基于MATLAB/Simulink的貨車(chē)碰撞試驗(yàn)臺(tái)電力拖動(dòng)系統(tǒng)

摘要：論述了貨車(chē)碰撞試驗(yàn)臺(tái)電力拖動(dòng)系統(tǒng)的基本構(gòu)成及工作原理，闡述了該系統(tǒng)的電機(jī)部分、電控部分各項(xiàng)設(shè)計(jì)參數(shù)和指標(biāo)，并利用MATLAB/Simulink對(duì)該系統(tǒng)的直流電機(jī)輸出轉(zhuǎn)速和輸出電流進(jìn)行仿真與分析，基于仿真結(jié)果驗(yàn)證了電力拖動(dòng)系統(tǒng)的可行性與可靠性。

關(guān)鍵詞：電力拖動(dòng)；電機(jī)；電控；MATLAB/Simulink

中圖分類(lèi)號(hào)：U467.14 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1005-2550（2011）02-0063-04

Study on Electronic Traction System for Truk Crash Test

Based on MATLAB/Simulink

LV Wang，ZHAO Yan

（School of Mechanical and Electronic Engineering，Wuhan University of Technology，Wuhan 430070，China）

Abstract：The basic construction and operation principle of the electric motor-towing system used for full scale truck crash test are expounded in this paper.The various design parameters and norms of the system component parts as electric motor and electronic control are elaborated herein. Through simulation and analysis of output speed and output current in the electric motor by using MATLAB/Simulink ， conclusions whether the whole system is feasible and reliable are drawn as well.

Key words： motor-towing； electronic motor； electronic control； MATLAB/Simulink

汽車(chē)碰撞試驗(yàn)是將車(chē)輛或臺(tái)車(chē)加速到一定速度后與不同障礙物進(jìn)行碰撞，從而研究車(chē)輛撞車(chē)時(shí)對(duì)乘員的傷害或貨物損壞程度，以及道路設(shè)施的安全防護(hù)性能［1］。美國(guó)、歐洲等汽車(chē)工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家，20世紀(jì)60年代初開(kāi)始汽車(chē)碰撞試驗(yàn)的研究［2］。研究的最終目的是：在交通事故發(fā)生時(shí)，最大限度地減少車(chē)內(nèi)乘車(chē)人員和車(chē)外行人的傷害。但到目前為止，還沒(méi)有針對(duì)貨車(chē)碰撞時(shí)，車(chē)上貨物和捆綁帶受力情況以及破壞程度的碰撞試驗(yàn)裝置研究。因此以貨車(chē)碰撞試驗(yàn)作為手段，開(kāi)展貨車(chē)碰撞裝置研究具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。同時(shí)，進(jìn)行貨車(chē)碰撞試驗(yàn)研究必須要有控制精度高，輸出功率大，并且安全可靠的拖動(dòng)系統(tǒng)，它是貨車(chē)碰撞試驗(yàn)的核心。可以這樣說(shuō)，拖動(dòng)系統(tǒng)的好壞直接影響貨車(chē)碰撞試驗(yàn)的成功與否。因此開(kāi)展對(duì)貨車(chē)碰撞試驗(yàn)電力牽引系統(tǒng)研究具有十分重要的理論和現(xiàn)實(shí)意義。

本文以滿(mǎn)載東風(fēng)EQIO92F19D型載重汽車(chē)為拖動(dòng)對(duì)象，從對(duì)貨車(chē)碰撞試驗(yàn)臺(tái)電力拖動(dòng)系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)和模擬仿真的角度出發(fā)，對(duì)其進(jìn)行研究。其研究成果將有利于我國(guó)包裝運(yùn)輸行業(yè)捆扎統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的制定。另外，本文研究的內(nèi)容從另一個(gè)方面來(lái)講，也是對(duì)貨車(chē)安全性的研究。因此，這將為我國(guó)的汽車(chē)被動(dòng)安全性研究及交通安全設(shè)施的開(kāi)發(fā)提供一定的技術(shù)參考。

1 電力拖動(dòng)系統(tǒng)的組成及其工作原理

電力拖動(dòng)系統(tǒng)作為貨車(chē)碰撞試驗(yàn)臺(tái)裝置的核心部分，其主要職能是使電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能（由電機(jī)完成），由電機(jī)拖動(dòng)產(chǎn)生機(jī)械運(yùn)動(dòng)牽引試驗(yàn)小車(chē)進(jìn)行加速，并實(shí)時(shí)控制電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速。其主要組成部分有：電機(jī)部分（直流電機(jī)）和電控部分（整流電路、晶閘管觸發(fā)控制裝置和調(diào)速系統(tǒng)等）。圖1為貨車(chē)碰撞試驗(yàn)裝置電力拖動(dòng)系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)。從中可以看到該控制系統(tǒng)以PLC（可編程控制器）為核心，且控制圍繞直流電機(jī)進(jìn)行，能夠進(jìn)行試驗(yàn)速度參數(shù)的數(shù)字設(shè)定，運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)的各種故障的自動(dòng)診斷顯示，自動(dòng)地完成速度給定控制、各種啟動(dòng)參數(shù)的準(zhǔn)備控制、速度自動(dòng)修正控制、減速制動(dòng)控制等試驗(yàn)過(guò)程的控制。同時(shí)PLC還管理各種必要輔助裝置（燈光照明裝置，液壓張緊裝置等）的正常工作。本文研究的主要內(nèi)容：①根據(jù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求對(duì)直流電機(jī)進(jìn)行選擇；②針對(duì)貨車(chē)碰撞試驗(yàn)臺(tái)電力拖動(dòng)系統(tǒng)的特點(diǎn)和特殊要求，完成對(duì)電力拖動(dòng)系統(tǒng)整體控制方案及電控部分各子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)；③對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真，分析驗(yàn)證結(jié)論。

圖1 拖動(dòng)系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)

1.1 直流電機(jī)選擇

與一般汽車(chē)試驗(yàn)碰撞裝置相比，主要有以下兩個(gè)方面的特點(diǎn)：

① 用途上，本試驗(yàn)裝置用于檢測(cè)貨車(chē)碰撞時(shí)貨物及捆綁帶的受力情況，并對(duì)其進(jìn)行分析研究，這在國(guó)內(nèi)尚屬首次。

② 試驗(yàn)對(duì)象上，本試驗(yàn)的拖動(dòng)對(duì)象其質(zhì)量是一般普通轎車(chē)的5倍以上，達(dá)10 t左右之重，要在100 m左右的距離內(nèi)將質(zhì)量為10 t的滿(mǎn)載貨車(chē)加速到50 km/h，這對(duì)電力拖動(dòng)系統(tǒng)的拖動(dòng)功率提出了較高的要求。

本試驗(yàn)裝置的拖動(dòng)對(duì)象為東風(fēng)EQIO92F19D型載重汽車(chē)，其各種參數(shù)如表1所示。

表1 東風(fēng)EQIO92F19D型載重汽車(chē)相關(guān)參數(shù)

由于場(chǎng)地長(zhǎng)度（125 m）的限制，要求在如此短的距離和時(shí)間內(nèi)將質(zhì)量為10 t的滿(mǎn)載貨車(chē)加速到規(guī)定速度（50 km/h），這對(duì)直流電機(jī)的性能和輸出功率提出非常高的要求。根據(jù)試驗(yàn)要求：在75 m內(nèi)，牽引小車(chē)拖動(dòng)試驗(yàn)車(chē)輛以驅(qū)動(dòng)直流電動(dòng)機(jī)提供的最大加速度加速到15 m/s。在25 m內(nèi)，牽引小車(chē)與勻速運(yùn)行的試驗(yàn)貨車(chē)脫鉤，一直運(yùn)行到100 m處。然后在之后的25 m內(nèi)制動(dòng)停車(chē)，在125 m處車(chē)速v=0 m/s。即試驗(yàn)貨車(chē)運(yùn)行的三個(gè)階段：加速階段、勻速運(yùn)行階段、減速階段的時(shí)間長(zhǎng)度分別為：10 s、1.7 s和3 s，運(yùn)行的距離分別為：75 m，25 m，25 m。因此，直流電機(jī)的總轉(zhuǎn)矩在7 700 N#8226;m左右才能滿(mǎn)足試驗(yàn)車(chē)輛的速度要求。此外，在起動(dòng)加速瞬間沖擊電流非常大，要求電機(jī)有較強(qiáng)的瞬間過(guò)載能力。綜合以上兩個(gè)方面的考慮，因此選擇型號(hào)為Z450-2A-06的直流電機(jī)，其具體參數(shù)如表2所示。

表2 Z450-2A-06電機(jī)參數(shù)

由上表可知Z450-2A-06直流電機(jī)完全能滿(mǎn)足系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求。

1.2 電控部分

針對(duì)貨車(chē)碰撞試驗(yàn)裝置對(duì)直流電機(jī)輸出轉(zhuǎn)速控制的特殊要求，需要設(shè)計(jì)一套完整的電力拖動(dòng)系統(tǒng)控制方案來(lái)控制直流電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)速及其變化情況。如圖2所示。該系統(tǒng)采用西門(mén)子57-200PLC為上位機(jī)，圍繞直流電機(jī)進(jìn)行控制，通過(guò)對(duì)電機(jī)起動(dòng)、調(diào)速、制動(dòng)精確控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)試驗(yàn)車(chē)輛速度的精確控制。同時(shí)，各種輔助裝置（包括液壓張緊裝置、燈光照明系統(tǒng)、電機(jī)制動(dòng)裝置等）的控制也由PLC完成。試驗(yàn)車(chē)輛的車(chē)速反饋由測(cè)速傳感器從鋼絲繩上取得，這樣可以減少鋼絲繩打滑對(duì)控制產(chǎn)生的影響，從而影響測(cè)速精度。試驗(yàn)車(chē)輛的加速、勻速過(guò)程由調(diào)速裝置通過(guò)控制直流電機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)，而調(diào)速裝置又由PLC控制，當(dāng)試驗(yàn)車(chē)輛運(yùn)行至碰撞位置時(shí)，牽引小車(chē)將與試驗(yàn)車(chē)輛分離，此時(shí)試驗(yàn)車(chē)輛完全依靠慣性與障礙物進(jìn)行碰撞，因此分離時(shí)的牽引車(chē)速并不能完全表征碰撞時(shí)的試驗(yàn)車(chē)輛的實(shí)際車(chē)速。基于此原因，設(shè)計(jì)了一套完全獨(dú)立于車(chē)速反饋的碰撞車(chē)速測(cè)量單元，用來(lái)測(cè)量碰撞時(shí)試驗(yàn)車(chē)輛的實(shí)際車(chē)速，并且采用速度、電流雙閉環(huán)方式來(lái)控制試驗(yàn)車(chē)輛的速度和加速度變化，此外，主電路采用不可逆晶閘管三相橋式全控整流電路［3］，為直流電機(jī)提供直流輸入電壓。

（1） 不可逆晶閘管三相橋式全控整流電路

不可逆晶閘管三相橋式全控整流電路由三相半波可控整流電路演變而來(lái)，其電路原理圖如圖3所示。它由三相半波共陰極接法（1、3、5）和三相半波共陽(yáng)極接法（2、4、6）串聯(lián)組合。任意時(shí)刻都有不同組別的兩只晶閘管同時(shí)導(dǎo)通，構(gòu)成電流通路，因此為保證電路啟動(dòng)或電流斷續(xù)后能正常導(dǎo)通，必須對(duì)不同組別應(yīng)到導(dǎo)通的一對(duì)晶閘管同時(shí)加觸發(fā)脈沖，所以觸發(fā)脈沖的寬度應(yīng)大于π/3的寬脈沖。寬脈沖觸發(fā)要求觸發(fā)功率大，易使脈沖變壓器飽和，所以可以采用脈沖列代替雙窄脈沖；每隔π/3換相一次，換相過(guò)程在共陰極組和共陽(yáng)極組輪流進(jìn)行，但只在同一組別中換相。圖3中晶閘管的導(dǎo)通順序?yàn)?—2—3—4—5—6。共陰極組1、3、5的脈沖依次相差2π/3；同一相的上下兩個(gè)橋臂，即1和4、3和6、5和2的脈沖相差π。不可逆晶閘管三相橋式全控整流電路的輸出電壓為：

Ud=2.34Ucos（1）

式中，Ud為輸出直流電壓；U為整流變壓器輸出電壓；為晶閘管導(dǎo)通觸發(fā)角。

圖3 不可逆晶閘管三相橋式全控整流電路

通過(guò)調(diào)節(jié)的值改變電機(jī)電樞電壓，實(shí)現(xiàn)對(duì)直流電機(jī)的調(diào)速。當(dāng)整流變壓器輸出電壓采用市電U=220 V，=30°時(shí)，直流輸出電壓Ud=330 V，滿(mǎn)足了直流電機(jī)額定電壓330V的要求。

（2） 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)［4］

在本碰撞試驗(yàn)中，要求試驗(yàn)車(chē)輛在75 s內(nèi)達(dá)到規(guī)定的50 km/h，并保持這一速度。這要求系統(tǒng)能快速起動(dòng)制動(dòng)、突加負(fù)載動(dòng)態(tài)速降，單閉環(huán)系統(tǒng)顯然難以滿(mǎn)足要求。因?yàn)樵趩伍]環(huán)系統(tǒng)中不能完全按照需要來(lái)控制動(dòng)態(tài)過(guò)程中的電流或轉(zhuǎn)矩。在單閉環(huán)系統(tǒng)中，只有電流截至負(fù)反饋環(huán)節(jié)是專(zhuān)門(mén)用來(lái)控制電流的，但它只是在超過(guò)臨界電流值以后，靠強(qiáng)烈的負(fù)反饋?zhàn)饔孟拗齐娏鞯臎_擊，并不能很理想地控制電流的動(dòng)態(tài)波形。實(shí)際工作中，在電機(jī)最大電流受限的條件下，充分利用電機(jī)的允許過(guò)載能力，最好是在過(guò)渡過(guò)程中始終保持電流轉(zhuǎn)矩為允許最大值，使電力拖動(dòng)系統(tǒng)盡可能用最大的加速度啟動(dòng)，到達(dá)穩(wěn)定轉(zhuǎn)速后，又讓電流立即降下來(lái)，使轉(zhuǎn)矩馬上與負(fù)載相平衡，從而轉(zhuǎn)入穩(wěn)態(tài)運(yùn)行。

實(shí)際上，由于主電路存在電感的作用，電流并不能突跳，為了實(shí)現(xiàn)在允許條件下以最快的速度啟動(dòng)，關(guān)鍵是要獲得一段能使電流保持為最大值的恒流過(guò)程，按照反饋控制原理，電流負(fù)反饋就能得到近似的恒流過(guò)程。問(wèn)題是希望在啟動(dòng)過(guò)程中只有電流負(fù)反饋，而不能讓它和轉(zhuǎn)速負(fù)反饋同時(shí)加到一個(gè)調(diào)節(jié)器的輸入端，在達(dá)到穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速后，同時(shí)又只希望讓轉(zhuǎn)速負(fù)反饋，而不需要電流負(fù)反饋發(fā)揮主作用。通過(guò)以上分析，本系統(tǒng)采用雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)。這樣就能做到在既存在轉(zhuǎn)速和電流兩種負(fù)反饋?zhàn)饔玫耐瑫r(shí)又能使它們?cè)诓煌碾A段起作用。

圖4為轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)圖，用轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出作為電流調(diào)節(jié)器的輸入，再用電流調(diào)節(jié)器的輸出去控制電力電子變換器，實(shí)現(xiàn)兩者之間的嵌套。從閉環(huán)結(jié)構(gòu)上看，轉(zhuǎn)速環(huán)在外邊，為外環(huán)，電流環(huán)在里面，為內(nèi)環(huán)。

圖4 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)

2 仿真分析與結(jié)論

由于該貨車(chē)碰撞試驗(yàn)電力拖動(dòng)系統(tǒng)對(duì)拖動(dòng)功率的特殊要求，而系統(tǒng)直流電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)速和輸出電流是衡量拖動(dòng)功率的重要參數(shù)，因此模擬仿真系統(tǒng)直流電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)速和輸出電流的大小及其變化情況對(duì)驗(yàn)證系統(tǒng)的可行性與可靠性有重要意義。利用MATLAB/Simulink對(duì)系統(tǒng)直流電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)速和電流進(jìn)行仿真［5］，結(jié)果如圖5、圖6所示。從輸出轉(zhuǎn)速和電流波形可以看到，在2 s內(nèi)直流電機(jī)空載起動(dòng)，在0.9 s時(shí)刻起動(dòng)過(guò)程結(jié)束，電樞電流下降到0 A，而轉(zhuǎn)速上升到最高值1 000 r/min，并維持1 s左右。此時(shí)，雖然轉(zhuǎn)速已經(jīng)超調(diào)，但是本試驗(yàn)系統(tǒng)為不可逆調(diào)速系統(tǒng)，晶閘管三相全橋整流裝置并不產(chǎn)生反相電流，這時(shí)的電樞電流仍然為0 A，電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩也為0 r/min，因此并不產(chǎn)生反相制動(dòng)轉(zhuǎn)矩，又因?yàn)榇藭r(shí)電動(dòng)機(jī)工作在理想空載狀態(tài)，所以電動(dòng)機(jī)能夠始終保持在高速運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)。當(dāng)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行到2 s時(shí)，施加6 000 N#8226;m的外加載荷，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速將從1 000 r/min下降到300 r/min，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器開(kāi)始退飽和，電流調(diào)節(jié)器發(fā)揮調(diào)節(jié)作用，使三相全橋整流裝置電樞電流上升，輸出電壓上升，輸出轉(zhuǎn)矩加大，電機(jī)轉(zhuǎn)速將穩(wěn)定在給定轉(zhuǎn)速770 r/min之上，完全滿(mǎn)足碰撞試驗(yàn)裝置對(duì)直流電機(jī)輸出轉(zhuǎn)速的要求。

圖5 電機(jī)時(shí)間—轉(zhuǎn)速變化曲線

圖6 電機(jī)時(shí)間—電流變化曲線

3 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了貨車(chē)碰撞試驗(yàn)臺(tái)電力拖動(dòng)系統(tǒng)整體方案，并對(duì)系統(tǒng)的電機(jī)部分、電控部分分別進(jìn)行了選擇和計(jì)算，同時(shí)在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了對(duì)直流電機(jī)輸出轉(zhuǎn)速和輸出電流分析仿真，從而驗(yàn)證本文設(shè)計(jì)的電力拖動(dòng)系統(tǒng)完全能滿(mǎn)足貨車(chē)碰撞試驗(yàn)的要求，且完全切實(shí)可行。當(dāng)然由于筆者學(xué)術(shù)水平有限，本文設(shè)計(jì)的貨車(chē)碰撞試驗(yàn)臺(tái)電力拖動(dòng)系統(tǒng)還有很多改進(jìn)和提高的地方。具體表現(xiàn)如下：

（l） 隨著傳感器技術(shù)的發(fā)展，高精度測(cè)速、測(cè)力傳感器在電機(jī)拖動(dòng)領(lǐng)域的廣泛使用，這將大大提高系統(tǒng)各項(xiàng)指標(biāo)的測(cè)量精度與實(shí)時(shí)性。

（2） 隨著嵌入式技術(shù)和數(shù)字技術(shù)的發(fā)展，驅(qū)動(dòng)電路的集成度也越來(lái)越高，貨車(chē)碰撞試驗(yàn)臺(tái)電力拖動(dòng)系統(tǒng)勢(shì)必將向著智能化、數(shù)字化、模塊化方向邁進(jìn)。

參考文獻(xiàn)：

［1］ 喬永希.汽車(chē)實(shí)車(chē)碰撞試驗(yàn)電力牽引系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)［J］.公路交通科技，1998，（15）：94~97.

［2］ 趙航，蔣濤.我國(guó)開(kāi)展汽車(chē)實(shí)車(chē)碰撞試驗(yàn)的探討［J］.世界汽車(chē)，1995，（6）：1~5.

［3］ Charles Kjngsley， Eleetrie Maehinery［M］. sixth edition Publishing House of Eleetronics Industry.2004.

［4］ 莫正康.電力電子應(yīng)用技術(shù)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005.

［5］ 洪乃剛.電子電力和電力拖動(dòng)控制系統(tǒng)的Matlab仿真［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2006.