矿用铰接式车辆四轮独立驱动控制方案设计.pdf

第 7 期 山 西 焦 煤 科 技 No.72023 年 7 月Shanxi Coking Coal Science&TechnologyJul.2023试验研究收稿日期:2023-03-29基金项目:中国煤炭科工集团太原研究院有限公司(MS2021-MS09)作者简介:曹建文(1975),男,山西太原人,2006 年毕业于太原理工大学,副研究员,主要从事电力电子及煤矿自动化研究(E-mail)cao_jianwen 矿用铰接式车辆四轮独立驱动控制方案设计曹建文1,2,3(1.中国煤炭科工集团 太原研究院有限公司,山西太原030021;2.山西天地煤机装备有限公司,山西太原030021;3.煤矿采掘机械装备国家工程实验室,山西太原030021)摘要矿用铰接式车辆驱动系统的实时性、适应性要求越来越高,传统的铰接式车辆驱动系统已经无法满足要求。在分析矿用铰接式车辆特点的基础上,设计四轮独立驱动控制方案,以 PLC 控制器为核心,通过 CAN 总线通讯对变频器进行控制,实现了铰接式车辆变频器与电动机的“一对一”控制、转向控制,且实现了车辆运行过程的实时监控。通过试验证明:该四轮独立驱动控制方案的适应性强、通用性好,能够保证矿用铰接式车辆安全、高效、稳定运行。关键词矿用铰接式车辆;四轮独立驱动;变频控制;转向控制中图分类号:TD634文献标识码:B文章编号:1672-0652(2023)07-0013-04矿用铰接式车辆适宜在露天矿山,井下综掘/综采工作面等狭小空间,低速行驶、频繁制动场景使用,能够适应于煤矿恶劣路面、频发转向和制动、强振动和冲击工况,已逐渐成为露天煤矿、井下综掘工作面的主要运输工具。常见的矿用铰接式车辆有 WJX-10FB 防爆铅酸蓄电池铲运机、WX45J 蓄电池支架搬运车、488 铲车、VT680 电动铲板车等。矿用铰接式车辆的前后车架通过铰接装置连接以及全液压转向控制系统使前后车架形成折转角,实现大转向角、小转弯半径的转向控制,增强了车辆的灵活性和机动性1-2.传统矿用铰接式车辆控制方案存在运行与驱动模式单一,控制实时性、适用性差等问题3-4.因此,设计了一种实时性好、适用性强的四轮独立驱动控制方案,以 PLC 控制器为核心,基于 CAN 总线通讯技术实现矿用铰接式车辆电动机“一对一”变频器控制;设计多种运行模式和驱动模式,增强车辆的适用性;设计数据处理与监控平台,及时掌握车辆运行与故障情况,保证车辆安全、稳定、高效运行。1矿用铰接式车辆特点典型的矿用铰接式车辆为三段式回转铰接式结构,见图 1.第 1 段为铲板+驾驶室,第 2 段为电气控制箱+液压控制系统,第 3 段为铅酸蓄电池。该铰接式电动铲板车用于井下综采工作面液压支架的回撤和安装。图 1典型矿用铰接式车辆(电动铲板车)结构图矿用铰接式车辆的特点为:1)转弯半径小,在狭小场地作业机动灵活。2)视野良好,驾驶员易于掌握转弯临界点的位置。3)在不改变转弯半径的条件下能获得较大的轴距,提高了行驶中的纵向稳定性,减小地面不平或快速行驶时的颠簸和冲击。4)在松软地面上曲线行驶时仍能获得较大的牵引力。车轮和机体在转向面内没有相对运动,有足够的空间安装大直径宽胎面的低压轮胎,从而降低接地比压,有利于提高车辆的附着性能,获得较好的越野性和通过性5.5)由于车架滚转(摆动),使车轮可以适应不平地形,保持车辆有均匀的垂直载荷和良好的接地能力,有效地利用附着力,改善了牵引性能,车架的扭转应力减小。2总体控制方案设计矿用铰接式车辆四驱控制系统由 PLC 控制器为核心模块,扩展数字量输入、数字量输出、模拟量输入以及通信模块协同完成对铰接式车辆的控制,总体设计框图见图 2.矿用铰接式车辆有“解制动”等 8 个数字量输入信号,对应控制手柄的 8 个功能键以及组合键,协同组合完成对车辆的控制。与之对应的数字量输出信号有“制动释放”等,包括语音提示、前后灯输出等。PLC 控制器扩展采集模拟量输入接口用于采集脚踏板信号,以控制车速;采集油泵电机的油泵信号,以防油温过高对油泵电机造成损害。PLC 控制器扩展两组 CAN 总线通信接口,用于控制前后 4组变频器,进而分别“一对一”控制前后 4 个电动机;扩展一个 Modbus 通讯接口,用于采集矿用铰接式车辆的传感器信号;扩展 TCP/IP 通信接口,用于传送数据至工业液晶显示屏。图 2矿用铰接式车辆四驱控制方案总体设计框图矿用铰接式车辆启动前,需先完成油泵电机启动、解制动动作。油泵电机用于为车辆的液压系统提供动力,由手柄的功能键“油泵启停”按钮完成,在初始态时,按下该按钮为油泵启动,且触发“油泵正在启动”语音声光报警,持续 5 s.再次按下该按钮后,油泵停止。即“油泵启停”按钮按照规律“启动停止启动停止”循环往复。“解制动”按钮用于对支架搬运车进行解制动。上述两个动作完成后,即可对支架搬运车进行前进、后退方向控制,由功能键“前进”+“使能”以及“后退”+“使能”完成,且发出前进或后退语音声光报警。控制支架搬运车停止时,由功能键“停止”+“使能”完成。另外,通过功能键“前灯”或“后灯”可控制照明灯亮或灭。3控制策略设计3.1运行及驱动模式矿用铰接式车辆的运行模式分为转速、转矩两种模式,在转矩运行模式下又分为平地运行、爬坡运行两种状态;驱动模式分为四驱、前驱、后驱 3 种。运行模式采用手柄功能键“使能+前灯”顺序切换;驱动模式采用功能键“使能+后灯”顺序切换,见表 1.表 1矿用铰接式车辆运行以及驱动模式表运行模式驱动模式转速转矩平地爬坡四驱前驱后驱功能键“使能+前灯”顺序切换功能键“使能+后灯”顺序切换3.2变频控制PLC 控制器扩展两个 CAN 总线通信口,第一个CAN 口用于控制矿用铰接式车辆前部两个变频器;第二个 CAN 口用于控制矿用铰接式车辆后部两个变频器;变频器与电动机之间采用“一对一”控制模式6-8.PLC 控制器与变频器之间的部分 CAN 总线通信数据格式定义见表 2.根据文献9采用有限状态机原理对变频器的启动、停止进行控 制,即设计控 制、过 程 两 个 状 态41山 西 焦 煤 科 技2023 年第 7 期机。设定控制状态机的状态为“传输停止”“传输使能”以及“传 输 故 障”;设 定 过 程 状 态 机 的 状 态 为“空闲”“准备好”“选择”“运行使能”以及“急停”,并分别定义状态跳转顺序和条件。在初始状态时,PLC 控制发送“控制指令”给变频器后,解析变频器返回的“状态字”,根据解析结果,在两个状态机之间进行跳转,以控制变频器的启动、停止以及变频控制10-12.矿用铰接式车辆变频控制策略见图 3,对脚踏板信号进行模数转换以及软件滤波处理后作为控制系统的输入当量,根据编码器反馈速度、功率系数以及电压系数选择运行模式、驱动模式以及给定转矩值。表 2PLC 控制器与变频器部分 CAN 总线通信数据格式定义表方向字节12345678PLC变频器控制命令给定转速给定转矩模式方向变频器PLC状态字母线电压输出电流IGBT 温度变频器PLC编码器反馈速度最高转速限制故障代码图 3矿用铰接式车辆变频控制策略框图3.3转向控制矿用铰接式车辆安装有左、右两个油缸位移传感器,用于转向控制。定义矿用铰接式车辆右侧油缸行程为 RTravel,左侧油缸行程为 LTravel,上述单位均为mm.根据文献13分析可知,对铰接式车辆进行转向控制时,需计算车辆转向角.当 LRadius、RTravel实时值在测量误差范围内时,左侧油缸对应的角度 A的余弦公式可表示为式(1):CosA=L1 L1+L2 L2-RTravel RTravel2 L1 L2(1)式中:L1 为行程的角度 A 夹边 1 的长度,L2 为行程的角度 A 夹边 2 的长度。根据矿用铲车右侧油缸工况,实际测量 L1 为511 mm,L2 为 1 586 mm.利用反三角公式可分别求出右侧油缸对应的转向角 A.当 Amax时,右侧转向角 Rr=A-max2;当 A max时,左侧转向角 Rl=B-max2;当Bmax时,左侧转向角 Rl=max-B2,其中 max为转向角临界值,实际测量取值为 91.88;Rl为左侧油缸实际转向角。当 Rl与 Rr的差值在 2范围内时,认为该转向角数据正确,可作为矿用铰接式车辆电子差速的依据;否则,认为该转向角数据错误,需重新计算。3.4数据处理与监控矿用铰接式车辆控制系统需要实时、准确、周期性地采集传感器数据,包括系统压力、冲液压力、解制动压力、蓄能器压力、铲板压力、甲烷浓度以及铰接位置的左右油缸行程数据,以 Modbus RTU 总线通信模式发送给 PLC 控制器。512023 年第 7 期曹建文:矿用铰接式车辆四轮独立驱动控制方案设计矿用铰接式车辆驾驶室内安装有工业液晶显示屏,展示车辆运行状态核心数据,方便驾驶人员及时掌握车辆运行情况。PLC 控制器以 TCP/IP 通信模式将数据发送给工业液晶显示屏14,解析后进行数据显示。4试验与应用为验证设计并实现矿用铰接式车辆四轮独立驱动控制方案的正确性和适用性,在试验室环境下分别进行变频控制试验、转向试验以及数据处理与监控试验。4.1变频控制试验在厂内环形试车专区对矿用铰接式车辆进行变频控制试验。1)试验方法。a)分别以 5 km/h、10 km/h、20 km/h、30 km/h以及 40 km/h 恒速跑合试验。b)在 040 km/h 进行加速、减速跑合试验。c)分别进行 12、14爬坡试验。试验过程中,通过工业液晶显示屏查看车辆输出频率、运行速度、运行转矩、运行模式、驱动模式等关键参数。2)试验结果。a)跑合试验过程中车辆运行良好,可按照设定车速稳定运行。b)加减速过程中,输出频率与车速变化协调,可实现变频加减速控制。c)能够完成 12、14爬坡试验,车辆运行稳定,未出现溜车现象。4.2转向试验在厂内试车专区对矿用铰接式车辆进行转弯试验。1)试验方法。车速为 20 km/h 与 30 km/h,转向角度为 30,记录并分析车辆侧偏角精度。2)试验结果。转向角为 30时侧偏角曲线、横摆角速度控制曲线见图 4、5.a)车速为 20 km/h 时,车辆侧偏角控制精度较高;车速为 30 km/h 时,车辆侧偏角控制偏差略大,但处于-0.035 rad,0.035 rad允许范围内。b)转向稳定后,试验横摆角数据与仿真横摆角数据趋势相近,误差约 12%;试验横摆角数据不规则波动是由于试验过程中转向不匀速及试验路面不平造成的。图 4转向角为 30时侧偏角控制图图 5转向角为 30时横摆角速度控制图4.3数据处理与监控试验在厂内试车专区对矿用铰接式车辆进行变频控制试验、转向试验时,通过工业液晶显示屏对车辆运行状态、关键参数、故障信息等进行查看。如,操作手柄功能键“使能+前灯”,显示屏中的运行模式在“转速”“转矩平地”“转矩爬坡”间顺序切换;操作手柄功能键“使能+后灯”,显示屏中的驱动模式在“四驱”“前驱”“后驱”间顺序切换。车辆运行过程中,左右油缸长度、输出频率、侧偏角等关键数值实时且准确显示,见图 6.图 6监控平台实时画面5结论基于变频控制技术、CAN 总线(下转第 22 页)61山 西 焦 煤 科 技2023 年第 7 期动压 巷 道 顶 板 下 沉 量 降 低 35.4%、底 鼓 量 降 低43.1%、煤柱帮移近量降低 30.4%、实体煤帮移近量降低 40.3%.5结语1)通过现场调查,1206 动压巷道围岩变形破坏严重,顶板下沉量达 415 mm,底鼓量达 260 mm,煤柱帮移近量达 451 mm,实体煤帮移近量达 310 mm,动压巷道主要以顶板及煤柱帮变形破坏为主,需对动压巷道采取加强支护。2)通过数值模拟分析,当煤柱宽度为 10 m 时,弹性区面积大于 50%,支撑能力较强,能够有效隔绝采空区,巷道整体变形均在可控范围内。结合理论分析结果,确定合理煤柱宽度为 10 m,多回收 15 m 区段护巷煤柱,新增产值达 2 395 万元,经济效益显著。3)提出了动压巷道顶板采用锚杆+金属网+W钢带+锚索联合支护,两帮采用锚杆+金属网+钢筋梯子梁+煤柱帮锚索联合支护方法。通过现场实践,动压巷道顶板下沉量降低 35.4%、底鼓量降低 43.1%、煤柱帮移近 量降低 30.4%、实体煤帮移近 量 降 低40.3%,巷道稳定性控制效果良好。实践结果表明,研究提出的留设小煤柱与动压巷道加强支护方法在现场取得了良好的实践效果。参考文献1王琦,宋选民,王仲伦,等.特厚煤层区段煤柱合理宽度研究及巷道支护优化J.中国矿业,2021,30(12):112-120.2王立伟.雄山矿 15#煤层工作面煤柱留设宽度模拟分析J.江西煤炭科技,2023(1):61-63.3段龙.2-508 综采工作面区段小煤柱合理尺寸研究J.山东煤炭科技,2022,40(7):7-10.4冯艳杰.漳村矿采区动压巷道围岩稳定性分析及治理措施研究J.煤,2022,31(11):92-94.5王俊,张延刚.干河矿动压巷道围岩变形控制技术研究J.山东煤炭科技,2021,39(9):65-67.6郭学亮.台头矿 2#煤层动压巷道围岩应力分析及支护技术研究J.山东煤炭科技,2021,39(12):24-27.7朱伟,索志亮,王天一.厚硬顶板沿空窄煤柱合理宽度研究J.能源技术与管理,2023,48(1):8-10,24.(上接第 16 页)通讯技术实现了矿用铰接式车辆四轮独立驱动控制方案,完成矿用铰接式车辆的运行及驱动模式设计、变频控制方案设计、转向控制方案设计以及数据处理监控平台设计,提升了车辆控制系统的实时性和适用性。矿用铰接式车辆控制系统在厂内的试验结果证明了设计的四轮独立驱动控制方案的正确性和有效性,满足了车辆安全、高效、稳定运行的要求。参考文献1杨众,贾小平,于魁龙,等.铰接式车体应用及研究现状概述J.农业装备与车辆工程,2015,53(9):21-25.2白国星,罗维东,刘立,等.矿用铰接式车辆路径跟踪控制研究现状与进展J.工程科学学报,2021,43(2):193-204.3唐自强,龚贤武,赵轩,等.分布式驱动汽车自适应差速仿真研究J.合肥工业大学学报(自然科学版),2017,40(10):1320-1325.4杜佳霖,胡勇.煤矿用纯电动铰接车辆驱动控制系统研究J.煤炭工程,2022,54(2):177-180.5高琪,王春燕.四轮驱动汽车转向状态下的横向稳定性控制研究J.重庆理工大学学报(自然科学),2019,33(8):16-21,37.6李婷婷,杨世文,武仲斌.全轮驱动铰接车稳定转向控制策略研究J.煤矿机械,2021,42(10):66-69.7邵长江,杨坤,王杰,等.轮毂电机式三轴纯电动铰接客车扭矩优化分配控制策略研究J.机械科学与技术,2022,41(8):1261-1269.8张君.双桥独立驱动铰接车辆牵引力控制策略研究J.重庆理工大学学报(自然科学),2019,33(1):32-39.9布朋生.基于有限状态机的变频器启动控制原理分析与实现J.矿山机械,2018,46(12):50-53.10徐兴,陈特,陈龙,等.分布式驱动电动汽车转矩节能优化分配J.中国公路学报,2018,31(5):183-190.11李庆望,张缓缓,严帅.四轮独立驱动电动汽车单轮失效稳定性控制J.控制工程,2021(1):155-163.12熊会元,何山,查鸿山,等.双轴驱动纯电动汽车驱动转矩的分配控制策略 J.华南理工大学学报(自 然科学版),2018,46(11):117-124.13赵远.铰接式混凝土搅拌车搅拌机制和动力学特性研究D.太原:太原理工大学,2019.14鲁秀龙,程浩,赵建伟.矿用自卸车电传动系统组合试验技术研究J.矿山机械,2020,48(4):13-18.22山 西 焦 煤 科 技2023 年第 7 期