CN111319649B - 基于控制器的主动径向转向架及其主动转向控制方法 - Google Patents

基于控制器的主动径向转向架及其主动转向控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于控制器的主动径向转向架及其主动转向控制方法，包括主动径向转向架、驱动电路、位移传感器和控制器；主动径向转向架包括主构架、副构架和径向驱动机构，主构架与副构架铰接，径向驱动机构的两端分别与主构架的前转臂和后转臂连接；位移传感器安装在主构架上，位移传感器、脉冲编码器与控制器相连，控制器通过驱动电路与径向驱动机构的电机连接。能够改善主动径向转向架主动转向控制效果，提高铁路车辆运行稳定性与曲线通过性，且控制平稳，转向控制精度高，不易受外界干扰，从而实现精准地主动转向，有效降低轮对磨耗，延长轮对使用寿命。

Description

基于控制器的主动径向转向架及其主动转向控制方法
技术领域
本发明涉及车辆转向架技术领域，具体涉及一种基于控制器的主动径向转向架及其主动转向控制方法。
背景技术
转向架是铁路车辆的关键组成部分，其动力学性能是影响铁路车辆运行稳定性与曲线通过性的重要因素。当前，铁路车辆的转向架主要采用“被动转向”模式，在该情况下轮轨间的蠕滑力过大，从而导致轮轨产生过多磨耗。为此开发了能够有效地解决车辆运行稳定性与曲线通过性之间矛盾的径向转向架，其在保证车辆运行稳定性的前提下，降低轮轨间的蠕滑力，减少轮轨磨耗。径向转向架的基本转向原理是将车体和构架(或者转向架和轮对)之间在曲线轨道上的相对角位移转换为转向力，并通过连杆机构传递给轮对。然而当前的径向转向架在铁路车辆上应用仍极其稀少，其1原因一是在于基于连杆机构的径向转向装置易变形，维修成本高，更重要的原因在于其控制难度大，实施困难。因此，若能提供一种可明显提高主动径向转向架主动转向控制精度和实时性，同时兼顾铁路车辆运行稳定性与曲线通过性的主动转向控制方法，将具有非常重要的意义。
发明内容
本发明要解决的技术问题是，针对现有技术存在的上述缺陷，提供了一种基于控制器的主动径向转向架及其主动转向控制方法，能够改善主动径向转向架主动转向控制效果，提高铁路车辆运行稳定性与曲线通过性，且控制平稳，转向控制精度高，不易受外界干扰，从而实现精准地主动转向，有效降低轮对磨耗，延长轮对使用寿命。
本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案是：
一种基于控制器的主动径向转向架，包括主动径向转向架、驱动电路、位移传感器和控制器；
主动径向转向架包括主构架、副构架和径向驱动机构，主构架与副构架铰接，径向驱动机构的两端分别与主构架的前转臂和后转臂连接；
位移传感器安装在主构架上，位移传感器与控制器相连，控制器通过驱动电路与径向驱动机构的电机连接。
按照上述技术方案，径向驱动机构包括电机和作动器，电机的输出端与作动器连接，电机上设有脉冲编码器，脉冲编码器与控制器连接。
按照上述技术方案，作动器为行星滚柱丝杆机构，电机与行星滚柱丝杆机构之间连接有齿轮箱；电机通过齿轮箱减速后与行星滚柱丝杆机构连接。
按照上述技术方案，径向驱动机构包括电机、齿轮箱和滚柱丝杠机构；电机通过齿轮箱减速后与行星滚柱丝杆机构连接。
按照上述技术方案，驱动电路与控制器之间连接有单片机，单片机与电机之间连接有伺服驱动器，脉冲编码器通过单片机与控制器连接。
按照上述技术方案，位移传感器为激光位移传感器。
按照上述技术方案，控制器与位移传感器之间连接有数据采集卡。
按照上述技术方案，径向驱动机构中的电机、齿轮箱和滚柱丝杠机构依次集成安装，电机的输出端通过齿轮箱与滚柱丝杠连接，电机的外端和滚柱丝杠的外端均设有吊耳，两个吊耳分别与主构架的前转臂和后转臂连接。
按照上述技术方案，电机为伺服电机。
按照上述技术方案，齿轮箱为减速齿轮箱。
按照上述技术方案，控制器连接有显示屏。
按照上述技术方案，控制器为MPC控制器。
一种采用以上所述的基于控制器的主动径向转向架的主动控制方法，控制器通过单片机与驱动电路连接，单片机与电机之间连接有伺服驱动器，电机上设有脉冲编码器，脉冲编码器与单片机连接，径向驱动机构包括电机、齿轮箱和滚柱丝杠机构；电机通过齿轮箱减速后与行星滚柱丝杆机构连接；
所述的主动控制方法包括以下步骤：
1)以时刻k作为当前起始时刻，控制器通过位移传感器采集作动器伸缩的位移测量值X；
2)控制器结合当前的位移测量值X与预测数学模型，预测未来一段时域的预测时域内[k，k+Np]，控制器控制作动器伸缩的输出位移Xp；
3)控制器根据预测时域内的输出位移Xp，进行最优化求解，得到在控制时域
Figure BDA0002423979470000021
内系统的控制量Xc；
4)控制器将控制时域内输出的第一个控制电信号作为此时的实际控制量，并作为控制电机转速的控制量输出至单片机；
5)单片机通过脉冲编码器测量电机的转速，并将测量电机转速反馈值信号反馈输入至控制器；
6)控制器根据电机转速反馈值和控制转速输出控制量输入至单片机实现对电机转速的精确控制；
7)单片机接收到控制器的控制信号后，根据接收的信号输出PWM信号经由驱动电路控制电机运转；
8)电机旋转通过径向驱动机构带动主构架的前、后转臂绕分度圆转盘旋转，以实现主动径向转向架主动转向；
9)当时间来到下一时刻k+1时，重复上述1～8的过程，如此就滚动完成一个个带约束的优化问题，如此循环就构成了完整的MPC控制过程，从而实现主动径向转向架主动转向的实时、持续与精确控制。
本发明具有以下有益效果：
1、本发明提供一种基于控制器的主动径向转向架的主动转向控制方法，同现有技术相比，设计合理，结构新颖、简单实用，主动转向控制精度高。通过激光位移传感器实现主动径向转向架径向机构位移的实时监测，从而保证了控制的实时性，采用控制器，实时滚动优化校正控制系统，使得整个控制系统精确性与鲁棒性更强，通过脉冲编码器实时反馈电机转速，也能提高主动径向转向架主动转向的平稳性。驾驶员可以通过显示屏能够观测到主动径向转向架的主动转向过程，让驾驶员在操作的同时游刃有余。
2、本发明主动径向转向架的主动转向控制效果提高铁路车辆运行稳定性与曲线通过性，且控制平稳，转向控制精度高，不易受外界干扰，从而实现精准地主动转向，有效降低轮对磨耗，延长轮对使用寿命，值得推广应用。
附图说明
图1是本发明实施例中基于控制器的主动径向转向架的原理图；
图2是本发明实施例中基于控制器的主动径向转向架的结构框图；
图3是本发明实施例中控制器控制流程图；
图4是本发明实施例中基于控制器的主动径向转向架的结构示意图；
图5是图4的局部K视图；
图中，1-副构架，2-轮对，3-前转臂，4-销轴，5-径向驱动机构，6-激光位移传感器，7-后转臂，8-主构架，9-脉冲编码器，10-电机，11-齿轮箱，12-行星滚柱丝杠。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行详细说明。
参照图1～图5所示，本发明提供的一个实施例中的基于控制器的主动径向转向架，包括主动径向转向架、驱动电路、位移传感器和控制器；
主动径向转向架包括主构架8、副构架1和径向驱动机构5，主构架8与副构架1铰接组成转向架体，径向驱动机构5的两端分别与主构架8的前转臂3和后转臂7连接；
位移传感器安装在主构架8上，电机10上设有脉冲编码器9，位移传感器、脉冲编码器9与控制器相连，控制器通过驱动电路与径向驱动机构5的电机10连接。
进一步地，主动径向转向架还包括轮对2和悬挂装置，轮对2通过悬挂装置与副构架1连接。
进一步地，径向驱动机构5包括电机10、齿轮箱11和滚柱丝杠机构；电机10通过齿轮箱11减速后与行星滚柱丝杆机构连接；
进一步地，驱动电路与控制器之间连接有单片机，单片机与电机10之间连接有伺服驱动器，脉冲编码器9通过单片机与控制器连接。
进一步地，位移传感器为激光位移传感器6。
进一步地，控制器与位移传感器之间连接有数据采集卡。
进一步地，主构架8包括前转臂3和后转臂7，前转臂3通过分度圆转盘与后转臂7铰接，前转臂3和后转臂7均为U型。
进一步地，主构架8由转臂总成通过销轴4铰接构成，转臂之间通过销轴4与副构架1铰接，转臂的个数为两个，分别为前转臂3和后转臂7，前转臂3和后转臂7均为U型。
进一步地，主、副构架1铰接组成转向架体，通过一系悬挂装置与轮对2相连，径向驱动机构5安装在主构架8上，控制器得到激光位移传感器6采集的实时位移信息经过运算将控制信号传给单片机，单片机通过伺服驱动器使径向驱动机构5带动主构架8转臂总成转动，使主动径向转向架适应列车车速和前方轨道进行转向。
进一步地，径向驱动机构5的个数为两个，分为左右两边，其两端分别安装在前、后转臂7的同一侧上。
进一步地，径向驱动机构5中的电机10、齿轮箱11和滚柱丝杠机构依次集成安装，电机10的输出端通过齿轮箱11与滚柱丝杠连接，电机10的外端和滚柱丝杠的外端均设有吊耳，两个吊耳分别与主构架8的前转臂3和后转臂7连接。
进一步地，径向驱动机构5包括由两端的安装吊耳和中间的集成式滚柱丝杠机构组成，其中集成式滚柱丝杠机构主要由电机10、齿轮箱11和滚柱丝杠机构组成。两端的吊耳分别固装在主构架8的前、后转臂7上，电机10的输出端与齿轮箱11输入端连接，齿轮箱11输出端与行星滚柱丝杠12一端啮合，行星滚柱丝杆的另一端与吊耳连接固定，径向驱动机构5整体安装在主构架8上。
进一步地，滚柱丝杠为行星滚柱丝杠12。
进一步地，行星滚柱丝杠12包括丝杠、螺母、滚柱、行星架和内齿圈组成，且该行星滚柱丝杠12在主螺纹丝杠的周围行星均布了8个螺纹滚柱丝杠，其工作形式为电机10驱动螺母旋转，螺母带动丝杠做直线运动。
进一步地，电机10为伺服电机10，齿轮箱11为减速齿轮箱11。
进一步地，驱动电路采用30A单路H桥驱动电路，电机10为无刷直流伺服电机10，脉冲编码器9为增量式脉冲编码器9。
进一步地，单片机采用STM32F4单片机。
进一步地，激光位移传感器6安装在主构架8上靠近安装径向驱动机构5的地方，用于测量径向驱动机构5的位移量，数据采集卡采用NI板卡。
进一步地，控制器连接有显示屏。
进一步地，控制器为MPC控制器。
一种采用以上所述的基于控制器的主动径向转向架的主动控制方法，控制器通过单片机与驱动电路连接，单片机与伺服驱动器连接，伺服电机10上设有脉冲编码器9，脉冲编码器9与单片机连接，
所述的主动控制方法包括以下步骤：
1)以时刻k作为当前起始时刻，控制器通过位移传感器采集行星滚柱丝杆的位移测量值X；
2)控制器结合当前的位移测量值X与预测模型，预测系统未来一段时域内[k，k+Np](也称为预测时域)系统的行星滚柱丝杠12的输出位移Xp；
3)控制器根据预测时域内系统的输出位移Xp，结合预测模型、目标函数和约束条件进行最优化求解，得到在控制时域
Figure BDA0002423979470000051
内系统的控制量Xc；
4)控制器将控制时域内系统的输出的第一个控制信号作为此时的实际控制量，并作为控制电机10转速的控制量输出至单片机；
5)单片机通过脉冲编码器9测量电机10的转速，并将测量电机10转速反馈值信号反馈输入至控制器；
6)控制器根据电机10转速反馈值和控制转速输出控制量输入至单片机实现对电机10转速的精确控制；
7)单片机接收到控制器的控制信号后，根据接收的信号输出PWM信号经由驱动电路控制电机10运转；
8)电机10旋转通过径向驱动机构5带动主构架8的前、后转臂7绕分度圆转盘旋转，以实现主动径向转向架主动转向；
9)当时间来到下一时刻k+1时，重复上述1～8的过程，如此就滚动完成一个个带约束的优化问题，如此循环就构成了完整的MPC控制过程，从而实现主动径向转向架主动转向的实时、持续与精确控制。
本发明的工作原理：
电机10通过齿轮箱11减速后带动行星滚柱丝杠12作直线运动，从而带动主构架8前、后转臂7绕销轴4主动转向，实现转向架主动转向功能同时具有保证列车横向稳定性能的功能，便于实现在不同曲率半径轨道下的自适应主动转向，大大提高了列车曲线通过性能，所述的主动径向转向架在传统转向架的基础上加入主动径向转向机构，除了具有传统转向架的运行稳定性能以外，还能实现列车的主动转向控制，提高曲线通过性能，降低轮对2的磨耗。本发明应用于铁路车辆可以极大改善曲线通过行能和降低轮对2磨耗。
综上所述，本发明公开了一种基于控制器的主动径向转向架及其主动转向控制方法，包括主动径向转向架、驱动电路、位移传感器和控制器。控制器通过驱动电路与电机10连接，电机10上设有脉冲编码器9，用以反馈电机10的转速信号；主动径向转向架包括主构架8、副构架1、轮对2、一系与二系悬挂装置、径向驱动机构5，主、副构架1铰接构成转向架体，通过一系悬挂装置与轮对2相连，径向驱动机构5的两端分别安装在主构架8前、后转臂7上，径向驱动机构5包括电机10、齿轮箱11和滚柱丝杠机构；电机10通过齿轮箱11减速后与行星滚柱丝杆机构连接；位移传感器安装在主构架8上，位移传感器、脉冲编码器9与控制器相连。控制器通过驱动电路控制电机10，电机10通过齿轮箱11减速后带动行星滚柱丝杆机构作伸缩运动，从而带动主构架8前后转臂7绕销轴4以一定角度旋转，最终实现轮对2转动，与此同时位移传感器与脉冲编码器9将实时反馈信号给控制器，构成反馈回路实现实时控制。采用控制器能够极大提高转向的精度，且控制平稳，不易受外界干扰，从而实现精准地主动转向，有效降低轮对2磨耗，延长轮对2使用寿命。
以上的仅为本发明的较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明申请专利范围所作的等效变化，仍属本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种采用基于控制器的主动径向转向架的主动控制方法，其特征在于，基于控制器的主动径向转向架包括主动径向转向架、驱动电路、位移传感器和控制器；
主动径向转向架包括主构架、副构架和径向驱动机构，主构架与副构架铰接，径向驱动机构的两端分别与主构架的前转臂和后转臂连接；位移传感器安装在主构架上，位移传感器与控制器相连，控制器通过驱动电路与径向驱动机构的电机连接；
控制器通过单片机与驱动电路连接，单片机与电机之间连接有伺服驱动器，电机上设有脉冲编码器，脉冲编码器与单片机连接，径向驱动机构包括电机和作动器，电机的输出端与作动器连接；
所述的主动控制方法包括以下步骤：
1)以时刻k作为当前起始时刻，控制器通过位移传感器采集作动器伸缩的位移测量值X；
2)控制器结合当前的位移测量值X与预测数学模型，预测未来一段时域的预测时域内[k，k+Np]，控制器控制作动器伸缩的输出位移Xp；
3)控制器根据预测时域内输出位移Xp，进行最优化求解，得到在控制时域
Figure FDA0002809383730000011
内系统的控制量Xc；
4)控制器将控制时域内输出的第一个控制电信号作为此时的实际控制量，并作为控制电机转速的控制量输出至单片机；
5)单片机通过脉冲编码器测量电机的转速，并将测量电机转速反馈值信号反馈输入至控制器；
6)控制器根据电机转速反馈值和控制转速输出控制量输入至单片机实现对电机转速的精确控制；
7)单片机接收到控制器的控制信号后，根据接收的信号输出PWM信号经由驱动电路控制电机运转；
8)电机旋转通过径向驱动机构带动主构架的前、后转臂绕分度圆转盘旋转，以实现主动径向转向架主动转向；
9)当时间来到下一时刻k+1时，重复上述1～8的过程，如此就滚动完成一个个带约束的优化问题，如此循环就构成了完整的MPC控制过程，从而实现主动径向转向架主动转向的实时、持续与精确控制。
2.根据权利要求1所述的主动控制方法，其特征在于，径向驱动机构包括电机和作动器，电机的输出端与作动器连接，电机上设有脉冲编码器，脉冲编码器与控制器连接。
3.根据权利要求2所述的主动控制方法，其特征在于，作动器为行星滚柱丝杠机构，电机与行星滚柱丝杠机构之间连接有齿轮箱；电机通过齿轮箱减速后与行星滚柱丝杠机构连接。
4.根据权利要求1所述的主动控制方法，其特征在于，脉冲编码器通过单片机与控制器连接。
5.根据权利要求1所述的主动控制方法，其特征在于，位移传感器为激光位移传感器。
6.根据权利要求1所述的主动控制方法，其特征在于，控制器与位移传感器之间连接有数据采集卡。
7.根据权利要求3所述的主动控制方法，其特征在于，径向驱动机构中的电机、齿轮箱和滚柱丝杠机构依次集成安装，电机的输出端通过齿轮箱与滚柱丝杠连接，电机的外端和滚柱丝杠的外端均设有吊耳，两个吊耳分别与主构架的前转臂和后转臂连接。
8.根据权利要求1所述的主动控制方法，其特征在于，电机为伺服电机；齿轮箱为减速齿轮箱；控制器连接有显示屏。
9.根据权利要求1所述的主动控制方法，其特征在于，控制器为MPC控制器。
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