20m 內(nèi)開始制動(dòng)，直到貨車停下。

3.3 拖動(dòng)電機(jī)的平衡計(jì)算

本試驗(yàn)過程中電力拖動(dòng)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩平衡方程滿足2 式約束：

其中， T是拖動(dòng)電機(jī)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩， T是靜態(tài)扭矩， T是拖動(dòng)電機(jī)的動(dòng)態(tài)扭矩，是電力拖動(dòng)系統(tǒng)中的鋼索和空氣阻力的經(jīng)驗(yàn)值（理想情況為真空情況，值為零），拖動(dòng)電機(jī)總是與軸上的負(fù)載轉(zhuǎn)矩和動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩平衡。

3.3.1 靜態(tài)轉(zhuǎn)矩計(jì)算

靜態(tài)轉(zhuǎn)矩是貨車在穩(wěn)定狀態(tài)運(yùn)行的情況,電力拖動(dòng)電機(jī)牽引貨車需要的轉(zhuǎn)動(dòng)力矩，牽引用于克服各種阻力，其阻力包括車輪的滾動(dòng)阻力和空氣阻力（風(fēng)阻）。車輛正常行駛時(shí)，滾動(dòng)阻力為主，風(fēng)阻為輔，試驗(yàn)的靜態(tài)轉(zhuǎn)矩如3 式所示。

3.3.2 動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩計(jì)算

設(shè)計(jì)4 式所示的拖動(dòng)主電機(jī)的轉(zhuǎn)矩為：

其中表示在進(jìn)行碰撞試驗(yàn)過程中電力拖動(dòng)的加速度，為拖動(dòng)電機(jī)帶動(dòng)卷揚(yáng)機(jī)滾筒的直徑，根據(jù)公式5 可以計(jì)算得到碰撞試驗(yàn)中電力拖動(dòng)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動(dòng)動(dòng)態(tài)扭矩為3050 牛頓·米，拖動(dòng)電機(jī)總的動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩為6910N·M。

3.3.3 拖動(dòng)主電機(jī)的選擇

貨車碰撞試驗(yàn)中電力拖動(dòng)主電機(jī)的型號為Z450-2A-06，該電機(jī)的額定電壓為380V，額定電流為15.23A，額定轉(zhuǎn)速為761RPM，最大的轉(zhuǎn)速為1500RPM，最大功率為46.6kW，磁力功率為6.5kW，電機(jī)的效率為91.6%，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為45.4KG·M，電樞回路的壓降：16.7 伏，電樞回路電感：0.14，通風(fēng)量：2.7 立方米/ 秒，通風(fēng)壓強(qiáng)：1950Pa。

3.4 試驗(yàn)裝置控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本文電力拖動(dòng)控制系統(tǒng)采用S7-200PLC 上位機(jī)，對電機(jī)進(jìn)行啟動(dòng)、調(diào)速、控制及其輔助裝置的控制，使用具有限制振幅輸出的PI 調(diào)解器電路串聯(lián)，實(shí)現(xiàn)對拖動(dòng)主電機(jī)進(jìn)行電流、轉(zhuǎn)速進(jìn)行雙閉環(huán)調(diào)速。

3.4.1 碰撞試驗(yàn)電力拖動(dòng)系統(tǒng)控制設(shè)計(jì)

電力拖動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)建立在總體方案和試驗(yàn)要求的基礎(chǔ)上，控制主要對象是電力拖動(dòng)主電機(jī)，調(diào)速裝置可以受到可編程控制器（PLC），同時(shí)PLC 可以管理液壓裝置、照明系統(tǒng)、電機(jī)制動(dòng)裝置、制動(dòng)系統(tǒng)等。車速的提取通過鋼索速度傳感器，避免鋼絲繩索打滑控制產(chǎn)生影響，被測車輛加速、穩(wěn)速是通過調(diào)速裝置控制實(shí)現(xiàn)。本文提出了45Kw 直流電機(jī)為控制對象，西門子S7-200PLC 可編程控制器為上位機(jī)，速度、雙閉環(huán)直流控制速度控制方案，碰撞試驗(yàn)臺電力拖動(dòng)控制體系如圖2 所示。

圖2 碰撞試驗(yàn)臺電力拖動(dòng)控制體系

3.4.2 PLC 控制單元設(shè)計(jì)

可編程控制器以微處理器為基礎(chǔ)，綜合了計(jì)算機(jī)技術(shù)、信息技術(shù)、自動(dòng)化技術(shù)、半導(dǎo)體集成技術(shù)、數(shù)字通信技術(shù)完成電氣設(shè)備控制功能，用PLC 控制彈丸替代繼電器進(jìn)行邏輯控制，本文設(shè)計(jì)的PLC 控制單元由基本控制單元、可編程控制單元和通信設(shè)備組成，本文電力拖動(dòng)系統(tǒng)控制單元采用德國西門子公司的S7-200 系列PLC可編程設(shè)備，該款具有設(shè)備體積小、功能比較強(qiáng)大、性價(jià)比高、操作便捷快速和接口豐富的特點(diǎn)，電力拖動(dòng)控制過程中可以根據(jù)需要選擇合適的CPU 和擴(kuò)展模塊實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制功能，特別是擴(kuò)展模塊可以擴(kuò)充控制子系統(tǒng)的功能，比如智能化控制。

圖3 拖動(dòng)系統(tǒng)PLC 控制單元結(jié)構(gòu)

4 系統(tǒng)仿真分析

仿真直流電機(jī)直接啟動(dòng)時(shí)，選擇330V理想直流電壓作為拖動(dòng)電機(jī)的主要供電，負(fù)載輸出的反饋空載起動(dòng)比例為0，仿真時(shí)間為1.5S 和9S 電機(jī)輸出轉(zhuǎn)速、電樞電流、勵(lì)磁和轉(zhuǎn)矩等信息。當(dāng)負(fù)載為0 時(shí)，電機(jī)的轉(zhuǎn)速保持時(shí)間為0.1S，也就是說沒有一個(gè)時(shí)間片（0.1 秒）之間的轉(zhuǎn)速是一樣的，電樞的電流從300A 下降為0。

圖4 新的拖動(dòng)系統(tǒng)雙閉環(huán)負(fù)載分析

空載2S，設(shè)備開始負(fù)載6000N.m，轉(zhuǎn)速電機(jī)很短時(shí)間內(nèi)運(yùn)轉(zhuǎn)很定，電流基本保持在正常水平，控制系統(tǒng)追加電流，控制主電機(jī)的轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)速維持在最高狀態(tài)，運(yùn)行到第8 秒時(shí)負(fù)載突然脫落，此時(shí)回歸負(fù)載為零的情況，ASR 開始飽和，電流環(huán)發(fā)揮調(diào)節(jié)作用，裝置輸出電壓降低，電流降低，輸出轉(zhuǎn)矩開始減少，轉(zhuǎn)速進(jìn)入空載穩(wěn)定狀態(tài)，空載到滿載再到空載的仿真如圖5所示。

圖5 電力拖動(dòng)系統(tǒng)主電機(jī)轉(zhuǎn)速控制仿真

5 總結(jié)

本文提出了新的貨車碰撞試驗(yàn)臺電力拖動(dòng)系統(tǒng)的控制模型，并且對新設(shè)計(jì)的模型進(jìn)行了仿真分析，給出了控制模塊對主電機(jī)進(jìn)行控制的仿真結(jié)果。對電機(jī)轉(zhuǎn)速、電機(jī)電樞電流、轉(zhuǎn)矩的變化進(jìn)行了分析和說明，特別是進(jìn)行了空載到滿載到空載的轉(zhuǎn)速仿真分析，證明了控制模塊能夠根據(jù)負(fù)載對主電機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，保證主電機(jī)的轉(zhuǎn)速穩(wěn)定，結(jié)果證明本文設(shè)計(jì)的電力拖動(dòng)系統(tǒng)控制方法是高效可行的。