CN114104013A - 一种抑制矿用无人驾驶电机车车轮滑动的速度控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种抑制矿用无人驾驶电机车车轮滑动的速度控制方法，该方法在传统的永磁同步电机矢量控制基础上，将电机转速信号通过反馈项G_D(s)引入至转速控制环的输出中，叠加在原转矩电流指令上。通过设计反馈项G_D(s)，该方法可以等效在电机的运动方程中引入虚拟阻尼D_vi，进而降低负载突变对电机转速的影响，从而能抑制矿用电机车因粘着力变化造成的车轮打滑现象，达到电机车安全行驶目的，避免出现擦轮、擦轨等安全问题。同时，为避免所引入的虚拟阻尼D_vi影响给定转速响应速度，在基于零极点抵消方法设计转速控制器参数时，需要结合所构建的等效永磁同步电机运动方程。

Description

一种抑制矿用无人驾驶电机车车轮滑动的速度控制方法

技术领域

本发明属于矿山无人驾驶电机车控制技术领域，特别涉及了抑制矿用无人驾驶电机车车轮滑动的速度控制方法。

背景技术

电机车是煤矿辅助运输的重要运输设备，其中蓄电池电机车结构简单、操作方便、安全系数较高、噪声较小、运行稳定等优点被广泛应用于矿井的生产运输过程中。随着国家大力推进煤矿智能化发展，无人驾驶电机车在煤矿辅助运输设备中应用越来越广泛。电机车在运行过程中是通过车轮与钢轨之间的有效粘着区域来传递牵引力和制动力，因此轨面的粘着特性直接影响电机车的加速性能以及刹车性能。煤矿井下环境湿度大、粉尘多，轨面粘着力经常出现不足以维持电机车加速度以及由于外部环境变化造成轨面粘着力突然降低的情况，造成电机车车轮空转或电机车滑行现象，严重时导致电机车擦轮、擦轨甚至冲标等安全问题。

现有工程化应用的方法中，也有许多学者提出了一些防止有轨列车车轮空转的方法，如申请号为201910561030.2的专利公开的基于信号系统的列车防滑控制方法，是通过雨量传感器检测列车所处外部环境，从而改变列车的速度参考曲线，但是该方法要依赖外部加装的传感器来感知环境变化，在井下恶劣的环境中传感器的可靠性会大大降低，从而使该方法失效，申请号为202010884298.2的专利公开的列车防滑控制方法及装置是通过实时检测路况、车轮速度和列车实际速度，从而不断更改不同的防滑控制指令，该方法依赖传感器检测的路况、车轮速度和列车实际速度等信息，且计算繁琐，需不断更改速度执行指令，使得整个系统庞大而复杂，大大降低了使用的可靠性。

发明内容

为了解决由于粘着力随环境变化所造成的轮轨打滑现象，本发明提出了一种抑制矿用无人驾驶电机车车轮滑动的速度控制方法。

为了实现上述技术目的，本发明的技术方案为：

一种抑制矿用无人驾驶电机车车轮滑动的速度控制方法，包括以下步骤：

(1)在传统的永磁同步电机矢量控制基础上，将电机转速信号通过反馈项G_D(s)引入至转速控制环的输出中，叠加在原转矩电流指令上。将电机转速信号通过反馈项G_D(s)引入至转速控制环的输出中，叠加在原转矩电流指令上。

(2)结合所构建的等效永磁同步电机运动方程基于零极点抵消方法设计转速控制器参数，避免所引入的虚拟阻尼D_vi影响给定转速响应速度。

进一步地，在步骤(1)中，在传统的永磁同步电机矢量控制基础上，将电机转速信号通过反馈项G_D(s)引入至转速控制环的输出中，叠加在原转矩电流指令上。该方法可以等效看作是在电机的运动方程中引入虚拟阻尼D_vi，进而降低负载突变对电机转速的影响，从而能抑制井下电机车因轨道湿滑造成的轮轨打滑现象，达到电机车安全行驶目的，避免出现擦轮、擦轨等安全问题。其具体分析如下：

永磁同步电机在d-q参考坐标系中电压方程如下：

上式中，L_d、L_q为定子电感；u_d和u_q分别为定子电压在d轴和q轴的电压分量；i_d和i_q分别为定子电流在d轴和q轴的电流分量；R_s为定子电阻；ω_e为电角速度；ψ_f是永磁体产生的磁链；t表示时间；

将永磁同步电机d-q参考坐标系中电压方程的-ω_eL_qi_q项和ω_e(L_qi_q+Ψ_f)项通过前馈解耦进行补偿，从定子电压给定值的q轴分量u_qref到定子电流在q轴的电流分量i_q的传递函数可以简化为一阶惯性环节G_pq(s)，采用PI控制器作为电流环的控制器，将电流环PI控制器等效为一阶惯性环节G_cq(s)：

上式中，T_i为时间常数；s表示复频率。

在电机的运动方程中加入虚拟的阻尼转矩，得到本发明方法等效的电机运动方程：

上式中，J是转动惯量；ω_m是机械角速度；T_e为电机输出转矩；T_L是电机负载转矩；D_vi为虚拟阻尼系数；t表示时间。

根据方框图等效变换原理，将虚拟阻尼项等效前移，得到控制器中需加入的虚拟阻尼项：

加入虚拟阻尼后，定子电流在q轴的电流分量i_qref至转速ω_m的闭环传递函数：

上式中，P_n是电机极对数。

进一步地，在步骤(2)中，基于零极点抵消原理，设计速度环的PI控制器参数：

上式中，K_n为速度环的带宽；

速度环的闭环传递函数：

从T_L到输ω_m的闭环传递函数：

上式中，K₁＝(3K_nP_nψ_f)/2。

进一步地，为了避免虚拟阻尼方程中微分项的噪声放大效应，在虚拟阻尼中引入一阶低通滤波器，得到新的虚拟阻尼：

上式中，τ是滤波时间常数。

q轴电流给定值i_qref至ω_m的闭环传递函数：

采用上述技术方案带来的有益效果：

1、本发明在传统永磁同步电机矢量控制系统中引入虚拟阻尼思想，增加了控制系统的惯性，有效抑制无人驾驶电机车在井下潮湿环境中的轮轨打滑现象；

2、结合所构建的等效永磁同步电机运动方程，基于零极点抵消方法设计转速控制器参数，从而避免所引入的虚拟阻尼D_vi影响给定转速响应速度，提高系统的响应速度；

附图说明

图1为无人驾驶电机车轮轨间车轮受力简化示意图；

图2为井下干燥轨面与潮湿轨面粘着系数-蠕滑率曲线图；

图3为本发明的矿井电机车驱动系统总控制框图；

图4为本发明的矿井电机车i_d＝0控制的永磁同步电机矢量控制系统框图；

图5为本发明的加入虚拟阻尼的i_d＝0控制的永磁同步电机控制系统示意图；

图6为本发明的具有虚拟阻尼控制的速度环结构示意图；

图7为本发明控制方法与普通算法在轮轨打滑时对电机转速的抑制效果对比图。

附图中的部分符号说明：ω_ref—转速给定；ω_m—机械角速度；ω_e—电角速度；i_dref—d轴电流给定；i_qref—q轴电流给定；i_d—d轴实际；i_q—q轴实际电流；u_dref—d轴电压给定；u_qref—q轴电压给定；θ—转子角度；L_d、L_q—定子电感；R_s为定子电阻；D_vi—虚拟阻尼；T_e—电磁转矩；T_L—负载转矩；P_n—极对数；ψ_f—永磁体磁链；ψ_d—d轴磁链分量；ψ_q—q轴磁链分量；V_t—车辆的速度；F_d—运行基本阻力；T—牵引电机输出的力矩；R—轮径；mg—电机车的轴重；ω_w—车轮角速度；F_s—粘着力；M—车辆的质量；λ—粘着系数；V_s—滑动速度；μ—蠕滑率。

具体实施方式

以下将结合附图，对本发明的技术方案进行详细说明。

由图1受力简化示意图可知，车轮向前滚动时，牵引电机输出的转矩经齿轮箱作用到车轮上作为车轮的驱动力。将车轮作为研究对象，车轮与轨道接触产生的粘着力为车轮的负载力矩，由动力学原理可得：

F_s＝λ(V_s)·mg (2)

V_s＝ω_w·R-V_t (3)

将电机车整体作为研究对象，列车粘着力为电机车运行提供动力，列车阻力主要由部件之间、车轮与钢轨之间的摩擦力、空气阻力等组成。由牛顿第二定律可知：

矿用无人驾驶电机车在运行过程中，主要存在以下两种情况可能造成车轮打滑现象：1、突然提高牵引力如启动加速阶段，轨面当前粘着状态无法提供足够的牵引力。2、电机车保持牵引力不变的情况下，因为轨面湿滑造成的粘着状态下降，使得轨面能提供的粘着力减小。

在图2中，蠕滑率μ表示车轮与钢轨之间的滑动程度；粘着系数λ，表示机车动轮和钢轨接触点上的静摩擦系数，即相对速度趋于零时的滑动摩擦系数。蠕滑率在两种轨面情况下都存在一个最佳粘着系数λ(即粘着-蠕滑曲线的最高点)，当蠕滑率μ小于最佳蠕滑率，列车运行在粘着状态。在该区域中，随着列车牵引转矩的增加，滑动速度越来越大，并且粘着系数λ(V_s)也随着蠕滑率的增加而增加。列车的牵引转矩转换成为轮轨之间的粘着力的效率也越来越高。当牵引转矩继续增加，蠕滑率μ增加到最佳蠕滑率即曲线最高处时，粘着系数λ(V_s)达到了最高点，此时列车仍然运行在蠕滑状态，并且牵引转矩转换成轮轨之间的粘着力的效率达到最高点。但是当蠕滑率μ大于最佳蠕滑率时，列车逐渐进入滑行状态。此时随着牵引转矩的增加，滑动速度V_s仍然继续增加，但是粘着系数λ(V_s)却随着滑动速度的增加而减小，牵引转矩转换成轮轨粘着力的效率也越来越低，车轮与轨道之间的相对滑动越来越明显。当粘着系数λ(V_s)降低到一定程度时，列车出现空转现象，造成车轮踏面剧烈磨损，严重的话会造成牵引转矩传递中断、速度失控等危险，严重损害高速列车的运行安全。

由式(1)、(2)、(3)结合图1、图2可知：当电机车启动加速阶段产生打滑现象时，滑动速度突然上升，轨面粘着系数下降，导致粘着力F_s下降，等效的电机负载转矩T_l＝F_s·R下降，由电机运动方程可知，转速会突然上升，加剧打滑现象；当电机车行驶到湿滑轨面时，粘着力F_s突然下降，等效的电机负载转矩T_l下降，由电机运动方程可知，转速会突然上升，轮轨之间关系由粘着区转移到滑动区，造成轮轨打滑现象。本发明在传统矢量控制方法基础上引入虚拟阻尼控制策略，当粘着力F_s突然下降，本发明提出的控制方法可以等效看作是在电机运动方程中引入一个虚拟阻尼D_vi，使得转速变化缓慢，将轮轨之间关系保持在粘着区，从而维持粘着力F_s的稳定，有效抑制了轮轨打滑现象。

图3为矿用电机车驱动系统总示意图，主电路包括蓄电池、三相两电平电压源逆变器、永磁同步电机。蓄电池输出电压恒定的直流电，电压为U_dc，O为直流母线中点。

在永磁同步电机转速反馈通道中引入一个虚拟阻尼G_D(s)，即转速信号经由G_D(s)形成电流负反馈输出到电流内环中。在转速环前向传递函数中基于零极点抵消原理，设计转速环的PI参数，得到新的转速环控制器G_s(s)，即转速给定信号经由转速控制器G_s(s)形成电流给定输出到电流内环中。

在永磁同步电机转速反馈环节中引入的具有阻尼作用的传递函数G_D(s)，可以等效为在电机运动方程中引入了一个虚拟的阻尼转矩，减少转矩T_L突变对电机转速ω的影响，从而抑制矿用电机车因粘着力突减造成的车轮打滑现象。其具体分析如下：

图4为矿井电机车i_d＝0控制的永磁同步电机矢量控制系统框图，永磁同步电机d-q参考坐标系中电压方程表达式如下：

式(5)中，L_d、L_q为定子电感；u_d和u_d分别为定子电压在d轴和q轴的电压分量；i_d和i_q分别为定子电流在轴d和q轴的电流分量；R_s为定子电阻；ω_e为电角速度；ψ_f是永磁体产生的磁链；t表示时间；对于表贴式永磁同步电机有L_d＝L_q＝L。

永磁同步电机d-q参考坐标系中磁链方程表达式如下：

式(6)中，ψ_f是永磁体产生的磁链。d轴和q轴磁链分量的ψ_d和ψ_q。

电磁转矩方程表达式如下：

式(7)中，T_e为电机输出扭矩。P_n是电机极对数。

运动方程表达式如下：

式(8)中，J是转动惯量。ω_m是机械角速度。T_L是电机负载扭矩。D为阻力矩阻尼系数。在实际应用中，D小到可以忽略，即D≈0。

当i_d＝0的矢量控制策略中转矩方程可表示为：

图5为加入虚拟阻尼的i_d＝0控制的永磁同步电机控制系统示意图；图6为本发明的具有虚拟阻尼控制的速度环结构示意图；具体实施如下：

步骤1，在传统的永磁同步电机矢量控制基础上，将电机转速信号通过反馈项G_D(s)引入至转速控制环的输出中，叠加在原转矩电流指令上。将电机转速信号通过反馈项G_D(s)引入至转速控制环的输出中，叠加在原转矩电流指令上。

在传统的永磁同步电机矢量控制基础上，将电机转速信号通过反馈项G_D(s)引入至转速控制环的输出中，叠加在原转矩电流指令上。该方法可以等效看作是在电机的运动方程中引入虚拟阻尼D_vi，进而降低负载突变对电机转速的影响，从而能抑制井下电机车因轨道湿滑造成的轮轨打滑现象，尽可能避免电机车擦轮、擦轨甚至冲标等安全问题。其具体分析如下：

将永磁同步电机d-q参考坐标系中电压方程的-ω_eL_qi_q项和ω_e(L_qi_q+Ψ_f)项通过前馈解耦进行补偿，从定子电压给定值的q轴分量u_qref到定子电流在q轴的电流分量i_q的传递函数可以简化为一阶惯性环节G_pq(s)，。采用PI控制器作为电流环的控制器，则电流环PI控制器可以等效为一阶惯性环节G_cq(s)，式中时间常数T_i较小：

上式中，T_i为时间常数；s表示复频率。

在电机的运动方程中加入虚拟的阻尼转矩，得到本发明期望的电机运动方程：

上式中，J是转动惯量；ω_m是机械角速度；T_e为电机输出转矩；T_L是电机负载转矩；D_vi为虚拟阻尼系数。

根据方框图等效变换原理，将虚拟的阻尼转矩等效前移至电流环传递函数前，得到控制器中需加入的虚拟阻尼项：

加入虚拟阻尼后，定子电流在q轴的电流分量i_qref至转速ω_m的闭环传递函数：

上式中，P_n是电机极对数。

步骤2，基于零极点抵消方法设计转速控制器参数时，结合所构建的等效永磁同步电机运动方程，避免所引入的虚拟阻尼D_vi影响给定转速响应速度。

基于零极点抵消原理，设计转速环的PI控制器参数：

式(17)中，K_n为速度环的带宽；此时转速环的闭环传递函数可以表示为：

从负载转矩扰动T_L到输出速度ω_m的闭环传递函数可以表示为：

式中K₁＝(3K_nP_nψ_f)/2。

上式反映了速度环的抗干扰能力。当虚拟阻尼系数D_vi增加时，分母中关于s的多项式的常数项、一次项和二次项系数均增加，因此速度环对负载转矩扰动的抑制效果增强。

为了避免虚拟阻尼方程中微分项的噪声放大效应，在虚拟阻尼中引入一阶低通滤波器，得到的虚拟阻尼为：

式(20)中，τ是滤波时间常数。

q轴电流给定值i_qref至ω_m的闭环传递函数：

实际使用中，为充分发挥虚拟阻尼的作用，滤波时间常数τ往往取一个较小的值。

图7为本发明控制方法与普通算法(PI、PID)在轮轨打滑时对电机转速的抑制效果对比，可以明显看出本发明控制方法的抑制效果明显优于普通算法。

实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。

Claims (4)

1.一种抑制矿用无人驾驶电机车车轮滑动的速度控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)在传统的永磁同步电机矢量控制基础上，将电机转速信号通过反馈项G_D(s)引入至转速控制环的输出中，叠加在原转矩电流指令上；

(2)结合所构建的等效永磁同步电机运动方程基于零极点抵消方法设计转速控制器参数，避免所引入的虚拟阻尼D_vi影响给定转速响应速度。

2.根据权利要求1所述一种抑制矿用无人驾驶电机车车轮滑动的速度控制方法，其特征在于，在步骤(1)中，在传统的永磁同步电机矢量控制基础上，将电机转速信号通过反馈项G_D(s)引入至转速控制环的输出中，叠加在原转矩电流指令上：

永磁同步电机在d-q参考坐标系中电压方程如下：

上式中，L_d、L_q为定子电感；u_d和u_d分别为定子电压在d轴和q轴的电压分量；i_d和i_q分别为定子电流在轴d和q轴的电流分量；R_s为定子电阻；ω_e为电角速度；ψ_f是永磁体产生的磁链；t表示时间；

将永磁同步电机d-q参考坐标系中电压方程的-ω_eL_qi_q项和ω_e(L_qi_q+Ψ_f)项通过前馈解耦进行补偿，从定子电压给定值的q轴分量u_qref到定子电流在q轴的电流分量i_q的传递函数简化为一阶惯性环节G_pq(s)，采用PI控制器作为电流环的控制器，将电流环PI控制器等效为一阶惯性环节G_cq(s)：

上式中，T_i为时间常数；s表示复频率；

在电机的运动方程中加入虚拟的阻尼转矩，得到等效的电机运动方程：

上式中，J是转动惯量；ω_m是机械角转速；T_e为电机输出转矩；T_L是电机负载转矩；D_vi为虚拟阻尼系数；t表示时间；

根据方框图等效变换原理，将虚拟的阻尼转矩等效前移至电流环传递函数前，得到控制器中需加入的虚拟阻尼项：

加入虚拟阻尼后，定子电流给定在q轴的电流分量i_qref至转速ω_m的闭环传递函数：

上式中，P_n是电机极对数。

3.根据权利要求2所述一种抑制矿用无人驾驶电机车车轮滑动的速度控制方法，其特征在于，在步骤(2)中，结合所构建的等效永磁同步电机运动方程基于零极点抵消方法设计转速控制器参数，避免所引入的虚拟阻尼D_vi影响给定转速响应速度；

基于零极点抵消原理，设计转速环的PI控制器参数：

上式中，K_n为转速环的带宽；

转速环的闭环传递函数：

从T_L到输出ω_m闭环传递函数：

上式中，K₁＝(3K_nP_nψ_f)/2。

4.根据权利要求2所述一种抑制矿用无人驾驶电机车车轮滑动的速度控制方法，其特征在于，为了削弱虚拟阻尼方程中微分项带来的噪声放大效应，在虚拟阻尼控制中引入一阶低通滤波器，得到新的虚拟阻尼控制项：

定子电流给定值在q轴的分量i_qref至转速ω_m的闭环传递函数：

上式中，τ是滤波时间常数。

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