基于轉速反饋的電子差速控制策略研究應用*

馬凱

(中國煤炭科工集團 太原研究院有限公司， 山西 太原 030006)

0 引言

傳統汽車行走時，兩驅動輪之間通過機械差速器進行速度調節。差速器分別驅動兩側半軸和驅動輪，當不考慮差速器內摩擦力矩時,兩側輸出幾乎相等的力矩。當車輛轉彎或行駛在不平路面上時，差速器可使左右驅動車輪以不同的轉速純滾動運行[1]。機械差速器的本質是以保持兩驅動車輪轉矩相同為手段，實現兩驅動車輪轉速隨運行工況的自適應調節。

電動汽車由電動機直接驅動車輪(輪轂電動機)或由電動機通過傳動裝置驅動車輪。車輪之間沒有機械差速器，因此需要通過電控方式解決差速問題。電子差速系統的研究主要集中于地面電動車輛。目前常用的電子差速方法有對轉雙轉子電動機方式，其結構是由一個永磁同步電動機和一個三相異步電動機級聯構成的電動機結構，連同安裝在2個轉子外側的換向減速行星排實現差速，該方法結構復雜，應用推廣較為困難[2]。基于轉角反饋的速度控制方法是通過測量轉向油缸或車輪轉角等，根據車輪轉角大小分配內外車輪不同的轉速，該方法要求角度傳感器有較高的可靠性[3-4]。等轉矩控制方法是以控制驅動電動機電流的方式等值分配各輪的驅動力，使各輪驅動電動機的轉矩相等，達到差速目的[5-7]。滑移率控制方法考慮了轉彎時車輪的垂直載荷變化，以使兩驅動輪的附著率相等為目標，并以此為依據分配兩輪的驅動轉矩，減小了車輛發生滑轉的可能性，但滑移率的判定較為困難[8]。在滑移率控制方法基礎上又出現了以轉矩差速為研究對象，以車輪滑移角為反饋變量，實現電子差速的方法，該方法仿真效果良好，但尚未進行試驗驗證[9]。橫擺力矩控制方法利用針對橫擺力矩設計的滑模控制器實現車輛差速轉向，可有效控制車身橫擺力矩，調節橫擺角速度和質心側偏角，提高車輛的操縱性和穩定性。橫擺力矩控制方法適用于高速運行的車輛[10-12]。

在煤礦井下運輸車輛中，同樣廣泛采用電力驅動。某無驅動橋礦用車輛采用交流電動機驅動，同側兩個車輪由同一交流電動機驅動，對側車輪之間沒有驅動橋無法利用機械差速器調節速度[13-14]，具體結構見圖1。該車輛屬于低速車輛，最高車速不超過10 km/h。針對其特點，在借鑒上述機械差速器等轉矩差速控制及等電子差速方法的基礎上提出了一種基于速度反饋的簡單可行的差速控制方法。

1 某礦用車輛驅動系統

某礦用四輪驅動車輛如圖1所示，兩側驅動回路各自獨立由一個交流異步電動機通過行走減速器、長短傳動軸、輪邊減速器、車輪進行動力傳遞。轉向時，同側兩車輪擺角大小相等、方向相反，理論轉速相同,而兩側車輪轉速不同需要進行差速控制。該行走系統的差速控制實質為對兩交流異步電動機的差速控制。

1-車輪;2-長傳動軸;3-輪邊減速器;4-短傳動軸;5-行走減速器;6-交流異步電動機。

該驅動控制系統采用轉差頻率方式的變壓變頻調速控制。轉差頻率控制基于交流電動機穩態電路，是在V/f控制的基礎上發展起來的，可在控制過程中保持磁通恒定、限制轉差頻率變化范圍，通過轉差頻率調節異步電動機的電磁轉矩。其動態性能雖沒有基于交流電動機動態方程的矢量控制和直接轉矩控制好，但相比V/f控制提高了動態特性和限制過電流能力。其控制原理相對簡單，適合動態性能沒有過高要求的場合。

依據交流異步電動機穩態模型[15]，應用轉差頻率變頻控制時，在基頻以下采用定子電壓補償的方式維持Er/ω恒定，可保持轉子磁通φmr不變。此時交流電動機轉矩為：

(1)

(2)

由式(2)可知，交流電動機轉矩與其轉速降落值成正比，因此可以通過控制交流電動機轉速降落值來間接控制交流電動機輸出轉矩。

2 差速控制策略

2.1 差速控制流程

車輛直行時兩電動機轉速基本相同。當車輛由直行變為轉向時如圖2所示，此時轉向內側車輪行駛半徑Rn小于外側車輪行駛半徑Rw。若兩車輪轉速仍然相等，則內側車輪將會拖動外側車輪行走，即內側車輪行走阻力加大、滑移量增大從而轉速降低，外側車輪行走阻力減小、滑移量減小甚至產生滑轉從而轉速增大。因此兩電動機轉速降落及輸出力矩產生了差異。根據上述理論分析，通過速度調節的方式將兩電動機轉速降落偏差值調整至一定范圍內，即相當于將兩電動機力矩偏差調整至一定范圍內，即可認為兩車輪轉速得到良好的匹配。轉向時外側電動機轉速加快，以下稱快速電動機；內側電動機轉速降低，以下稱慢速電動機。設定快速電動機某頻率下同步轉速為n1，實際轉速為n10，轉速降落為Δn1；慢速電動機某頻率下同步轉速為n2，實際轉速n20，轉速降落為Δn2。同步轉速為控制器給定的電動機轉速，實際轉速為由編碼器反饋速度或由變頻器計算得出的電動機實際轉速。編碼器與電動機轉子軸連接，直接得出電動機轉子軸轉速，測速精度較高。控制器的給定轉速指令發送至變頻器后，變頻器通過定子電壓幅值補償，同步調節電動機氣隙磁通在每相繞組中的感應電動勢及同步頻率，保持電動機氣隙磁通恒定，從而穩定地調節電動機轉速。差速控制流程如圖3所示。

1-外側車輪; 2-外側電動機; 3-內側電動機; 4-內側車輪。

圖3 差速控制流程

2.2 控制策略解析

1) 設定兩電動機轉速絕對差值的檢測對比是為了防止過于頻繁地調整電動機轉速，影響直行效果。該實際轉速對比值ns要大于轉速降落對比值Δns。當|n20-n10|>ns時，進行下一步速度檢測，則保持兩電動機給定轉速相同，即n1=n2。

2) 檢測計算兩電動機轉速降落差值，當差值|Δn2-Δn1|>Δns時，則開始下一步轉速調節,否則不進行轉速調節。

3) 如上述當車輛由直行開始轉向或者轉彎半徑減小時，此時慢速電動機會拖動快速電動機行走，慢速電動機轉速降落增大，快速電動機轉速降落減少。當差值|Δn2-Δn1|>Δns時，開始調整慢速電動機轉速，將其給定值n2設定為n2-(Δn2-Δn1)。反復迭代，直至兩電動機轉速降落差值在Δns內。穩態轉向時慢速電動機轉速降落值大于快速電動機，因此發出力矩也稍大于快速電動機。

當車輛由轉彎趨于直行或者轉彎半徑增大時，此時快速電動機會拖動慢速電動機行走，快速電動機轉速降落增大，慢速電動機轉速降落減小。同樣當|Δn2-Δn1|>Δns時，開始增大慢速電動機給定轉速n2，將其給定值n2設定為n2+(Δn1-Δn2)，即該設定值同樣為n2-(Δn2-Δn1)。反復迭代，直至兩電動機轉速降落差值在Δns內。若仍然處于轉向狀態，此時外側快速電動機發出力矩稍大于內側慢速電動機。若處于直行狀態，通過額外的兩電動機轉速絕對值的對比檢驗及轉速設定，兩電動機給定同步轉速將相同。

2.3 實際應用效果

在地面對該車輛進行了差速性能試驗并通過車載存儲器對兩電動機轉速、電流等運行數據進行了實時存儲。圖4為車輛從直行開始轉向并穩定轉向一段時間的兩電動機給定同步轉速及實際轉子轉速的變化曲線。由圖4可知，直行時兩電動機給定同步轉速均為1 000 r/min，此時兩電動機轉速降落比較接近。開始轉向后，外側快速電動機同步轉速不變，內側慢速電動機給定同步轉速及實際轉速持續下降。在轉向變化過程中快速電動機轉速降落有所降低，從10～15 r/min降為5～10 r/min；慢速電動機轉速降落則明顯增大，從10～15 r/min增為30～40 r/min。整個轉向過渡時間約1.3s。穩定轉向后，因轉向行走阻力大于直線行走阻力，兩電動機轉速降落均比直行時偏大，慢速電動機轉速降落也略大于快速電動機。這與上述理論分析的差速效果基本一致。穩定轉向時兩電動機實際轉速比約為1.67，與理論計算差速比基本符合，證明了該差速控制方法切實有效。

在轉子磁通φmr不變時，交流電動機電流變化趨勢與力矩變化趨勢基本一致。通過圖5中兩電動機電流曲線可間接看出兩電動機力矩變化趨勢。直行時兩電動機電流相差無幾，轉彎差速過程中慢速電動機電流明顯增大、快速電動機電流有所減小，到穩定轉向后慢速電動機電流仍略大于快速電動機。兩電動機電流變化規律與上述速度變化規律基本吻合。

圖5 差速過程中兩電動機電流曲線

該差速控制方法原理與機械差速器相同，對于良好路面、坑洼不平路面均有良好的適應性。在遇到單側輪胎滑轉率明顯增加的工況時，在該側輪胎沒有完全失去附著能力時，滑轉率低的那一側輪胎對應的電動機會降速，驅使整車以較低的速度行走。如遇到一側輪胎完全失去附著能力的工況時，此時整車先是產生一定側移，最后失去行走能力。由此可知，除非是遇到單側輪胎失去附著力的極端工況，該方法對于低速礦用車輛有良好的適應性，井下實際使用效果也驗證了這一點。

3 結論

無驅動橋的低速礦用電驅車輛轉彎時，無法利用輪間差速器進行速度調節。本文分析了傳統車輛差速控制原理，介紹了地面電動車輛的電子差速原理，在此基礎上通過對交流電動機轉差率控制方法的分析，提出一種基于轉速反饋的差速控制策略。該策略通過簡單的利用兩交流電動機轉速降落的差值調節兩電動機中慢速電動機的給定同步轉速值，以保證兩電動機發出力矩相等，實現兩側車輪的自適應差速。經實際應用及數據監測結果表明，該差速控制方法切實有效。該方法僅采集了電動機轉速信號，電動機編碼器故障時可由變頻器計算轉速進行替代，因此該控制系統可靠性高。通過該電子差速控制方法，實現了低速礦用車輛的平穩轉向，提高了車輛的運行穩定性和可靠性。因該差速方法理論基于交流電動機穩態模型，在動態性能方面有所不足。后續可基于矢量變頻控制進行針對性提升，并通過模糊PID控制等手段進一步提高差速控制的綜合性能。