CN110877532A - 一种智能矿用电机车 - Google Patents

Abstract

本发明公开了矿用电机车技术领域的一种智能矿用电机车，包括电气设备和机械部分，电气设备包括牵引电动机、电机控制器、整车控制器和操控面板，电机控制器一对一控制牵引电动机，整车控制器接收驾驶员操作输入，整车控制器的信号输出端与电机控制器的信号输入端电性连接；本发明通过整车控制器接收驾驶员操作输入，通过驱动力矩控制算法模型，输出期望驱动力指令至两个电机控制器，然后由控制器实现对电机的控制，采用盘式永磁同步电机驱动系统以及整车智能控制技术，提高了驱动系统效率，增加了整车智能化控制策略，具备了节能高效、安全可靠、操作简便、无极调速、启动平滑等突出优点，提高了矿用电机车技术含量。

Description

一种智能矿用电机车

技术领域

本发明涉及矿用电机车技术领域，具体涉及一种智能矿用电机车。

背景技术

目前，在煤矿辅助运输设备中，矿用电机车应用较为广泛。防爆特殊型蓄电池电机车控制系统先后经历了电阻调速、斩波调速、交流变频调速、直流变频调速阶段，直流斩波调速系统占据电机车控制系统市场80％左右份额。随着永磁电机技术和电机控制技术发展，基于永磁同步电机的直流变频调速技术将逐步占领电机车动力系统市场，成为技术发展的主流。

电阻调速电机车，电机为直流电机，控制为电阻调速。易过流过压烧损司控器的接触器触头，所采用的电机是直流有刷电机，需经常更换电机碳刷和换向器。常规制动为机械制动，需经常更换闸瓦，因此每年维修及损耗材料费用大。且由于运输线路长、坡度大，工人的劳动强度大，安全性差。

斩波调速电机车，电机为直流电机，控制为斩波调速，采用的是模糊控制技术，不是数字控制调速，不能精确调速；所采用的电机仍是直流有刷电机，需经常更换电机碳刷和换向器。常规制动仍为机械制动，也需经常更换闸瓦。

三相交流异步电机变频调速电机车，电机为三相交流异步电机，控制为变频调速。机械特性较软，启动力矩小，容易发冲，启动调速不稳定，采用普通变频器进行改造成变频调速器，主要控制技术不是自身研发的，不能根据不同矿山工况进行性能参数调整和修改原代码，维修及调整困难。基于此，本发明设计了一种智能矿用电机车，以解决上述问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种智能矿用电机车，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种智能矿用电机车，包括电气设备和机械部分，所述电气设备包括牵引电动机、电机控制器、整车控制器和操控面板，所述电机控制器一对一控制牵引电动机，所述整车控制器接收驾驶员操作输入，所述整车控制器的信号输出端与电机控制器的信号输入端电性连接，所述操控面板用于驾驶员操作输入，所述整车控制器的信号输出端分别电性连接有传感器、液晶屏、档位、调速器、信号灯和喇叭；

所述机械部分包括车架、车轮、驾驶室、电池箱、调速器、撒沙装置、制动装置、齿轮传动装置、盘式永磁同步电机、弹簧托架、座椅和连接缓冲装置；

所述车架的底部通过转轴设有四组车轮，所述车架的顶部左侧设有驾驶室，所述车架的顶部右侧通过车厢设有电池箱，所述车架的左侧头部和右侧尾部中央均设有连接缓冲装置，所述驾驶室的室内驾驶操作台右侧固定设有座椅，所述驾驶室的另一侧设有调速器，所述驾驶室的室内右侧中央设有制动装置，所述制动装置的顶部与调速器的右侧连接，所述驾驶室的右侧与车厢的连接处之间设有撒沙装置，所述车架的表面右侧与车厢的连接处之间分别螺接有两组弹簧托架，两组所述弹簧托架的左侧内腔中央均螺接有盘式永磁同步电机，两组所述盘式永磁同步电机的左侧动力输出端均设有齿轮传动装置，所述齿轮传动装置通过连接板与车架螺接。

优选的，所述牵引电动机为盘式永磁同步电机。

优选的，所述整车控制器自主化的软件控制系统，集成完善的整车控制策略，所述整车控制策略包括驱动控制策略、能量管理策略、安全控制策略、失效控制策略和故障诊断策略，所述驱动控制策略，分别设计了参数设定和算法模型，所述参数设定通过整车控制器配套的上位机进行设定，所述整车控制器通过串口通信与上位机连接，上位机运行在电脑上。

优选的，所述算法模型计算流程如下：

第一步，采集油门信号并计算得出期望输出力矩；

第二步，根据转速与电池电压，计算出当前电机力矩输出限制；

第三步，若发动机制动开启，根据转速计算出发动机制动力矩；

第四步，采集刹车信号，根据转速计算出制动力矩；

第五步，模型实际力矩输出为油门力矩减去发动机制动，减去刹车制动力矩，并不超过电机力矩输出限制。

优选的，所述能量管理策略是整车控制器对电机车能量的优化控制，包括工况控制、能量限制和节能模式。

优选的，所述安全控制策略包括对电气系统高压电安全进行控制，实时检测和诊断高压电系统漏电、过压、过温、继电器连接状态或保险丝通断的工作状态，及时调整对高压电的控制，确保高压电路运行可靠，安全控制策略还包含特殊应用场景，配合必要的瓦斯断电仪保护装置，及时发现隐患，避免安全事故。

优选的，所述失效控制策略包括针对整车故障的处理，所述整车控制器提供锁止状态，当系统出现任何一种影响到安全驾驶的故障时，系统自动进入到该状态，系统自动锁止，停止驱动力输出，轻微可控故障则系统进入降功率模式，严防轻微故障进一步加重，同时对故障的恢复进行控制，严格合理地控制锁止状态的退出。

优选的，所述故障诊断策略结合组合仪表进行故障的显示与告警，直观直接，第一时间告知用户整车系统关键信息，主要包括总电压、总电流、车速、转速、温度、报警状态和通断状态，提供基于串行通信的上位机标定系统，方便系统详细安全检测，提供整车状态读取和参数设定。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明通过整车控制器接收驾驶员操作输入，通过驱动力矩控制算法模型，输出期望驱动力指令至两个电机控制器，然后由控制器实现对电机的控制，采用盘式永磁同步电机驱动系统以及整车智能控制技术，提高了驱动系统效率，增加了整车智能化控制策略，具备了节能高效、安全可靠、操作简便、无极调速、启动平滑等突出优点，提高了矿用电机车技术含量。

(1)，全速度段均匀无级调速，配备整车控制器VCU进行运行控制，适应各种工况；均匀无级调速，机械冲击小，降低机械磨损；维护工作量大大降低。

(2)，操作简便，安全可靠，电制动、制停响应迅速、制动力矩大、刹车距离短；支持扭矩控制方式与调速控制方式。

(3)，启动平稳，采用速度与电流双闭环控制；电机车零速牵引力大，启动平稳；比同吨位电阻调速机车牵引力大20％，比同吨位交流变频电机车牵引力大10％。

(4)，高效节能，比同吨位电阻调速电机车节电50％；比同吨位交流变频调速电机车节电10％，续航里程大大提高。

本发明将大大提高工矿电机车的运输能力，节约运输成本，提高使用企业运输技术水平，减少安全事故的发生；同时大大提高制造企业和使用企业的经济效益，为国家创造良好的社会效益

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明系统结构示意图。

图2为本发明电机车主视图。

图3为本发明电机车机械结构示意图图。

图4为本发明驱动控制参数设定示意图。

图5为本发明驱动力矩控制算法模型图。

附图中，各标号所代表的部件列表如下：

1-车架，2-车轮，3-驾驶室，4-电池箱，5-调速器，6-撒沙装置，7-制动装置，8-齿轮传动装置，9-盘式永磁同步电机，10-弹簧托架，11-座椅，12-连接缓冲装置。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1-5，本发明提供一种技术方案：一种智能矿用电机车，包括电气设备和机械部分，机械部分包括车架1、车轮2、驾驶室3、电池箱4、调速器5、撒沙装置6、制动装置7、齿轮传动装置8、盘式永磁同步电机9、弹簧托架10、座椅11和连接缓冲装置12，车架1的底部通过转轴设有四组车轮2，车架1的顶部左侧设有驾驶室3，车架1的顶部右侧通过车厢设有电池箱4，车架1的左侧头部和右侧尾部中央均设有连接缓冲装置12，驾驶室3的室内驾驶操作台右侧固定设有座椅11，驾驶室3的另一侧设有调速器5，驾驶室3的室内右侧中央设有制动装置7，制动装置7的顶部与调速器5的右侧连接，驾驶室3的右侧与车厢的连接处之间设有撒沙装置6，车架1的表面右侧与车厢的连接处之间分别螺接有两组弹簧托架10，两组弹簧托架10的左侧内腔中央均螺接有盘式永磁同步电机9，两组盘式永磁同步电机9的左侧动力输出端均设有齿轮传动装置8，齿轮传动装置8通过连接板与车架1螺接，车架1的前后两侧分别设有照明灯；

电气设备包括牵引电动机、电机控制器、整车控制器和操控面板，电机控制器一对一控制牵引电动机，整车控制器接收驾驶员操作输入，整车控制器的信号输出端与电机控制器的信号输入端电性连接，操控面板用于驾驶员操作输入，牵引电动机为盘式永磁同步电机9，整体控制器上电性连接有传感器、液晶屏、档位、调速器、信号灯和喇叭等，传感器和整车控制器之间电性连接有高低压控制，分别输入高压电源和低压电源。

蓄电池电机车型号种类较多，不同型号电机车采用的电控系统也不尽相同。就CTY系列电机车电气技术方案来说，单头蓄电池电机车，采用一个整车控制器，两个电机控制器，两个盘式永磁同步电机的技术方案，电机控制器一对一控制电机。首先由整车控制器接收驾驶员操作输入，通过驱动力矩控制算法模型，输出期望驱动力指令至两个电机控制器，然后由控制器实现对电机的控制。

永磁同步电机具有体积小，转速高，转动惯量小，功率密度大等特点，对于一些转速要求高的场合可以省去机械减速装置，减小系统振动和噪声，提高系统的动态性能和传动效率，有利于实现节能减排。

盘式永磁同步电机9在永磁同步电机的基础上，具有以下特点：

(1).节能高效，运行成本低，永磁同步电机，转子损耗接近零电机效率提高，功率因数高，节省电力且节能显著。

(2).低速大扭矩，电机在低速时输出大扭矩，运行平稳，适合直驱连接，提高机械效率，节省设备投入，减少机械振动，延长设备与电机使用寿命。

(3).维护成本低，采用密封免维护轴承，基本实现免维修。

(4)结构合理，低噪声，电机结构设计合理，体积小，噪声低，应用范围广。

盘式永磁同步电机9的这些特点使得其特别适合电机车应用。

目前，在永磁同步伺服控制系统中，主要有两种控制策略，即直接转矩控制和矢量控制。本发明技术方案中采用的电机控制器基于电机的矢量控制技术来进行盘式永磁同步电机的控制。

永磁同步电机矢量控制技术中，励磁磁场与电机的电枢磁场正交，可以分开直轴电流和交轴电流分别控制。在PMSM中，通入的是三相交流电，三相绕组之间电流产生的磁场与转子磁场之间存在耦合，其电流并不是直接作用于电磁转矩的控制，为了能像控制直流电机那样来控制交流电机，并获得和直流电机媲美的控制性能，就需要对电流进行解耦。在控制过程中，若选择由定子电流产生的磁场与永磁体励磁产生的磁场正交，独立地控制定子电流的幅值，则称为永磁同步电机的磁场定向控制，也可称作矢量控制策略，即SVPWM控制。

采用的整车控制器是本发明智能矿用电机车的核心，自主化的软件控制系统，集成完善的整车控制策略，整车控制策略包括驱动控制策略、能量管理策略、安全控制策略、失效控制策略和故障诊断策略，

驱动控制策略，分别设计了参数设定和算法模型，祥见图4和图5，参数设定通过整车控制器配套的上位机进行设定，整车控制器通过串口通信与上位机连接，上位机运行在电脑上，图4中驱动控制参数的设定通过上位机图形化界面可实现对参数对应寄存器的读取、修改与保存，实现参数设定的目的。

算法模型主要是整车控制器通过采集驾驶员的输入(档位信号、启动信号、油门刹车信号等)，结合当前驱动系统状态，综合计算得出驾驶员意图的力矩输出，算法模型为驱动力矩控制算法模型，算法模型计算流程如下：

第一步，采集油门信号并计算得出期望输出力矩；

第二步，根据转速与电池电压，计算出当前电机力矩输出限制；

第三步，若发动机制动开启，根据转速计算出发动机制动力矩；

第四步，采集刹车信号，根据转速计算出制动力矩；

第五步，模型实际力矩输出为油门力矩减去发动机制动，减去刹车制动力矩，并不超过电机力矩输出限制。

能量管理策略，是整车控制器对电机车能量的优化控制，主要包括以下几点：

工况控制，在没有电池能量限值的条件下，在所有规定工况下，提供最优的动力系统的加速性能；在触发能量限值时，动力平滑过渡，提供最优的驾驶感受；

能量限制，根据电池SOC，在不同电池SOC状态下允许的最大的驱动力不同；基于电池电压状况，限制最大的放电电流，保证电池不会过放而断电，限制最大的回馈电流，防止大电流回馈损伤用电器，提高整车用电安全，延长电池寿命；

节能模式，电量不足时，自动进入节能模式(阈值可配)；限制附件的能量提供。

安全控制策略主要对电气系统高压电安全进行控制，实时检测和诊断高压电系统的工作状态(漏电、过压、过温、继电器连接状态、保险丝通断等)及时调整对高压电的控制，确保高压电路运行可靠；另外安全控制还包含特殊应用场景，配合必要的保护装置(瓦斯断电仪等)，及时发现隐患，避免安全事故。

失效控制策略主要针对整车故障的处理，整车控制器提供锁止状态，当系统出现任何一种影响到安全驾驶的故障时，系统自动进入到该状态，比如电池过温、欠压、功率器件过压过流、弱电信号异常、电源模块电压异常等，系统自动锁止，停止驱动力输出；轻微可控故障则系统进入降功率模式，严防轻微故障进一步加重；同时对故障的恢复进行控制，严格合理地控制锁止状态的退出。

故障诊断策略主要针对整车故障的处理，整车控制器提供锁止状态，当系统出现任何一种影响到安全驾驶的故障时，系统自动进入到该状态，比如电池过温、欠压、功率器件过压过流、弱电信号异常、电源模块电压异常等，系统自动锁止，停止驱动力输出；轻微可控故障则系统进入降功率模式，严防轻微故障进一步加重；同时对故障的恢复进行控制，严格合理地控制锁止状态的退出。

本发明的控制方式是通过整车控制器来自动控制，整车控制器的控制电路通过本领域的技术人员简单编程即可实现，所以本发明不再详细解释控制方式和电路连接。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。

Claims (8)

1.一种智能矿用电机车，包括电气设备和机械部分，其特征在于：所述电气设备包括牵引电动机、电机控制器、整车控制器和操控面板，所述电机控制器一对一控制牵引电动机，所述整车控制器接收驾驶员操作输入，所述整车控制器的信号输出端与电机控制器的信号输入端电性连接，所述操控面板用于驾驶员操作输入，所述整车控制器的信号输出端分别电性连接有传感器、液晶屏、档位、调速器、信号灯和喇叭；

所述机械部分包括车架(1)、车轮(2)、驾驶室(3)、电池箱(4)、调速器(5)、撒沙装置(6)、制动装置(7)、齿轮传动装置(8)、盘式永磁同步电机(9)、弹簧托架(10)、座椅(11)和连接缓冲装置(12)；

所述车架(1)的底部通过转轴设有四组车轮(2)，所述车架(1)的顶部左侧设有驾驶室(3)，所述车架(1)的顶部右侧通过车厢设有电池箱(4)，所述车架(1)的左侧头部和右侧尾部中央均设有连接缓冲装置(12)，所述驾驶室(3)的室内驾驶操作台右侧固定设有座椅(11)，所述驾驶室(3)的另一侧设有调速器(5)，所述驾驶室(3)的室内右侧中央设有制动装置(7)，所述制动装置(7)的顶部与调速器(5)的右侧连接，所述驾驶室(3)的右侧与车厢的连接处之间设有撒沙装置(6)，所述车架(1)的表面右侧与车厢的连接处之间分别螺接有两组弹簧托架(10)，两组所述弹簧托架(10)的左侧内腔中央均螺接有盘式永磁同步电机(9)，两组所述盘式永磁同步电机(9)的左侧动力输出端均设有齿轮传动装置(8)，所述齿轮传动装置(8)通过连接板与车架(1)螺接。

2.根据权利要求1所述的一种智能矿用电机车，其特征在于：所述牵引电动机为盘式永磁同步电机(9)。

3.根据权利要求1所述的一种智能矿用电机车，其特征在于，所述整车控制器通过自主化的软件控制系统集成完善的整车控制策略，所述整车控制策略包括驱动控制策略、能量管理策略、安全控制策略、失效控制策略和故障诊断策略，所述驱动控制策略分别设计了参数设定和算法模型，所述参数设定通过整车控制器配套的上位机进行设定，所述整车控制器通过串口通信与上位机连接，上位机运行在电脑上。

4.根据权利要求3所述的一种智能矿用电机车，其特征在于：所述算法模型计算流程如下：

第一步，采集油门信号并计算得出期望输出力矩；

第二步，根据转速与电池电压，计算出当前电机力矩输出限制；

第三步，若发动机制动开启，根据转速计算出发动机制动力矩；

第四步，采集刹车信号，根据转速计算出制动力矩；

第五步，模型实际力矩输出为油门力矩减去发动机制动，减去刹车制动力矩，并不超过电机力矩输出限制。

5.根据权利要求3所述的一种智能矿用电机车，其特征在于：所述能量管理策略是整车控制器对电机车能量的优化控制，包括工况控制、能量限制和节能模式。

6.根据权利要求3所述的一种智能矿用电机车，其特征在于：所述安全控制策略包括对电气系统高压电安全进行控制，实时检测和诊断高压电系统漏电、过压、过温、继电器连接状态或保险丝通断的工作状态，及时调整对高压电的控制，确保高压电路运行可靠，安全控制策略还包含特殊应用场景，配合必要的瓦斯断电仪保护装置，及时发现隐患，避免安全事故。

7.根据权利要求3所述的一种智能矿用电机车，其特征在于：所述失效控制策略包括针对整车故障的处理，所述整车控制器提供锁止状态，当系统出现任何一种影响到安全驾驶的故障时，系统自动进入到该状态，系统自动锁止，停止驱动力输出，轻微可控故障则系统进入降功率模式，严防轻微故障进一步加重，同时对故障的恢复进行控制，严格合理地控制锁止状态的退出。

8.根据权利要求3所述的一种智能矿用电机车，其特征在于：所述故障诊断策略结合组合仪表进行故障的显示与告警，直观直接，第一时间告知用户整车系统关键信息，主要包括总电压、总电流、车速、转速、温度、报警状态和通断状态，提供基于串行通信的上位机标定系统，方便系统详细安全检测，提供整车状态读取和参数设定。

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