鐵路公路兩用牽引車電子差速器設計研究

韓曉峰

(西安鐵路職業技術學院, 陜西西安 710014)

1 引言

傳統的公鐵兩用牽引車大多由汽車改裝而來，其中的差速器都是機械結構的差速器，工作時噪音大、維修難及所連帶的其它結構占有空間大。基于上述原因，研發結構簡單、操作靈活的電子式差速器成為必然的選擇。本文所設計的電子差速器替代傳統機械式差速器，徹底改變公鐵兩用牽引車傳統的驅動方式，在車輪的輪轂內安裝電動機，電機的轉子為外轉子形式，輸出轉矩直接傳輸到驅動車輪上，取代了傳統的離合器、減速器、傳動橋和差速器等機械傳動部件，使車輛具有靈活的行駛特性。

2 電子差速器系統的結構設計

2.1 鐵兩用車的轉向方案

為了說明轉向方案，特規定該公鐵兩用牽引車4個車輪編號，左前為1號輪,左后為3號輪,右前為2號輪,右后為4號輪。公鐵兩用牽引車的轉向有兩種方案：

(1)四輪獨立轉向方案 車輛在轉彎時，要求牽引車在行駛過程中能夠根據行駛狀況自動調節四個車輪的轉速和轉角，這就是所謂的四輪轉向。轉向特點：獨立轉向、轉向靈活、控制復雜。

(2)兩輪轉向兩輪隨動方案 ① 在牽引車縱向上，車輛一端兩輪同時同步轉向并且是驅動輪，另一端兩輪隨動，即輪1和輪2轉向并且是同步轉向的驅動輪，輪3和輪4隨動不進行驅動，保持直線行駛時的平行狀態。轉向特點：無差速功能，需要更大的轉向力矩。② 在牽引車縱向上，車輛一端兩輪同時不同步轉向并且是驅動輪，另一端兩輪隨動，根據轉彎時的理想數學模型來分配驅動輪的轉速，即輪1和輪2轉向并且是驅動輪不同步，輪3和輪4隨動不進行驅動，保持直線行駛時的平行狀態。轉向特點：有差速功能。綜合比較各方案特點,本文采用兩輪轉向兩輪隨動方案中的第二種方式。

2.2 電子差速器控制的兩種方式

車輪轉速的控制一般有兩種方式，即基于各個車輪轉速調節和轉矩調節。

第一種控制方式，采用基于轉速的調節從本質來說是對于普通電動輪車輛的車輪的轉速采用了Ackerman-Jeantand轉向數學模型進行四輪轉速的計算。由于Ackerman-Jeantand數學模型過于理想化，在計算過程中忽略了車輪側偏角、車輪剛度及車身側傾等許多因素對于轉向的影響，因此在實際的行駛過程中車輪出現滑動的可能性較大[1]。

另一種控制方式是基于各車輪轉矩的自適應差速控制系統。采用車輪轉矩控制的控制方式比較復雜，雖然在車輛橫擺角速度方面得到了優化，但是車輛的轉向響應卻因此變得稍有遲滯[2]。

2.3 電子差速器的整體結構

電子差速器的驅動控制結構如圖2.1所示，根據操作人員的輸入(轉向轉角)，對整車的行駛狀態進行調整。由電子差速控制器輸出各車輪的期望轉速和轉角到各自的輪轂電機和轉向電機，再由轉子位置傳感器和轉速傳感器反饋回輪轂電機的運行信息，進而由電子差速器對轉彎進行控制。

圖2 .1 電子差速器結構

1-轉向電機2；2-輪轂電機2；3-轉子位置傳感器2；4-轉速傳感器2；5-轉子位置傳感器1；

6-轉速傳感器1； 7-轉向電機1； 8-輪轂電機1

電子差速系統將各種有用信號轉變為控制指令，監控輪轂電機和轉向電機的運行狀態。對于電子差速器單個系統而言，就是將給定速度信號和轉角信號與傳感器檢測到的輪轂電機的轉速信號和轉向電機的轉角信號對比分析并將信號轉化為控制指令，來控制公鐵兩用牽引車轉彎行駛過程中車輪所需要的轉速和轉角。

3 電子差速器電控單元的選擇

電控系統主要有繼電接觸器控制、PLC繼電器控制、單片機控制、工業計算機控制和DSP控制。在復雜系統中，PLC控制系統有著取代繼電接觸器控制系統的趨勢。工業計算機適合較大的控制系統，計算機監督控制系統在邏輯控制方面不如PLC控制[2]。對于量大的配套項目，單片機有成本優勢,就單項工程及設計來說PLC更具有可靠性。DSP適用于高速數據處理。本文以PLC與繼電器相結合來完成對車輪轉向的控制。

3.2 電子差速器主要設備的選擇使用

公鐵兩用牽引車電子差速器控制系統主要設備包括：輪轂電機、轉向電機、轉速傳感器、轉子位置傳感器以及PLC等。

3.2.1 輪轂電機的選擇

輪轂電機的驅動方式可以分為減速驅動和直接驅動兩種。

減速驅動：此種驅動結構如圖3.1所示，減速機構裝置放置在電機和驅動車輪之間，有減小速度和增加扭矩的作用。在高轉速運行下，具有很大的功率和較高的效率，通過減速機構齒輪減速增扭后，整個輪轂電機扭矩變大。不足之處是不能夠使用液態潤滑，減速機構齒輪磨損很快，因此這種驅動適用于要求承載能力較大的丘陵、山區等環境中使用[3]。

圖3 .1 減速驅動輪轂電機圖

3.2 直接驅動輪轂電機

直接驅動：此種結構如圖3.2所示，輪轂電機很多都采用外轉子形式，就是直接將轉子安裝在車輛的輪輞上。因其沒有減速機構，整個驅動輪的結構更加簡單、緊湊，效率也進一步提高，響應速度更快。缺點就是車輛在起步時，在頂風或爬坡時等都承受了很大扭矩，這時就需要較大電流，很容易損壞電池和永磁體的結構和壽命，適用于平路、負載較輕場合[3]。

根據整車參數的要求，選擇第二種驅動形式（直接驅動）。

3.2.2 轉向電機的選擇

轉向驅動機構有以下三種布置方式。

(1)低速直流電機+圓柱齒輪副 低速直流電機跟小齒輪相連，小齒輪帶動與輪轂電機支架同軸的大齒輪旋轉，占縱向空間大。

(2)直流電機+立式擺線針輪減速器 電機與減速器同軸布置，尺寸相對緊湊，但垂向距離較大。

(3)直流電機+兩級蝸輪蝸桿減速機 本設計采用兩級蝸輪蝸桿減速機的傳動方式，轉向電機。

3.2.3 轉速傳感器的選擇

轉速傳感器分為以下四種：光電式轉速傳感器、變磁阻式轉速傳感器、電容式傳感器和編碼器式轉速傳感器。因速度直接影響整車的運行狀態，所以主要是考慮其測量精度，因該車的車速比較低，除編碼器能夠精確測量速度以外，其它在速度較低時，都不能夠很好的測量，所以選擇用編碼器式轉速傳感器進行測量。

3.2.4 轉子位置傳感器的選擇

轉子位置傳感器分為三種：霍爾位置傳感器；電磁式位置傳感器；光電式位置傳感器。霍爾位置傳感器精度不高，電磁式位置傳感器笨重復雜，不宜選用，第三種雖然不耐高溫，但本公鐵兩用牽引車的運行溫度不會影響到它的精度，因此選用光電式位置傳感器進行轉向電機位置的測量。轉子位置傳感器確定的量程范圍是0～±90°，輸出信號是0～5V。

3.2.5 PLC的選擇

Programmable Logic Controller(即可編程邏輯控制器)，簡稱PLC。目前，國內外生產PLC的廠家很多，不同廠家的PLC產品雖然基本功能相似，但有些特殊功能、價格、服務及使用的編程指令和編程軟件都不相同。選擇PLC主要從以下五個方面來考慮。

① I/O點的估算 I/O點數是PLC的一項重要指標，設計時在估計的總點數上再加20%～30%。根據電子差速器控制對象和繼電器狀態控制計算得I/O點數如表3.1所示。

表3 .1 I/O點數估計

② A/D和D/A的估算 兩個轉子位置傳感器的輸入需要接入A/D，電子差速器計算的兩個轉速信號需要從D/A輸出。

③ 用戶儲存容量的估算 根據經驗，每個I/O點及各部件的有關功能占用的內存量基本如下所示：開關量輸入部件：10～20B/點；開關量輸出部件：5～10B/點；由上述規定的總字節數，并且考慮在原基礎上再增加25%左右的余量，選擇合適的PLC的內存容量。內存總量是：（8×20+13×20）×125%＝525B

④ CPU功能選擇 CPU隨機型的不同通常有三種：通用微處理器(如8086,80286,80386等)、單片機型、位片式微處理器。小型PLC采用8位微處理器或單片機作為CPU；大中型PLC采用16位微處理器，集成度高，速度快；大型PLC采用高速度位片式微處理器，它具有靈活性強、速度快、效率高的優點。

⑤ 電氣控制系統工況的選擇 公鐵兩用牽引車的控制對象是輪轂電機和轉向電機，并且具有差速功能，因此要求所選PLC具有計數器和有數模轉換接口。

3.2.6 繼電器的選擇

由于PLC的輸出電流為300mA，遠遠不能直接驅動輪轂電機和轉向電機，所以需要通過放大信號的繼電器，以控制轉向電機和輪轂電機的通斷。

固體繼電器(SolidStateRelays，SSR)是一種全部由固態電子元件組成的、無觸頭通斷電子開關。與電磁繼電器相比，體積小、重量輕、可靠等優點。選擇固體繼電器作為控制器件，固體繼電器分為交流型固體繼電器(AC—SSR)和直流型固體繼電器(DC—SSR)兩種。AC—SSR以雙向晶閘管作為開關元件， DC—SSR一般以功率晶體管作為開關元件接通和關斷交流或直流負載電源。

在電控系統中，選用直流型固體繼電器(DC—SSR)繼電器，線圈額定電壓、吸合電流和釋放電流必須滿足PLC的輸出規格，即最小額定電壓大于4.5V，吸合電流必須小于300mA，釋放電流必須大于PLC的輸出漏電流0.1mA；輸出端的切換電流和電壓必須滿足轉向電機和輪轂電機的輸入規格，即切換電流必須大于56A（經過計算），切換電壓必須大于96V。

4 電子差速器控制的流程

基于以上所選擇的控制單元，設計電子差速器在執行各個功能的過程中各個部分邏輯順序。電子差速器控制系統的主程序由直行時速度V的測量、轉向電機2轉角β的控制、輪轂電機1速度Vin的控制、輪轂電機2速度 Vout的控制程序組成，主程序如圖所示。

圖4 .1 主程序控制流程圖

5 結論

本文主要討論公鐵兩用牽引車的電子差速系統。介紹了公鐵兩用牽引車及其電子差速器的發展現狀，類比了現代車輛上的電子差速器系統，并且結合本公鐵兩用牽引車的現狀。在公鐵兩用牽引車轉彎時功能需求分析的基礎上，對其電子差速器系統進行設計研究。

[1] 周勇等.四輪轂電機電動車的電子差速控制算法[J].電機與控制學報.2007.09

[2] 黃名鑄.PLC、FCS、DCS三大控制系統的特點和差異.山東:中華紙業，2005.26(4).

[3] 張媛媛.混合動力驅動汽車及關鍵技術研究[D],吉林大學,2009，06.