一种轨道车辆车轮矢量同步控制方法以及系统

技术领域

本发明涉及车辆牵引控制技术领域，尤其涉及一种轨道车辆车轮矢量同步控制方法以及系统。

背景技术

现如今，用于牵引或运载的轨道车辆被广泛应用在大型矿山开采、化工冶炼、煤矿开采、码头搬运等领域。但是，目前使用的单电机驱动的轨道车辆面对越来越复杂的应用场景与苛刻的应用条件，其牵引动力越发显得不足。因此，现有的解决方案是通过增添多个电机来协同进行驱动工作，但随之而来的问题就是各个电机之间同步控制的难题。

同时，在轨道车辆上驱动组件一般采用踏板来控制电机运行，该功能必须每时每刻控制踏板幅度，这对操作人员的要求较高，也无法保证实时控制精度与车辆的平稳运行。

发明内容

(一)要解决的技术问题

鉴于现有技术的上述缺点、不足，本发明提供一种轨道车辆车轮矢量同步控制方法以及系统，其解决了轨道车辆的多个电机协同控制与无法保证实时控制精度与车辆的平稳运行的技术问题。

(二)技术方案

为了达到上述目的，本发明采用的主要技术方案包括：

第一方面，本发明实施例提供一种轨道车辆车轮矢量同步无级控制方法，包括：

在轨道车辆的牵引电机正常运行时，调整每一牵引电机的控制参数，以使每一牵引电机的转速保持一致；

在轨道车辆的任一牵引电机异常时，调整其余牵引电机的控制参数，以使其余牵引电机的输出力矩的增大量保持与异常状态的牵引电机的输出力矩的减少量一致；

其中，所述每一牵引电机的控制参数均为控制端输出的无级变量。

可选地，在轨道车辆的牵引电机正常运行时，调整每一牵引电机的控制参数，以使每一牵引电机的转速保持一致包括：

在轨道车辆上针对第一对前驱车轮设置有第一牵引电机，以及针对第二对前驱车轮设置有第二牵引电机时，获取所述第一牵引电机的转速与所述第二牵引电机的转速；

依据所述第一电机转速与所述第二电机转速，并结合轨道车辆上的从动轮速度得出偏差系数；

基于得出的所述偏差系数判断第一对前驱车轮与第二对前驱车轮是否同步；

若偏差系数满足第一预设条件时判断为不同步，则依据所述第一牵引电机所分配的控制参数来修正第二牵引电机所分配的控制参数，使得两牵引电机转速相等。

可选地，若偏差系数满足第一预设条件时判断为不同步，则依据所述第一牵引电机所分配的控制参数来修正第二牵引电机所分配的控制参数，使得两牵引电机转速相等之前，还包括：

将获取的控制端所输出的设置速度作为PID设置值、获取的轨道车辆的从动轮速度作为PID反馈值，并将PID速度值作为PID输出值，通过PID计算得到所述第一牵引电机的PID速度值与所述第二牵引电机的PID速度值；

通过力矩转换公式将所述第一牵引电机的PID速度值与所述第二牵引电机的PID速度值均转换为相对应的PID力矩值；

其中，所述力矩转换公式为：

M＝(m*(Δw*L/2)/Δt)*L/2*i

式中，M为PID力矩值，m为车重量，角速度△w＝PID速度值/60，PID采样时间△t＝0.5s，轮径L＝840mm，减速比i＝7.07。

可选地，若偏差系数满足第一预设条件时判断为不同步，则依据所述第一牵引电机所分配的控制参数来修正第二牵引电机所分配的控制参数，使得两牵引电机转速相等包括：

当偏差系数k>0.05，且维持50ms以上时，判断为需要对第二牵引电机进行补偿，并计算出第二牵引电机所需的补偿值；

依据所述补偿值控制所述第二牵引电机的转速保持与所述第一牵引电机的转速一致；

其中，

所述偏差系数为：

k＝(n

式中,k为偏差系数，n

所述补偿值为：

b＝b

式中，b为补偿值，b

可选地，在轨道车辆的任一牵引电机异常时，调整其余牵引电机的控制参数，以使其余牵引电机的输出力矩的增大量保持与异常状态的牵引电机的输出力矩的减少量一致包括：

在轨道车辆上针对第一对前驱车轮设置有第一牵引电机，以及针对第二对前驱车轮设置有第二牵引电机时，依据车轮打滑系数来判断牵引电机是否打滑；

当车轮打滑系数满足第二预设条件时，则判断为该车轮对应的牵引电机打滑，调整另一牵引电机的控制参数，以使另一牵引电机的输出力矩的增大量保持与打滑状态的牵引电机的输出力矩的减少量一致，直至该电机不打滑时又恢复双电机出力均等；

其中，车轮打滑系数为：

γ＝(v

式中，γ为车轮打滑系数，v

可选地，当车轮打滑系数满足第二预设条件时，则判断为该车轮对应的牵引电机打滑，调整另一牵引电机的控制参数，以使另一牵引电机的输出力矩的增大量保持与打滑状态的牵引电机的输出力矩的减少量一致，直至该电机不打滑时又恢复双电机出力均等包括：

当某一车轮的车轮打滑系数γ>0.15，且维持50ms以上时，则判断该车轮的牵引电机打滑；

对打滑的牵引电机执行如下操作；将获取的控制端所输出的设置速度作为PID设置值、获取的轨道车辆的从动轮速度作为PID反馈值，并将打滑的牵引电机速度值作为PID输出值，通过PID计算得到所述打滑的牵引电机的PID速度值；通过力矩转换公式将所述打滑的牵引电机的PID速度值转换为PID力矩值；进而，依据所述打滑的牵引电机的PID力矩值控制下，所述打滑的牵引电机输出力矩减少；

对不打滑的牵引电机执行如下操作：将获取的控制端所输出的设置速度作为PID设置值、获取的轨道车辆的从动轮速度作为PID反馈值，并将PID速度值作为PID输出值，通过PID计算得到所述不打滑的牵引电机的PID速度值；通过力矩转换公式将所述不打滑的牵引电机的PID速度值转换为PID力矩值；进而，依据所述不打滑的牵引电机的PID力矩值使得所述不打滑的牵引电机输出力矩增大且输出力矩增大量与所述打滑的牵引电机输出力矩减少量一致；

直至打滑的牵引电机不打滑时，又恢复到两个牵引电机出力均等的状态。

第二方面，本发明实施例提供一种轨道车辆车轮矢量同步控制系统，应用于如上所述的方法，包括：

若干用于驱动车辆车轮的牵引电机；

对连接的所述牵引电机施加相应控制的电机控制器；

通过总线方式与所述电机控制器连接的牵引总控制器；以及

向所述牵引总控制器下发控制指令的控制端。

可选地，所述控制端包括：控制面板以及设置于控制面板上的档位杆、调速手柄、电机选择开关以及刹车手柄。

可选地，

所述挡位杆包括：前进档、后推档以及空档；

所述电机选择开关用于选择一个和/或多个牵引电机进行工作；

所述刹车手柄为气路控制型手柄；

所述调速手柄用于无级输出设置速度，以使牵引电机驱动车辆实现无级调速，且速度精度控制在±5km/h范围内。

可选地，所述轨道车辆为前驱型，则所述牵引电机包括：用于分别驱动第一对前轮的第一牵引电机以驱动第二对前轮的第二牵引电机。

(三)有益效果

本发明的有益效果是：本发明在正常工作时，通过控制每一牵引电机出力均等，实现车辆车轮同步行进，而在任一电机异常时，及时调度其余电机动力，从而保证车辆平稳运行，当不打滑时又能快速恢复电机出力均等。以上特性设置，不仅保证了轨道车辆的正常工作状态下的车轮矢量同步控制，还通过异常状态下的其他电机代偿功能，提高了其鲁棒性，同时，通过无级设置控制参数来实现更精细化与平稳地对车辆速度实施控制的目的。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种轨道车辆车轮矢量同步控制方法的流程示意图；

图2为本发明实施例提供的一种轨道车辆车轮矢量同步控制方法的步骤S1的具体流程示意图；

图3为本发明实施例提供的一种轨道车辆车轮矢量同步控制方法的步骤S14之前的具体流程示意图；

图4为本发明实施例提供的一种轨道车辆车轮矢量同步控制方法的步骤S14的具体流程示意图；

图5为本发明实施例提供的一种轨道车辆车轮矢量同步控制方法的正常情况下双电驱控制逻辑流程图；

图6为本发明实施例提供的一种轨道车辆车轮矢量同步控制方法的步骤S2的具体流程示意图；

图7为本发明实施例提供的一种轨道车辆车轮矢量同步控制方法的车轮打滑时牵引电机控制示意图；

图8为本发明实施例提供的一种轨道车辆车轮矢量同步控制系统的组成示意图；

图9为本发明实施例提供的一种轨道车辆车轮矢量同步控制系统的轨道车辆的第一视角的组成示意图；

图10为本发明实施例提供的一种轨道车辆车轮矢量同步控制系统的轨道车辆的第二视角的组成示意图；

图11为本发明实施例提供的一种轨道车辆车轮矢量同步控制系统的台架牵引实验的速度变化时的曲线；

图12为本发明实施例提供的一种轨道车辆车轮矢量同步控制系统的台架牵引实验的速度稳定时的曲线。

具体实施方式

为了更好地解释本发明，以便于理解，下面结合附图，通过具体实施方式，对本发明作详细描述。

如图1所示，本发明实施例提出的一种轨道车辆车轮矢量同步控制方法，其包括：在轨道车辆的牵引电机正常运行时，调整每一牵引电机的控制参数，以使每一牵引电机的转速保持一致；在轨道车辆的任一牵引电机异常时，调整其余牵引电机的控制参数，以使其余牵引电机的输出力矩的增大量保持与异常状态的牵引电机的输出力矩的减少量一致；其中，每一牵引电机的控制参数均为控制端输出的无级变量。

为了更好地理解上述技术方案，下面将参照附图更详细地描述本发明的示例性实施例。虽然附图中显示了本发明的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更清楚、透彻地理解本发明，并且能够将本发明的范围完整的传达给本领域的技术人员。

具体地，本发明提供的一种轨道车辆车轮矢量同步无级控制方法，包括：

S1、在轨道车辆的牵引电机正常运行时，调整每一牵引电机的控制参数，以使每一牵引电机的转速保持一致。

如图2所示，步骤S1包括：

S11、在轨道车辆上针对第一对前驱车轮设置有第一牵引电机，以及针对第二对前驱车轮设置有第二牵引电机时，获取第一牵引电机的转速与第二牵引电机的转速。

S12、依据第一电机转速与第二电机转速，并结合轨道车辆上的从动轮速度得出偏差系数。

S13、基于得出的偏差系数判断第一对前驱车轮与第二对前驱车轮是否同步。

S14、若偏差系数满足第一预设条件时判断为不同步，则依据第一牵引电机所分配的控制参数来修正第二牵引电机所分配的控制参数，使得两牵引电机转速相等

如图3所示，步骤S14之前，还包括：

F141、将获取的控制端所输出的设置速度作为PID设置值、获取的轨道车辆的从动轮速度作为PID反馈值，并将PID速度值作为PID输出值，通过PID计算得到第一牵引电机的PID速度值与第二牵引电机的PID速度值。

F142、通过力矩转换公式将第一牵引电机的PID速度值与第二牵引电机的PID速度值均转换为相对应的PID力矩值；

其中，力矩转换公式为：

M＝(m*(Δw*L/2)/Δt)*L/2*i

式中，M为PID力矩值，加速度a＝△V/△t，牵引力F＝m*a，车重量m＝45吨，角速度△w＝PID速度值/60，PID采样时间△t＝0.5s，PID采样时间内车速变化量△V，轮径L＝840mm，减速比i＝7.07。

如图4所示，步骤S14包括：

S141、当偏差系数k>0.05，且维持50ms以上时，判断为需要对第二牵引电机进行补偿，并计算出第二牵引电机所需的补偿值。

S142、依据补偿值控制第二牵引电机的转速保持与第一牵引电机的转速一致。

其中，

偏差系数为：

k＝(n

式中,k为偏差系数，n

补偿值为：

b＝b

式中，b为补偿值，b

在上述步骤S1中，正常情况(车轮不打滑)，第一牵引电机跟随第二牵引电机实现同步，控制逻辑流程图参考图5所示：首先，将手柄速度为PID设置值，从动轮速度为PID反馈值，PID速度值为PID输出，该PID速度值为速度增量；通过速度增量转换为力矩值控制电机；其次，根据偏差系数来判断车辆是否同步；从而参考第一牵引电机的力矩值来修正第二牵引电机的力矩值，使得两电机速度相等。

S2、在轨道车辆的任一牵引电机异常时，调整其余牵引电机的控制参数，以使其余牵引电机的输出力矩的增大量保持与异常状态的牵引电机的输出力矩的减少量一致。

如图6所示，步骤S2包括：

S21、在轨道车辆上针对第一对前驱车轮设置有第一牵引电机，以及针对第二对前驱车轮设置有第二牵引电机时，依据车轮打滑系数来判断牵引电机是否打滑。

S22、当车轮打滑系数满足第二预设条件时，则判断为该车轮对应的牵引电机打滑，调整另一牵引电机的控制参数，以使另一牵引电机的输出力矩的增大量保持与打滑状态的牵引电机的输出力矩的减少量一致，直至该电机不打滑时又恢复双电机出力均等。

步骤S22包括：

当某一车轮的车轮打滑系数γ>0.15，且维持50ms以上时，则判断该车轮的牵引电机打滑；

对打滑的牵引电机执行如下操作；将获取的控制端所输出的设置速度作为PID设置值、获取的轨道车辆的从动轮速度作为PID反馈值，并将打滑的牵引电机速度值作为PID输出值，通过PID计算得到打滑的牵引电机的PID速度值；通过力矩转换公式将打滑的牵引电机的PID速度值转换为PID力矩值；进而，依据打滑的牵引电机的PID力矩值控制下，打滑的牵引电机输出力矩减少；

对不打滑的牵引电机执行如下操作：将获取的控制端所输出的设置速度作为PID设置值、获取的轨道车辆的从动轮速度作为PID反馈值，并将PID速度值作为PID输出值，通过PID计算得到不打滑的牵引电机的PID速度值；通过力矩转换公式将不打滑的牵引电机的PID速度值转换为PID力矩值；进而，依据不打滑的牵引电机的PID力矩值使得不打滑的牵引电机输出力矩增大且输出力矩增大量与打滑的牵引电机输出力矩减少量一致；

直至打滑的牵引电机不打滑时，又恢复到两个牵引电机出力均等的状态。

其中，车轮打滑系数为：

γ＝(v

式中，γ为车轮打滑系数，v

在上述步骤S2中，如图7所示，当车轮打滑系数>0.15，且50ms以上，则判断该车轮的牵引电机打滑。此时，打滑的牵引电机执行“PID运算3”，PID反馈为“打滑电机速度”，所以，此时打滑的牵引电机速度会降到手柄速度；不打滑的牵引电机执行“PID运算2”PID反馈为“从动轮速度”，因此不打滑的牵引电机会增加来维持速度。直至打滑的牵引电机不打滑时，执行“PID运算1”又恢复双电机出力均等。

因此，正常情况下，车轮打滑系数<0.15，双电机同步，是第二牵引电机补偿一定量，跟随第一牵引电机转速，达到同步效果；非正常情况下，车轮打滑系数>0.15，执行打滑程序，直至双电机恢复正常。

此外，本发明实施例还提供一种轨道车辆车轮矢量同步控制系统，应用于如上的方法，如图8所示，包括：若干用于驱动车辆车轮的牵引电机；对连接的牵引电机施加相应控制的电机控制器；通过总线方式与电机控制器连接的牵引总控制器；以及向牵引总控制器下发控制指令的控制端。即该系统为：蓄电池+牵引控制器+电机驱动器+电机。牵引控制器通过CAN总线控制2台电机控制器，电机控制器作为执行单元。

进一步地，控制端包括：控制面板以及设置于控制面板上的档位杆、调速手柄、电机选择开关以及刹车手柄。

挡位杆包括：前进档、后推档以及空档；

电机选择开关用于选择一个和/或多个牵引电机进行工作；

刹车手柄为气路控制型手柄，当气压大于1.5bar时，刹车电信号发出。

调速手柄用于无级输出设置速度，以使牵引电机驱动车辆实现无级调速，且速度精度控制在±5km/h范围内。

值得一提的是，如图9和图10所示，轨道车辆为前驱型，则牵引电机包括：用于分别驱动第一前轮的第一牵引电机以驱动第二前轮的第一牵引电机。

在具体实施例中，本发明通过台架牵引实验验证了本方面方案的可行性，参考图11可知，仅对牵引电机给定恒定力矩，会造成两车轮速度发生较大变化；参考图12可知，对牵引电机给定合理的力矩变换，车轮速度在一定范围内维持稳定。

综上所述，本发明提供了一种轨道车辆车轮矢量同步控制方法以及系统，其实现了如下要点：

1、车辆通过速度手柄无级设置速度，电机驱动车辆快速达到设置速度(最高速22km/h无级调速)，无论轨道上/下坡度，还是拐弯处；速度精度在±5km/h范围内；

2、车辆驱动时，双电机出力均等。

3、提高车辆工作的可靠性，当其中一台电机故障时，另一台电机单独也能驱动车辆。

4、当其中一台电机打滑情况下,该电机输出力矩快速减小，另一台电机快速增大，从而保证车辆稳定运行，当不打滑时又能快速恢复双电机出力均等。

5、防溜车/驻坡功能：当车辆停止在坡上时，并刹车缓解，电机输出力使得车辆能维持不动(维持时间1分钟)，从而防止车辆在坡度溜车现象，使驾驶更轻松。

由于本发明上述实施例所描述的系统/装置，为实施本发明上述实施例的方法所采用的系统/装置，故而基于本发明上述实施例所描述的方法，本领域所属技术人员能够了解该系统/装置的具体结构及变形，因而在此不再赘述。凡是本发明上述实施例的方法所采用的系统/装置都属于本发明所欲保护的范围。

本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例，或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。

应当注意的是，在权利要求中，不应将位于括号之间的任何附图标记理解成对权利要求的限制。词语“包含”不排除存在未列在权利要求中的部件或步骤。位于部件之前的词语“一”或“一个”不排除存在多个这样的部件。本发明可以借助于包括有若干不同部件的硬件以及借助于适当编程的计算机来实现。在列举了若干装置的权利要求中，这些装置中的若干个可以是通过同一个硬件来具体体现。词语第一、第二、第三等的使用，仅是为了表述方便，而不表示任何顺序。可将这些词语理解为部件名称的一部分。

此外，需要说明的是，在本说明书的描述中，术语“一个实施例”、“一些实施例”、“实施例”、“示例”、“具体示例”或“一些示例”等的描述，是指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域的技术人员在得知了基本创造性概念后，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，权利要求应该解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种修改和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也应该包含这些修改和变型在内。