自動化碼頭IGV制動控制策略研究

吳叢銘 溫富榮 張 煜 楊彩云 羅欣欣 李家良 劉原良 林建良

1 廣西欽州保稅港區盛港碼頭有限公司 2 武漢理工大學交通與物流工程學院

1 引言

在港口水平運輸車領域,智能引導水平運輸車(以下簡稱IGV)得到了越來越多的關注。近年來用于智能引導水平運輸車輛的新技術研究日益增多,例如研究電驅動和液壓轉向系統的控制策略、開發新型驅動模式等,其中,電機制動是保證智能水平運輸車平穩運行的主要研究內容之一。

IGV制動過程若是全程使用輪鼓制動器,制動過程波動大,磨損輪胎,對車輛沖擊大,易損害液壓系統、車橋及懸架系統,使車輛各部件壽命減少。IGV采用中置雙電機給前后驅動輪提供動力,車身配載更均衡。其制動系統分為駐車制動和行車制動,行車制動是8個車輪同時抱死,駐車制動則是在車輛停下之后夾輪器工作,將電機驅動軸轉盤夾緊。但在自動化碼頭作業過程中,車輛遇到緊急情況抱死的情況較少,一般在正常運行狀態,聯合sick激光防撞系統,對車輛進行電機制動,讓車速慢慢下降。電機制動相對于鼓式制動對IGV的穩定性更有利,可減少輪胎磨損。

在IGV和電機制動的研究領域,Ehsani M等基于電動及混合動力汽車的特點,提出一種并聯式混合制動系統,以及用于該系統的2種控制策略,即最大電機制動控制策略和理想制動力分配控制策略[1]。陳榮等對基于轉子磁場定向控制的永磁同步電機制動進行分析,提出電機制動響應性能、抑制速度超調的措施[2]。

結合對IGV結構的分析,研究中置雙電機制動控制策略,以提升智能引導運輸車的制動穩定性,減小輪胎摩擦。

2 IGV結構分析

2.1 驅動系統結構

某自動化碼頭四輪驅動八輪轉向IGV與傳統自動引導水平運輸車相比多了4個承重輪,車輪型號縮小,質心位置下降,具有更好的穩定性和轉彎通過性,且集裝箱對車架的載荷均衡分配到前后軸,整車的動力學性能更好。該IGV采用中置雙電機驅動,前后各1套電機驅動(見圖1),由同1個控制器進行控制,實現4個驅動輪驅動力和電機制動力的同時控制。該IGV采用雙級減速機構,電機所帶負荷更大,減速效果更明顯。

1.懸架 2.驅動橋 3.驅動電機 4.萬向節 5.驅動轉向橋 6.輪胎 7.輪輞圖1 單套電機驅動示意圖

2.2 機械液壓制動系統結構

IGV的機械液壓制動系統由鼓式液壓助力制動器和夾輪器駐車制動構成。鼓式液壓助力制動位于輪鼓內,制動鼓裝在驅動橋上,制動器總成由制動蹄、制動鼓及液壓助力組成。IGV在行車過程中,使用機械液壓系統進行制動,8個車輪都會抱死從而迅速將車停下。此制動方式沒有ABS防抱死功能,所以對于輪胎以及制動器的傷害都比較大。夾輪器駐車制動是當車停穩時,液壓系統動作,夾輪器夾緊電機驅動軸飛盤,防止溜車。

3 IGV輪胎磨損分析

3.1 橡膠磨損機理

IGV在正常行駛中的輪胎磨損,即磨粒磨損,也是橡膠輪胎最常見的磨損形式。磨粒磨損按磨損接觸可分為單點磨損、多點磨損和線性磨損;按磨粒的形態,可分為尖銳磨損和圓鈍磨損。重點研究IGV在行駛過程中正常制動所產生的輪胎磨損,其磨損率可表達為:

AS=γ·Wf

(1)

式中,AS為磨損率;γ為耐磨性系數;Wf為摩擦功。

3.2 輪胎摩擦功與輪胎磨損量的關系

IGV在碼頭水平運輸區域行駛過程中,輪胎的縱向滑移和橫向滑移對于IGV的驅動和控制有很大的影響。IGV輪胎純滾動時,不會對輪胎造成嚴重磨損。當IGV制動過程中,輪胎與地面產生相對滑移時,輪胎橫向力和縱向力對地面摩擦做功,產生輪胎磨損。輪胎在滑移過程中的摩擦功可表示為:

Wf=Wx+Wy

(2)

式中,Wx為縱向力所做摩擦功;Wy為橫向力所做摩擦功[3]。

輪胎摩擦功和附著系數與滑移率有關,需在制動效果好的同時保證摩擦功盡量小。對于IGV而言,由于鼓式制動器動作信號是由電控系統給出,而且只有2種狀態,即制動鼓放松和夾緊。這2種狀態更適用于緊急制動,若是正常狀況下停車,該制動方式對輪胎的損傷以及對液壓系統和懸架系統的沖擊都比較大。重載工況下的IGV,車輪抱死制動不符合輪胎經濟性,在正常行駛中需要盡量避免。

3.3 基于輪胎磨損的2種制動形式的關系

為減少輪胎磨損,基于IGV純電動力驅動的方式,設計電機的能耗制動與液壓助力制動鼓制動組合的制動方案,在滿足制動需求的同時盡可能減少輪胎的滑移。電機能耗制動和液壓制動的響應特性存在著較大的差異,液壓制動相對于電機制動,其制動力穩定但動態響應較慢,制動過程的實質是動能轉換成摩擦能,表現為輪胎與地面的摩擦做工,對輪胎磨損傷害較大。電機制動動態響應快速,動能轉換成電能,電感變化產生的磁阻轉矩阻礙電機的旋轉,但制動力波動較大,需要進行一系列調頻控制,對上層控制的要求較高。

電機制動與液壓制動屬于2個獨立子系統,它們之間關系見圖2。

圖2 液壓制動與能耗制動關系圖

4 IGV電機制動模型

4.1 動力性能分析

根據汽車動力學理論可知,整車動力性的指標主要包括:最高車速、最大爬坡度、加速時間[4]。IGV使用場景為港口水平運輸區域,最大爬坡度取10°。根據車輛在不同行駛工況下的功率平衡方程,可確定驅動系統滿足各項動力性要求時的功率。IGV需要達到的動力性能指標見表1。

表1 IGV主要參數表

4.2 IGV電機參數設計

中部永磁同步直流電機參數設計是IGV驅動系統設計的關鍵。當電機轉速在基速以下時,通常對電機采用恒轉矩控制,可以在低速時輸出大轉矩,有利于車輛的起步和加速;當電機轉速達到基速時,電機功率達到可以安全輸出的最大值,該最大值即為峰值功率。

電機最大轉矩選取最大爬坡度時的峰值轉矩,可由下式計算得出:

(3)

(4)

式中,Ft為加速驅動力,N;mv為整車質量,kg;Rr為車輪滾動半徑,0.778 m;CD為空氣阻力系數,取0.5;ητ為傳動系統傳動效率,取93%;AV為迎風面積,取1.68 m2,fV為滾動阻力系數,取0.018。代入車輛參數計算,得到2個中置電機的總峰值轉矩T應滿足T≥13 284 Nm。

4.3 IGV電機制動過程

電機制動過程分為回饋發電制動階段和能耗制動階段。IGV在直行過程中默認按最高速度行駛,此時的運行功率為峰值功率,在峰值率下,輸出轉矩接近峰值轉矩。

假定車輛從正常直行進入制動階段。制動階段開始時,電機轉子仍然旋轉并切割磁感線,此時電機進入發電狀態,電機將在設定的限幅制動力矩及摩擦力矩作用下減速,反電動勢減小。電流調節器使輸出電壓也同步減小,以保持電機電流為系統設定的最大制動電流。電機的三相電流幅值不變,頻率隨速度線性下降,電機相當于由三相變頻恒流源供電。電機運動方程為:

(5)

式中,Te,Tf,TΩ分別為電磁、負載、摩擦力矩,可知在制動剛發生時,它們的和等于T≥13 284 Nm。

為了進一步求解后續回饋發電制動過程中的電機輸出轉矩,引入永磁同步電機的磁鏈公式:

(6)

(7)

式中,Ld、Lq分別為定子繞組在d軸和q軸上的電感;uduq分別為電機在d軸、q軸的輸入電壓;iq和id分別是定子電流在q軸和d軸的分量;ψPM為永磁體磁鏈;R為電機內阻;ω為電機角速度。

當電機進入減速制動狀態時,電機輸入d軸和q軸的電壓為零,電機制動力矩的變化如下:

(8)

(9)

(10)

(11)

通過以上公式可知,電機制動力矩特性與由電機的設計參數:磁鏈、繞組電阻、電感、極對數等共同決定。其中磁鏈由電機磁場強度分布決定,對于永磁同步電機來說永磁體的磁場是固定的,所以電機永磁體的參數對制定特性起到至關重要的影響。IGV作業場景復雜,驅動電機的工作特性需要更加擬合靈活和短距離啟停作業場景。根據以上的設計要求,采用磁性強的釹鐵硼鈷作為電機的定子磁體材料,能為驅動電機帶來更高的磁場強度和更高系數的轉矩特性,電機制動的制動轉矩更高,制動距離更短。

電機經過回饋發電階段的減速,速度逐漸降低,當電機的速度已經接近零時,反電動勢過小,切割磁感線的阻力也變小。這個階段,逆變器輸出反向驅動電流,電機受到反向的轉矩與負載轉矩達到平衡,駐車制動器介入,制動完成。

5 IGV電機復合制動控制策略

5.1 IGV制動工況分析

IGV的停車工況可分為8種:緩沖區停車、岸橋作業位停車、場橋作業位停車、充電位停車、堆場IGV車道安全位停車、臨時停車,以及防撞保護停車和故障緊急停車。對于防撞保護停車和故障緊急停車,觸發保護會直接車輪抱死制動停車,這2種工況對于輪胎和車輛的損害是最大的,但也是最少出現的。對于24 h不停工運轉的IGV來說,前6種工況是其正常行駛下最常見的工況。對于前6種工況,IGV具有成熟的導航系統和車輛管理系統進行路徑規劃和行駛預估,可通過電機能耗制動實現精準停車。

5.2 IGV制動控制策略

當導航系統收到車隊管理系統下發的停車目標點信息后,根據車輪速度編碼器、車輪角度編碼器、磁釘定位系統、慣性測量單元等測量信息組合構成導航算法,根據當前車速和坐標計算到達停車目標點的減速度,下發指令由單機電控系統實現車輛平穩制動。

IGV的中置雙電機制動采用能耗制動,電機電動運行時,通過改變電壓大小控制轉矩,改變輸出電流頻率控制轉速,能量從電池傳遞到驅動器,并輸出三相交流電。當電機工作在制動狀態,再生能量的回灌會使母線電壓高于正常工作值。通過對母線電壓的采樣和電壓環的作用,逆變器立刻切換到整流回饋狀態,控制能量由電機側向電池側傳遞。此時根據楞次定律,永磁體組成的轉子在旋轉中切割定子線圈繞組的磁感線,受到反向的轉矩。當需要電池組輸出電流進行能耗制動時,逆變器改變輸出相序,輸出反向轉矩。導航系統根據IGV實時狀態進行制動距離的計算,電控系統根據電機轉速計算反向轉矩,并控制驅動器施加在電機上的直流電壓,對制動減速度進行補償,從而達到IGV中置雙電機制動的目的。當轉子導體與直流磁場之間無相對運動時,感應電動勢消失,感應電流隨之消失,電動機停轉,駐車夾輪器動作,將直流電源切除,IGV中置雙電機能耗制動過程結束。

從能量角度看,能耗制動消耗的是IGV中置雙電機轉子切割直流磁場產生的電能,與電機電源反接制動相比,這種形式的能耗制動能量損耗少,制動停車距離計算準確,制動過程平穩。該能耗制動適用于電動容量大、要求制動平穩和啟動頻繁的場合。

當IGV觸發防撞保護停車及故障緊急停車時,電機電源直接切斷,液壓系統作用,鼓式制動器制動,將車輪抱死,強制制動;同時也可避免電機制動失效時發生事故。

5.3 應用數據分析

為了更好地說明電機制動過程,使用INVT studio永磁同步電機驅動器圖形對IGV的帶雙重箱減速制動波形進行截取(見圖3),其中線性減速制動,也就是回饋發電制動的過程中,電流幅值恒定,制動轉矩恒定且反向,速度平穩降低。而在能耗制動階段中,電機轉速已經接近于零,在這個狀態不再有負載慣性帶來的機械能轉化電能的過程,在最后階段驅動器輸出反向轉矩平衡負載轉矩,使得車輛完全停止,最后駐車制動器介入。

圖3 電機電流、轉矩、轉速波形圖

6 結語

為滿足自動化集裝箱碼頭IGV平穩可靠制動需求,依照動力性要求對IGV驅動系統進行參數匹配,確定了中置雙電機的輸出特性;制定了IGV正常行駛工況下電機制動控制策略,電控系統與導航系統相結合,對車輛進行準確制動;選擇能耗制動的電機制動方式,將IGV中置雙電機轉子切割直流磁場產生的電能,電能消耗在IGV中置雙電機轉子的制動上。在IVG調試應用中,該制動控制策略可有效減小制動沖擊和輪胎磨損,防止液壓系統過載,取得了良好的測試效果。