一種電動輪鏟板車防滑處理方法*

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

在國家大力發展智慧礦山、綠色礦山的號召下，逐步淘汰柴油發動機采用電驅動方式將成為鏟板車發展趨勢。WXP100型電動輪鏟板車成功應用于神東8.8 m大采高綜采項目，用于工作面100 t液壓支架的對接移動，也可以用于運輸采煤機。電動鏟板車采用四輪邊驅動方式，驅動電動機類型為開關磁阻電動機。開關磁阻電動機啟動電流小，啟動轉矩大，適于鏟板車低速大推力的應用工況[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，在靜態大推力下驅動輪非常容易發生打滑現象。傳統柴油機型號車可以通過限滑差速器調整來實現防滑功能[3]，該防滑方法不能適用于獨立輪邊電驅動鏟板車。因此研究一種適用于獨立輪邊電驅動防滑處理方法成為整車控制系統重要組成部分。

1 電動輪鏟板車防滑系統硬件結構

電動輪鏟板車防滑處理以整車電驅動系統為平臺實現。整車電驅動系統結構如圖1所示。

圖1 整車電驅動系統結構

整車電驅系統由4個牽引電動機、1個液壓泵電動機及5個獨立的電動機控制器組成。根據鏟板車實際運行工況，采用開關磁阻電動機作為驅動和液壓泵電動機，電動機與減速機連接組成輪邊驅動系統。

牽引電動機處于四象限運行模式，為整車提供牽引及電制動轉矩；液壓泵電動機帶動液壓泵為整車液壓系統提供動力。牽引電動機和液壓泵電動機由相應的電動機控制器控制，由整車控制系統發送各電動機的目標轉矩或者目標轉速至電動機控制器，由電動機控制器控制產生并反饋實際轉矩和實際轉速等狀態參數。牽引電動機和液壓泵電動機外特性曲線如圖2所示。整車直流母線電壓為480 Vdc，電動機的額定功率為100 kW，額定轉速為1 500 r/min。

2 電動輪鏟板車防滑控制策略

2.1 電動鏟板車防滑原理分析

電動輪鏟板車運行于工況惡劣的井下環境，路面常存在泥濘、坑洼、坡度陡峭等狀態，此狀態路面附著力減小。車輛正常行駛時，附著力遠遠大于驅動電動機的輸出牽引力，因此不會形成輪胎與地面的滑行移動只有輪胎的滾動動作。但在上述路面行駛時，由于路面附著力低，易出現驅動電動機的牽引力大于路面附著力極限值時，此時電動機轉速會快速增大，形成輪胎的滾動和相對地面的滑移動作?；坡视址Q滑動率，是指在車輪運動中滑動成分所占的比例。根據井下路面綜合判斷，當滑動率大于0.3時，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整驅動輪的牽引力，使之與路面附著力相匹配，控制輪子的滑移率小于0.3。同時給驅動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 電動鏟板車防滑控制策略概述

傳統軸驅動車輛都是通過差速器控制驅動軸兩端輪子的差異轉速來實現防滑功能。電動輪鏟板車為四輪獨立輪邊驅動，并無驅動軸因此通過差速器的方式防滑。但由于每個驅動輪可以獨立控制牽引轉矩和輪子轉速，將為防滑控制提供更為便捷和有效的平臺。

電動輪鏟板車防滑控制分為兩步，第一步為驅動防滑輪的打滑狀態判斷；第二步為實施對打滑輪的處理措施。其中判斷打滑狀態為防滑控制策略的關鍵。

電動機控制器可以將每一個電動機的實際轉速通過總線發送至整車控制器,電動機轉速是判斷防滑狀態的關鍵參數。上述的滑移率通過公式轉換可以用轉差率來表示，轉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算平均車速的差值同計算平均車速的比值。驅動輪打滑可根據計算驅動輪轉差率和加速度兩個方面的組合判斷。其判斷原理與方法如下：

車輛在非打滑的情況下，各輪的計算車速在理論上一致，轉差率為零，當輪子打滑時，則該輪子計算車速將明顯大于其他輪子計算車速或計算平均車速，該車輪的轉差率將迅速變大，但利用轉差率來判斷是否打滑的不足之處是轉差率隨路面條件的不同而不同，需要通過多次試驗確定。同時為了更加準確地判斷出輪子的打滑狀態還需引入各輪的加速度，加速度反映出輪子計算車速變化的快慢，是相對于本軸的獨立標準，與其他軸無關，當該輪的加速度迅速變大時，便可以結合上述的轉差率對該輪的打滑狀態進行判斷。

當判定某驅動輪為打滑狀態后，開始調節該驅動輪的目標牽引轉矩，電動機實際轉矩不斷降低，轉速也會隨之減小。當電動機轉差率恢復至一定范圍內時，打滑現象消失，防滑處理完成。

3 電動鏟板車防滑控制器設計

3.1 電動鏟板車防滑控制器實現平臺

電動鏟板車防滑控制器組成如圖2所示。首先由電動機控制器采集相應控制輪的實時轉速，通過CAN總線傳輸至整車控制器；整車控制器接收到4個牽引電動機的轉速后啟動防滑判斷模塊，對每個驅動輪進行打滑狀態判斷；當驅動輪發生打滑現象時，整車控制器調整相應驅動輪電動機的目標轉矩，將目標轉矩通過CAN總線發送至相應的電動機控>制器，然后由電動機控制器控制電動機產生同樣的實際轉矩。

圖2 防滑處理實現平臺組成

3.2 電動鏟板車防滑控制模型分析

車輪速度根據牽引電動機轉速換算得出，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為計算電動機轉速，r/min；i為減速機減速比。

(2)

前述的各輪轉差率計算便以此參數為依據。

(3)

另外為了更加真實地反映驅動輪子轉速變化的狀態，特引入了驅動輪加速度變量。通過加速度變化來反饋自身轉速的變化情況。正常行駛時，車輛加速過程中，各輪的加速度近似相等且比較小。但是當某一驅動輪處于打滑狀態時，該輪的加速度會突然變大且與其他車輪不一致。各輪的加速度計算公式如式(4)。

(4)

驅動輪的打滑狀態需要綜合驅動的轉差率和加速度兩個狀態變量，其流程如圖3所示。

圖3 防滑檢測及處理流程

從防滑處理流程圖可知，采集各驅動輪的實時轉速，計算整車速度和各輪的輪速，對各驅動輪進行實時加速度計算；根據各輪速和整車車速的比較計算轉差率，綜合兩變量的判斷結果判斷出驅動輪的打滑狀態；對于打滑驅動輪，通過匹配該輪驅動轉矩的方式改變輪子的加速度和轉差率,達到防滑處理的目的。

4 防滑試驗結果及分析

利用工程專用CoDeSys編譯器在整車控制器上對防滑處理進行軟件實現[5]。電動輪鏟板車由于整車前后重心分布(整車空載前后載重比達到了2∶8)不均，以及地面附著力偏小在靜態推拉支架工況下，前輪容易出現打滑情況。因此在整車設計調試過程中，專門進行了防滑試驗，試驗結果如圖4～9所示。

圖4顯示車輛正常行駛下，驅動輪在轉向時才有左右內外輪差，直線行駛時各輪的輪速基本一致，處于非打滑狀態。圖5顯示在非打滑狀態下各輪的驅動轉矩狀態，牽引轉矩基本一致，車輛能夠平穩運行。

圖6顯示鏟板車在進行靜態推動支架過程中，左前輪轉速明顯高于其他三驅動輪轉速，目測該輪處于打滑狀態。圖7顯示防滑處理程序判斷出的左前輪打滑標志位和打滑保持標志位狀態，可以看出當左前輪打滑標志位置1.0后，表示左前輪處于打滑狀態。圖8反映了打滑輪的目標轉矩計算流程。當系統檢測到左前輪處于打滑狀態時，調整減小目標驅動轉矩直至打滑狀態消失，并在打滑標志位置0的狀態下持續輸出匹配當前轉矩，以保持打滑輪的最大驅動力。圖9顯示左前輪打滑情況下的電動機相應轉矩，可知與整車控制器輸出的目標轉矩一致。最后從圖6中左前輪的轉速變化可以看出，驅動輪在打滑的情況下轉速會快速上升，當系統判斷出打滑狀態并進行防滑處理后轉速會快速降低，迅速脫離打滑狀態，并通過優化轉矩控制策略可以最大限度地保證打滑輪的驅動力。

圖4 非打滑情況下各輪轉速

圖5 非打滑情況下各輪實際牽引轉矩

圖6 打滑情況下各輪轉速

圖7 左前輪打滑標志

圖8 打滑情況下給定的驅動轉矩

圖9 左前輪打滑情況下實際驅動轉矩

5 結論

通過上述試驗結果可知，本文研究的防滑處理方法適用于四輪獨立電驅動鏟板車?？焖儆行У嘏袛喑鲵寗虞喆蚧瑺顟B，并通過調節驅動電動機的轉矩，將電動機轉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的基礎上，最大限度地保證打滑驅動輪的驅動力。該防滑處理方法已經成功應用于本公司生產的電動輪鏟板車驅動控制策略，顯著提高了車輛驅動的安全性和穩定性。