閉式泵控馬達系統反拖工況緩速制動系統設計

， (1.北京航天發射技術研究所， 北京 100076; .北京航空航天大學 自動化科學與電氣工程學院， 北京 100191)

引言

閉式泵控馬達靜液驅動系統廣泛應用于平板車、隧道管片車等重型搬運設備的驅動行走系統中，它具有良好的動力性能和控制性能，且能夠實現無級調速，一直是重型工程車輛所采用的主要驅動方式[1,2]。隧道管片運輸車是在盾構掘進施工后，專用于向隧道內運送管片的工程車輛，在平路與爬坡工況下，它的驅動形式與平板運輸車的工作模式相同，均采用發動機帶動行走泵，通過泵控馬達進行調速控制[3-6]。但它不同之處在于需要面對具有一定下坡坡度的長距離隧道工況，下坡時如果不加以控制，在重力的作用下，車輛將不斷加速， 傳統的制動方式是在每個馬達上都配有行車制動和駐車制動機構用以剎車來維持車速。但在長距離下坡時依靠不斷的長時間進行剎車制動的方式來控制車速必將造成剎車片過熱，易導致剎車失靈，出現事故；因此，為確保車輛下坡時仍能具有調速功能且勻速行駛，需要采用一種不操作剎車制動而進行輔助制動的方法。目前的研究成果中，有液力輔助制動[7]、電渦流輔助制動、發動機制動等[8]，液力輔助制動是重型載貨車以及中大型客車采用非常廣泛的一種輔助制動方式。這些制動方式，受安裝結構和安全性因素的影響有些不適于應用在隧道管片車的驅動系統中，如液力輔助制動、電渦流制動等；而采用發動機制動雖然其可以提供一定的制動力[9,10]，但其制動力有限，且存在制動力不能加以控制等缺陷。因此，結合閉式靜液驅動系統的特性，本研究設計了一種液壓緩速制動系統來平衡下坡時車輛重力分量對馬達施加的扭矩，使車輛在下坡工況下，其驅動輪上的馬達處于轉矩平衡狀態，進而實現車輛勻速行駛的目的。同時通過調節緩速制動力可以在下坡狀態下對車輛進行調速，實現穩速控制。通過搭建最小系統實驗臺，并進行調速控制驗證了所設計的緩速制動系統的有效性和適用性。所設計的緩速制動裝置應用于隧道管片運輸車中，能極大地提高車輛下坡時的安全性與穩定性。

1 隧道管片車緩速制動系統原理

當車輛行駛于平路或爬坡工況時，閉式液壓系統的能量來自于發動機，經分動箱、行走泵、馬達、減速機后最終傳遞至車輪。在下坡工況下，通常發動機處于怠速狀態，發動機輸出的功率只需能滿足懸掛液壓系統、轉向液壓系統及發電機等的工作即可，車輛下坡行駛的能量來自于重力勢能，通過車輪經馬達、行走泵、分動箱最終傳遞至發動機。這種情況稱為反拖工況，這是閉式液壓行走系統的特點。此時，馬達工作于泵工況下，行走泵工作于馬達工況下，閉式系統液壓回路關系簡圖如圖1所示。

圖1 閉式液壓系統回路

當車輛工作于平地或上坡工況時，設定流量QL方向如圖1中箭頭所示為正方向，泵進油口壓力pB小于排油口壓力pA；當工作于下坡工況時，車輪受車輛下坡時的下滑力作用，成為驅動元件驅動馬達轉動，此時馬達工作于泵工況，泵工作于馬達工況，此時系統流量的方向仍為正向，但泵進油口壓力大于排油口壓力，二者關系關系式如式(1)所示：

(1)

因此，在下坡情況下，行走泵必然會反拖發動機，使發動機成為耗能部件，但發動機所能提供的阻力矩有限，不能滿足重載車輛的緩速制動要求，此時若不用馬達上帶的剎車系統進行制動，則可以設計一套電液緩速制動系統嵌入到原來的閉式液壓行走系統中，如圖2所示。其工作原理是：將行走泵與緩速泵同軸串聯在一起(采用通軸串聯的形式)，在下坡工況下，行走泵工作于馬達工況，此時它將帶動位于同一根軸上的緩速泵轉動，緩速制動系統是開式系統，在緩速泵后接入1個電液比例溢流閥，通過調節比例溢流閥的壓力，當驅動緩速泵所需要的轉矩與行走泵輸出的轉矩相同時，即使得整個車輛的下滑力與緩速液壓系統提供的阻力相同，從而達到力平衡。當需要調整馬達速度時，由于在固定坡度下下滑力對馬達產生的扭矩是基本恒定的，可以通過改變緩速系統的壓力從而改變系統的阻力使力平衡關系發生變化，也就是使系統具有一定的加速度，通過調整作用在馬達上的加速度就可以實現對馬達的調速控制。

圖2 帶有液壓緩速制動系統的閉式液壓系統回路

這種液壓制動方式使重力勢能通過液壓系統轉化液壓油的熱能，必然導致液壓系統的油溫快速升高，油溫的迅速上升會嚴重影響液壓元件的工作性能，降低車輛的安全性。因此還需要設計一套散熱裝置，使緩速系統液壓油進入油箱之前，先通過散熱器散熱，使系統達到熱平衡，緩速系統上需要配置風冷散熱器。對于散熱風扇的選取，需根據所需要的散熱功率，同時考慮到過大散熱器會占用較多的車體空間，所以需要考慮選取合適大小的散熱器。

2 液壓緩速制動控制系統設計

液壓緩速制動控制系統的目標是在車輛處于下坡工況狀態時，通過調節緩速系統的電液比例溢流閥，來改變緩速系統的壓力，該壓力由于緩速泵和行走泵的通軸串聯連接方式從而通過扭矩傳遞給行走泵，因為下坡時馬達工作于泵工況，泵工作于馬達工況，緩速泵產生的扭矩實際上成為閉式液壓系統的負載，當馬達勻速轉動時，該負載是一個恒定值，即緩速系統的壓力是恒定的；當馬達需要改變速度時，可以相應的調節負載的大小，改變施加于馬達軸上的轉矩平衡關系，產生加速度或減速度使馬達加速或減速；車輛在下坡時的速度調節仍采用調節驅動泵排量的容積調速方式，在到達期望車速后的穩速控制則通過實時調節緩速系統壓力實現對車輛的持續制動和驅動輪馬達的穩速控制。研究持續制動方式與穩速控制策略可以在發動機與行走泵脫開的情況下考察持續穩速控制的效果。

基于此原理，根據隧道管片運輸車的靜液驅動系統結構，構建液壓緩速制動最小實驗系統。在模擬下坡工況時，采用電動機對馬達進行加載，使電動機工作在轉矩控制模式，電動機輸出一個恒定的轉矩TG來反拖馬達，這里考慮車輪上受到恒定的滾動摩擦阻力矩是恒定的。緩速控制系統結構如圖3所示。

圖3 緩速控制實驗系統結構圖

單個行走液壓馬達轉矩平衡方程為：

(2)

式中，Jm為馬達和負載的總轉動慣量；Bm為黏性阻尼系數；ωm為馬達的轉速；TG為外負載轉矩；Dm為馬達排量。

在坡度一定的工況下，車輛所受下滑力是車體的重力沿坡道方向的分量，在所有車輪均為驅動輪時，可以認為總下滑力均分到每個驅動輪上，且每個驅動輪上受到的滾動摩擦阻力Fr是相同的，因此，下滑力對馬達產生的下滑轉矩可由公式(3)表示：

(3)

(4)

式中，N為驅動輪的數目；Fr為摩擦阻力；r為車輪半徑；m為車體的總質量；θ為坡道的傾斜角度；μ為地面滾動阻力系數。

由于行走泵和緩速泵串聯在同一驅動軸上，兩個泵的轉速是相同的，可以共用ωp表示，因此行走泵和緩速泵的轉矩平衡方程可以表示為：

(5)

式中，pb為緩速制動系統壓力；Jpb=Jp+Jb，Jp和Jb分別為行走泵和緩速泵的轉動慣量；Bpb=Bp+Bb，Bp和Bb分別為行走泵和緩速泵的黏性阻尼系數；Dp和Db分別為行走泵和緩速泵的排量。

對于閉式泵控馬達驅動系統，在反拖工況下系統的流量平衡方程可以表示為：

(6)

式中，Ct為泄漏系數；Vt為一個腔室的容積；βe為有效體積彈性模量。

由公式(2)、(5)、(6)，可以得到：

(7)

a2=(BpbVtJm+JpbVtBm)/βe+JpbCtJm

對于比例溢流閥，在不考慮閥本身所存在的滯環等因素時，其輸出壓力pb與驅動電流I成正比，對應的比例放大器將輸入的控制電壓u轉化為驅動電流I，因此有：

pb=KrI=KrKau

(8)

式中，Kr、Ka為溢流閥與比例放大器的增益系數。

由以上公式，馬達的速度函數可表示為：

(9)

反拖工況下緩速控制系統傳遞函數控制圖如圖4所示，Ks為速度傳感器的增益系數。

圖4 液壓緩速制動控制系統圖

為了使電機反拖馬達時馬達能夠勻速運行，需要調節緩速壓力，使反拖力矩與緩速液壓系統作用到行走馬達軸上的阻力矩相同，即通過控制作用在馬達軸上的加速度a來控制調節車速。由動力學知識可知，當a=0時，車輛進入勻速前進狀態；當a<0時，車輛進入減速狀態；當a>0時，車輛進入加速狀態。因此對比例溢流閥的調節是一個反向過程，即提高速度時需要將溢流閥的調節壓力減小，反之則需要增大。

控制時為了防止速度變化過快，在控制輸出時進行一定的限制，防止加速度的值過大。對速度的控制是通過改變加速度來改變馬達轉速，在馬達轉速達到期望值時加速度回歸為零，因此只要存在加速度，馬達的速度就會變化，加速度是衡量速度變化快慢的，所以過大的加速度會造成速度突變，情況嚴重時會導致管片車上搬運的管片因慣性出現掉落事故，這對于搬運管片的運輸車輛是不允許的，所以速度的變化要平穩，不能出現大幅度波動。

3 緩速制動控制系統實驗臺設計

緩速制動系統實驗臺分為液壓行走系統，液壓緩速系統，加載系統，電控系統以及計算機監控系統，液壓行走系統由閉式泵控馬達組成；緩速系統由定量泵、電液比例溢流閥等組成；加載系統由交流變頻電機、變頻器、減速機、聯軸器組成，電機工作于恒轉矩工作狀態，目的是給馬達提供一個反拖力矩，模擬出車輛在下坡時由重力產生的下滑力對馬達形成的扭矩；電控部分由PLC控制器、比例放大器、傳感器等組成，采集系統的壓力、速度、溫度信號等，并對泵、馬達、比例溢流閥等進行控制；上位機監控整個系統，并采集整個實驗過程的測試數據，實現遠程操控。

在下坡時，通常發動機處于某一低速狀態下，其提供的功率僅維持發電機發電為車輛其他系統供電并且驅動轉向及懸掛系統即可。當車輛到達期望車速后的通過實時調節緩速系統壓力實現對車輛在下坡工況下的持續制動和對驅動輪馬達進行穩速調速控制，下坡時路面的不平整等因素也會造成車速產生變化，因此對馬達的穩速控制非常重要。在下坡工況時可將發動機與泵脫開，考察單獨利用所設計的液壓緩速系統對馬達進行穩速控制的性能。

液壓緩速制動實驗系統如圖5所示。液壓緩速制動系統由閉式泵控馬達液壓系統、液壓緩速系統、散熱系統組成；這里將閉式系統的行走泵和補油泵統一由圖中符號1表示，在緩速液壓系統的比例溢流閥前和閉式泵的A、B出口上各安裝一個壓力傳感器，以實時監測系統的壓力情況，這樣，只要通過判斷A、B口壓差的正負值情況就可以判定系統工作在泵控馬達工況還是馬達反拖泵工況。電控系統以PLC為控制核心，通過工業以太網(Profinet)與上位機通訊，上位機以WinCC為平臺開發監控程序，實現實驗過程中對系統各部分狀態的監控。

1.行走泵+補油泵 2.緩速泵 3.沖洗閥 4.馬達 5.速度傳感器 6.比例放大器 7.壓力傳感器 8.電液比例溢流閥 9.溫度傳感器 10.軸向柱塞泵 11.電磁換向閥 12.風冷散熱器

4 仿真與實驗結果與分析

根據第2節中的馬達、泵的轉矩平衡方程，建立系統的數學模型進行仿真，然后在所搭建的液壓緩速控制系統實驗臺上進行實際控制實驗，驗證所設計的液壓緩速系統的有效性和控制策略的有效性。實驗的主要目的是檢測電液緩速系統穩速控制的有效性。通常情況下，泵排量比較小時，液壓系統效率較低，當泵排量比超過50%時，液壓系統效率較高，實驗和仿真中均采用行走泵的排量開啟比在60%的情況下進行。

4.1 速度控制系統仿真

根據第2節所建立的緩速系統數學模型，在MATLAB/Simulink下進行下坡時的速度閉環仿真，設定行走泵排量為全排量的60%，將馬達排量調至全排，設定馬達的期望轉速為29.84 r/min；選取系統中參數為Jm=6.299 kg·m2，Bm=0.52 N·m·s·rad-1，Db=130 mL/r，Dp=0～125 mL/r，Dm=1259 mL/r。

給系統施加一個階躍轉速信號，設定仿真時間120 s，經仿真，馬達的速度響應曲線如圖6所示。

圖6 在MATLAB/Simulink下的馬達速度響應曲線

從圖4中可以看出，馬達速度到達穩態值的時間為20.5 s，進入穩定狀態后，穩態誤差為0.2%，通過調節緩速系統壓力，能夠達到穩定調節馬達速度的目標，調速系統運行平穩。

4.2 緩速控制系統實驗

根據液壓緩速系統原理，搭建了緩速液壓控制系統實驗平臺，此平臺可兼顧實現車輛的下坡、平路、上坡的實驗，所搭建的液壓緩速控制系統實驗臺如圖7所示，為了實現液壓緩速控制，選取行走泵與緩速泵能夠通軸串聯安裝的方式，這種選取方式能夠使轉矩在同軸上直接被緩速系統平衡，且便于在車輛上安裝，如圖8所示。

變量泵采用A4VG125EP閉式變量泵，排量為0～125 mL/r可調；馬達為FMS1V-2輪邊馬達，該馬達具有全排量和半排量兩種排量模式，全排量為1259 mL/r，半排量為629.5 mL/r； 比例溢流閥采用ERVD-10型螺紋插裝式電比例溢流閥，壓力范圍0～350 bar；電動機采用30 kW的6級交流電機，其額定轉速為980 r/min；變頻器為G7系列45 kW變頻器；控制部分采用S7-1200PLC系列控制器，并配有模擬量輸入輸出模塊，對比例變量泵和比例溢流閥的驅動采用RT-MSPD1型電液比例驅動器。

1.發動機 2.電動機+減速機+聯軸器+馬達 3.電控柜(系統) 4.比例溢流閥 5.風冷散熱器 6.油箱

1.緩速泵 2.行走泵 3.壓力傳感器 4.比例溢流閥

實驗時，將變頻器工作模式設定為無PG(編碼器)的矢量2控制模式，使電機按輸入的信號輸出對應的轉矩量大小。

同樣設定馬達的目標轉速為29.84 r/min，設定電動機工作于恒轉矩控制模式，輸出轉矩經電動機和減速機環節后作用于馬達上為2457 N·m，取PID參數為Kp=2.5，Ki=0.15，Kd=0；馬達設定為全排量，行走泵排量為其最大排量的60%進行實驗。截取從實驗開始時的20 min的實驗測試數據繪制曲線，馬達轉速曲線如圖9所示，可以看到，在進行了輸出控制量的限幅之后，馬達的速度啟動較為平穩，并能保持勻速運行，穩態誤差在±4%之內，能夠滿足車輛行駛時對勻速行駛的要求。

實驗測得經比例溢流閥控制調節后，緩速液壓系統油路上的壓力如圖10所示，緩速系統壓力逐漸趨于穩定。但隨著實驗時間變長， 壓力會有一定的漂移上升，分析原因，壓力的漂移上升與機械效率和油溫的升高有關， 元件的溫度升高使機械元件之間的摩擦力降低，使馬達內部各元件在轉動時的摩擦阻力矩變??；油溫升高使液壓油變稀，黏度降低，這使得油液雷諾數Re變大，造成液壓油在管道內的沿程阻力系數λ下降，使得來自油液的阻力也變小； 因此緩速液壓系統需要提高壓力來補償摩擦阻力和油液在管道內流動阻力的減少，維持轉矩平衡使馬達保持勻速運行狀態。因此在車輛在下坡時進入緩速制動工作狀態時，散熱風扇要及時開啟，確保對液壓系統進行充足的散熱，在設計時要根據實際液壓系統的狀況選擇散熱功率能滿足要求的散熱器。

圖9 馬達速度曲線

圖10 行走系統壓差和緩速系統壓力輸出曲線

在實驗時，通過壓力傳感器測量行走泵的A、B口的壓力值，然后計算出泵A、B口壓差Δp，得到作用于行走馬達上的行走系統的壓力，可以看出在進行反拖工況，即模擬下坡狀態時，行走系統壓差為負值，說明此時馬達工作于泵工況，泵工作于馬達工況。在馬達進入勻速運轉狀態，行走系統的壓差穩定在-12～-12.45 MPa 之間。

圖11是經實驗系統中安裝在比例溢流閥后的溫度傳感器測得的液壓油溫度，可以看出，在實驗過程中液壓系統油溫是上升的，由于通過散熱器進行散熱，溫升逐漸趨緩，只要散熱器的功率足夠，最終會達到熱平衡，確保系統能夠穩定長時間運轉。

圖11 實驗中液壓油溫度變化曲線

5 結論

(1) 采用定量泵串接電液比例溢流閥的液壓系統設計形式可以實現在馬達反拖情況下對閉式液壓系統的緩速制動，這種性能可以用于隧道管片車在長距離下坡時不踩剎車而進行緩速制動，避免了長時間踩剎車造成剎車片過熱帶來的安全隱患。該方法所需元件機構較少，易于在車輛上配置實現。

(2) 通過仿真分析和實驗驗證，證明通過控制所設計的緩速液壓控制系統來實現馬達速度的穩速控制是有效的、可行的，進一步可以應用在隧道管片運輸車上進行下坡時車輛的緩速控制，實現車輛在勻速狀態下進行下坡行駛。

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