CN103595308B

CN103595308B - 基于制动能量回馈的电动轮矿用车电缓行制动控制方法

Info

Publication number: CN103595308B
Application number: CN201310571746.3A
Authority: CN
Inventors: 但春华; 陈公仆
Original assignee: Hubei Sanjiang Aerospace Hongfeng Control Co Ltd
Current assignee: Hubei Sanjiang Aerospace Hongfeng Control Co Ltd
Priority date: 2013-11-15
Filing date: 2013-11-15
Publication date: 2015-08-19
Anticipated expiration: 2033-11-15
Also published as: CN103595308A

Abstract

本发明公开了一种基于制动能量回馈的电动轮矿用车电缓行制动控制方法，包括采集电动轮矿用车制动前的车速、制动后的车速和自重；并采集电动轮矿用车的载重；根据制动前车速、制动后车速、自重和载重获得电动轮矿用车的动能的变化；采集电动轮矿用车与水平面之间的夹角，并根据上述参数获得摩擦阻力能量；根据电动轮矿用车的动能的变化、摩擦阻力能量获得电制动能量；再根据制动电阻阻值和减速时间获得制动平均电压；根据制动平均电压和母线电压获得控制信号，控制信号用于控制功率开关管导通或截止，从而确保制动过程平稳。本发明利用驱动控制板采集的速度、载重、水平倾角及减速时间等信息，对制动能量进行精确控制，提高器件使用寿命。

Description

基于制动能量回馈的电动轮矿用车电缓行制动控制方法

技术领域

本发明属于电动轮矿用车技术领域，更具体地，涉及一种基于制动能量回馈的电动轮矿用车电缓行制动控制方法。

背景技术

目前，世界上大吨位矿用车均采用电动轮控制方式，矿用车由发动机带动同轴发电机工作产生三相交流电，经整流、逆变后控制三项异步电机工作。矿用车缓行或制动时三相异步电动机处于再生发电状态，如果再生发电的能量大于自身损耗的能量，多余的再生能量就通过逆变器续流二极管进入直流母线侧，致使母线电压(U_DC)升高，如不对再生能量加以消耗，内部电力电子器件将因过压而损坏。目前电动汽车常用缓行制动方法是采取滞环比较法、再生制动法；再生制动法能将制动时产生的能量储存到蓄电池中，受蓄电池充电效率影响，技术不成熟，且需要大容量蓄电池，增加制造成本与空间。目前大型矿用车制动方式均采用能耗制动，制动时允许PWM输出驱动大功率IGBT，再生能量即通过制动电阻(R)转变成热量释放，母线电压(U_DC)也因此降低，常用的滞环比较方式靠监控母线电压来实现(将母线电压分成几个相互重叠的电压环，每个环均有各自的PWM输出占空比)，制动时IGBT开关频率随母线电压变化，可靠性及稳定性均较差。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于制动能量回馈的电动轮矿用车电缓行制动控制方法，其目的在于提高控制精度，由此解决现有技术中采用滞环比较法对电动轮矿用车电缓行制动进行控制，制动时开关频率随母线电压变化导致可靠性及稳定性差的技术问题。

本发明提供了一种基于制动能量回馈的电动轮矿用车电缓行制动控制方法，包括下述步骤：

S1：采集制动前电动轮矿用车的车速V₁、制动后所述电动轮矿用车的车速V₂和所述电动轮矿用车的自重m₁；并利用压力传感器采集所述电动轮矿用车的载重m₂；

S2：根据所述车速V₁、所述车速V₂、所述自重m₁和所述载重m₂获得所述电动轮矿用车的动能的变化

S3：利用位置敏感器件采集所述电动轮矿用车与水平面之间的夹角α，并根据所述夹角α、所述自重m₁、所述载重m₂、路面摩擦系数μ、制动前车速V₁、制动后车速V₂和减速时间t获得摩擦阻力能量

W_{f} = F \cdot S = (m_{1} + m_{2}) \cdot (μ \cdot \cos α - \sin α) \cdot \frac{(V_{1} + V_{2})}{2} \cdot t;

S4：根据所述电动轮矿用车的动能的变化ΔW、摩擦阻力能量W_f获得电制动能量W_e=W_f-ΔW；再根据已知的制动电阻阻值R和所述减速时间t获得制动平均电压

U = \sqrt{\frac{W_{e} \cdot R}{t}};

S5：根据所述制动平均电压和母线电压U_DC获得PWM控制信号，所述PWM控制信号用于控制功率开关管导通或截止，从而确保制动过程平稳。

更进一步地，所述减速时间t为10秒左右。

更进一步地，还包括下述步骤：

S6：实时采集母线电压U_DC；

S7：判断所述母线电压U_DC是否大于等于预设的正阈值电压，若是，增加所述PWM控制信号的占空比；返回至步骤S6；判断所述母线电压U_DC是否小于等于预设的负阈值电压，若是，减小所述PWM控制信号的占空比，返回至步骤S6。

更进一步地，所述正阈值电压大于等于1.3倍的母线电压U_DC，所述负阈值电压小于等于0.9倍的母线电压U_DC。

本发明利用驱动控制板采集的速度、载重、水平倾角及减速时间等信息精确控制制动能量，由于使用了减速时间t这个信息使得本发明能够获得摩擦阻力消耗能量W_f以及制动平均电压U；使得PWM控制信号的占空比为定值，实现制动过程的稳定性控制，提高了控制精度；从而提高器件使用寿命。

附图说明

图1是电动轮矿用车电缓行制动控制流程图；

图2是基于制动能量回馈的电动轮制动原理图；

图3是制动控制信号采集原理框图。

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：V1为制动前的车速；V2为制动后的车速；G为矿用车自重及载重；ΔW为制动前后矿用车动能变化量；α为车身与水平面间的夹角；F为矿车受到的法相力；μ为轮胎与路面间的摩擦系数或力臂；t为制动前后的减速时间；W_f为地面摩擦消耗的能量；We为电制动消耗的能量；R为制动电阻阻值；U为制动平均电压；U_N为额定工况时直流母线电压；U_DC为实时监测母线电压；U_max为设定母线电压；d为制动IGBT导通比；Δd为母线电压超过U_max时增加的制动IGBT导通比；N1、N2为大功率斩波IGBT；R1、R2为制动电阻；N3为直流风机用大功率斩波IGBT；M直流风机；R3为直流风机分压电阻；N11、N12、N13为逆变单元用半桥IGBT；～M为电动轮用异步电机。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

本发明为一种基于制动能量回馈的电动轮矿用车电缓行制动控制方法。利用摩擦消耗能量、电制动消耗能量等于矿用车动能变化的原理进行能量守恒设计；具体包括下述步骤：

(1)采集制动前电动轮矿用车的车速V₁、制动后所述电动轮矿用车的车速V₂和所述电动轮矿用车的自重m₁；并利用压力传感器采集所述电动轮矿用车的载重m2；

(2)根据公式

ΔW = \frac{1}{2} \cdot (m_{1} + m_{2}) \cdot ({V_{1}}^{2} - {V_{2}}^{2}) = \frac{1}{2} \cdot G \cdot ({V_{1}}^{2} - {V_{2}}^{2})

并结合所述车速V₁、车速V₂、自重m₁和载重m₂获得所述电动轮矿用车的动能的变化ΔW；

(3)利用位置敏感器件采集所述电动轮矿用车与水平面之间的夹角α，根据所述夹角α、所述自重m₁、所述载重m₂、路面摩擦系数μ、所述车速V₁、车速V₂和减速时间t并结合公式

W_{f} = F \cdot S = G \cdot (μ \cdot \cos α - \sin α) \cdot \frac{(V_{1} + V_{2})}{2} \cdot t = (m_{1} + m_{2}) \cdot (μ \cdot \cos α - \sin α) \cdot \frac{(V_{1} + V_{2})}{2} \cdot t

获得摩擦阻力能量W_f；

(4)根据所述电动轮矿用车的动能的变化ΔW、摩擦阻力能量W_f获得电制动能量W_e；再根据已知的制动电阻阻值R和所述减速时间t，并结合公式获得制动平均电压U；

(5)根据所述制动平均电压和母线电压U_DC获得PWM控制信号，所述控制信号用于控制功率开关管导通或截止，从而确保制动过程平稳。

(6)实时采集母线电压U_DC；

(7)判断所述母线电压U_DC是否大于等于预设的正阈值电压，若是，增加所述PWM控制信号的占空比；返回至步骤S6；判断所述母线电压U_DC是否小于等于预设的负阈值电压，若是，减小所述PWM控制信号的占空比，返回至步骤S6。其中，正阈值电压大于等于1.3倍的母线电压U_DC；负阈值电压小于等于0.9倍的母线电压U_DC。

通过实时监测母线电压值，当制动过程中母线电压超过限定值时，增大PWM信号占空比使母线电压降到限定值内，确保母线电压安全可控及设备运行安全。

本发明的目的是提出一种基于制动能量回馈的电动轮矿用车电缓行制动控制方法。由于矿用车车速较低，风的阻力对其影响很小，因此在本发明实施例中可以忽略了风的阻力消耗的能量；从而可以使得动能的变化ΔW可以采用公式ΔW=W_f+W_e……(1)获取。

利用电机控制器采集的制动前车速(V₁)、制动后车速(V₂)及矿用车自重(m₁)，载重(m₂)等参数，得到矿用车动能的变化(ΔW)。

ΔW = \frac{1}{2} \cdot (m_{1} + m_{2}) \cdot ({V_{1}}^{2} - {V_{2}}^{2}) = \frac{1}{2} \cdot G \cdot ({V_{1}}^{2} - {V_{2}}^{2}) . . . . . . (2)

利用位置敏感器件测量车身与水平面之间的夹角(α)，利用压力传感器测量矿用车载重，再分析车身受力(F)、路面摩擦系数μ情况及采集到的减速时间(t)，得到摩擦阻力消耗能量(W_f)；

W_{f} = F \cdot S = G \cdot (μ \cdot \cos α - \sin α) \cdot \frac{(V_{1} + V_{2})}{2} \cdot t . . . . . . (3)

根据矿用车动能、摩擦阻力能量得到的电制动消耗能量(W_e)，再根据已知的制动电阻阻值(R)，减速时间t，由V₁、V₂差根据经验确定，得到制动平均电压(U)。

减速时间t可以根据制动的时间长短获得，一般为十秒左右。本发明实施例中由于使用了减速时间t，使得本发明能够获得摩擦阻力消耗能量W_f以及制动平均电压U；使得PWM控制信号的占空比为定值，实现制动过程的稳定性控制，提高了控制精度。

最后根据制动平均电压与母线电压(U_DC)的比值确定PWM信号占空比(d)。

k为修正系数，由忽略的风阻及机械损耗造成。由PWM信号驱动IGBT大功率开关管导通，使制动电阻发热，消耗电动机产生的再生能量，确保制动过程的稳定性；同时，实时监测母线电压值，当制动过程中母线电压异常，且超过限定值(U_max)时，增大PWM信号占空比使母线电压降到限定值内，确保母线电压安全可控及设备运行安全。

本发明提出的电缓行制动控制方法充分利用驱动控制板采集的速度、载重、水平倾角及减速时间等信息，进行精确制动能量计算，该方法优点是能精确控制制动能量，实现最优控制，提高器件使用寿命。

当矿用车减速时，由于电机驱动器给定转速低于车轮实际转速，电动机将由电动状态转变成发电状态，使异步电机定子绕组产生三相感应电动势，并通过IGBT续流二极管回馈到直流母线，使母线电压上升。当电机驱动器采集到制动信号或丢油门踏板信号时，控制单元立即打开直流风机用于制动电阻风冷散热；同时，控制板采集到的信号根据公式1～5经DSP解算后，得出控制制动电阻导通用IGBT的占空比，IGBT按照导通比通断，使制动电阻发热而消耗异步电机产生的再生能量，制动电阻产生的热量通过风冷形式(由风机提供)快速将热量散发到空气中。

图2是基于制动能量回馈的电动轮制动原理图；DC+、DC-分别为直流母线正、负极。矿用车缓行或制动时三相异步电动机处于再生发电状态，如果再生发电的能量大于自身损耗的能量，多余的再生能量就通过逆变单元中的续流二极管(与IGBT封装在一起)进入直流母线侧，使母线电压升高。打开斩波IGBT(N1、N2，交替导通可提高制动电阻栅的寿命)，可以使三相异步电机产生的再生能量通过制动电阻栅(R3、R4)以热量的形式消耗；控制IGBT的通断时间，可以控制制动能量转化为电阻热能的速度及制动的强度。N3用于控制直流风机(M)的启、停；R5为分压电阻，其阻值可根据风机内阻、风机电压及直流母线电压大小确定；直流风机用于制动电阻风冷散热，其功率根据散热器所需流量大小确定。

图3是制动控制信号采集原理框图；其中控制板采集的压力传感器信号用于测量载重参数m2、采集的倾角传感器信号用于测量车身与水平面间的夹角α、采集的电压传感器信号用于测量母线电压U_DC、采集的旋转编码器信号用于测量车速V₁、采集的油门踏板信号用于测量制动后车速V₂、油门踏板确定发电机输出功率大小，因母线电压基本恒定，可根据油门大小确定电流大小，根据矢量控制方法将输出电流分成励磁分量与转矩分量，励磁分量保持不变，因而可确定定子转矩分量大小，进而可确定电磁转矩大小，再根据电磁转矩等于负载转矩及转矩、转速与功率的关系，可确定转速大小。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种基于制动能量回馈的电动轮矿用车电缓行制动控制方法，其特征在于，包括下述步骤：

ΔW = \frac{1}{2} \cdot (m_{1} + m_{2}) \cdot ({V_{1}}^{2} - {V_{2}}^{2});

W_{f} = (m_{1} + m_{2}) \cdot (μ \cdot \cos α - \sin α) \cdot \frac{(V_{1} + V_{2})}{2} \cdot t;

S4：根据所述电动轮矿用车的动能的变化△W、摩擦阻力能量W_f获得电制动能量W_e＝W_f-△W；再根据已知的制动电阻阻值R和所述减速时间t获得制动平均电压

U = \sqrt{\frac{W_{e} \cdot R}{t}};

2.如权利要求1所述的电动轮矿用车电缓行制动控制方法，其特征在于，所述减速时间t为10秒。

3.如权利要求1所述的电动轮矿用车电缓行制动控制方法，其特征在于，还包括下述步骤：

S6：实时采集母线电压U_DC；

4.如权利要求3所述的电动轮矿用车电缓行制动控制方法，其特征在于，所述正阈值电压大于等于1.3倍的母线电压U_DC，所述负阈值电压小于等于0.9倍的母线电压U_DC。