新的貨車碰撞試驗臺電力拖動系統控制方法研究與應用

陳錫文 曾紅彪

1.湖南省汽車技師學院電氣系 湖南省邵陽市 422001 2.中南大學輕合金研究院 湖南省長沙市 410083

1 引言

貨車碰撞試驗裝置將車輛或被碰撞模型在規定的時間內達到規定的速度，由場地系統、電力拖動系統、高速攝像設備和牽引系統組成。

2 智能電力拖動系統組成

電動機拖動使電能轉換為機械能，其機械運動過程被稱作電力拖動，電力拖動系統的功能是將電能轉化為機械能，拖動控制系統可以實時控制電機輸出的轉矩和轉速。智能電力拖動系統是貨車實驗平臺的重要組成部分，包括滯留電機、整流、速度控制、晶閥管觸發控制裝置。

3 電力拖動系統動力分析模型

控制系統設計和現實中使用動力學原理對實驗平臺進行分析，動力模型的研究是電力拖動系統的重要技術環節，好的電力拖動動力模型為貨車碰撞實驗平臺建設指明了方向，系統由直流電動機、傳動機械和試驗車輛構成，模型如1 式所示。

圖1 智能電力拖動系統結構

其中，為電力拖動系統電機的轉矩，M為第L 次電機轉動扭矩，拖動試驗臺機械傳動部件和電機轉子的轉動慣量構成電力拖動系統動力旋轉運動部分飛輪矩的代數和，直線運動的飛輪矩滿足動量守恒定律，被測車輛和牽引鋼絲繩作直線運動，其質量折算為等值飛輪矩。

3.1 系統設計

本文以湖南省汽車技師學院智慧校園電氣自動化專業仿真系統之貨車試驗碰撞試驗裝置的建設為背景，以滿載的東風重型貨車為拖動對象，分三種情況：（1）貨車自重4.312T，設計滿載5T；（2）貨車重4.312 噸，超載到10T；（3）貨車重4.312T，超載重為20T。設計貨車碰撞試驗的電力拖動系統滿足公式所示的規律，系統滿足碰撞速度需求。

3.2 試驗拖動對象的選擇

該款汽車型號為EQ1092F19D，該車在交通運輸中應用廣泛，對其進行碰撞試驗具有一定的代表性，東風EQ1092F19D貨車的基本載重質量為5T，整備質量為4.312T，整車長度為6910mm，寬度2479mm，高度為2475mm，滿載質量為9.312T。在試驗過程中貨車滿載5T 以50Km/h 的速度與剛性壁碰撞，檢測碰撞的速度、加速度要求牽引力為16.5T。

本文所設計的碰撞試驗用途相對特殊，用于檢測貨物在碰撞過程受損情況的同時要求分析貨車碰撞后汽車受損情況和駕乘人員受傷預測，在100m 的距離內加速到50Km/h，電力拖動系統要求提供的拉力是轎車碰撞試驗的5 到10 倍，所以試驗過程中對電力拖動系統的要求相對較高。模擬試驗過程中在80 米內，牽引的電機帶動貨車最大加速度為16.1m/s 和23m/s 兩種情況，如果拖動電機在50Km/h 的速度情況下脫鉤，在20m 內開始制動，直到貨車停下。

3.3 拖動電機的平衡計算

本試驗過程中電力拖動系統的轉矩平衡方程滿足2 式約束：

其中， T是拖動電機產生的轉矩， T是靜態扭矩， T是拖動電機的動態扭矩，是電力拖動系統中的鋼索和空氣阻力的經驗值（理想情況為真空情況，值為零），拖動電機總是與軸上的負載轉矩和動態轉矩平衡。

3.3.1 靜態轉矩計算

靜態轉矩是貨車在穩定狀態運行的情況,電力拖動電機牽引貨車需要的轉動力矩，牽引用于克服各種阻力，其阻力包括車輪的滾動阻力和空氣阻力（風阻）。車輛正常行駛時，滾動阻力為主，風阻為輔，試驗的靜態轉矩如3 式所示。

3.3.2 動態轉矩計算

設計4 式所示的拖動主電機的轉矩為：

其中表示在進行碰撞試驗過程中電力拖動的加速度，為拖動電機帶動卷揚機滾筒的直徑，根據公式5 可以計算得到碰撞試驗中電力拖動系統的轉動動態扭矩為3050 牛頓·米，拖動電機總的動態轉矩為6910N·M。

3.3.3 拖動主電機的選擇

貨車碰撞試驗中電力拖動主電機的型號為Z450-2A-06，該電機的額定電壓為380V，額定電流為15.23A，額定轉速為761RPM，最大的轉速為1500RPM，最大功率為46.6kW，磁力功率為6.5kW，電機的效率為91.6%，轉動慣量為45.4KG·M，電樞回路的壓降：16.7 伏，電樞回路電感：0.14，通風量：2.7 立方米/ 秒，通風壓強：1950Pa。

3.4 試驗裝置控制系統設計

本文電力拖動控制系統采用S7-200PLC 上位機，對電機進行啟動、調速、控制及其輔助裝置的控制，使用具有限制振幅輸出的PI 調解器電路串聯，實現對拖動主電機進行電流、轉速進行雙閉環調速。

3.4.1 碰撞試驗電力拖動系統控制設計

電力拖動系統的設計建立在總體方案和試驗要求的基礎上，控制主要對象是電力拖動主電機，調速裝置可以受到可編程控制器（PLC），同時PLC 可以管理液壓裝置、照明系統、電機制動裝置、制動系統等。車速的提取通過鋼索速度傳感器，避免鋼絲繩索打滑控制產生影響，被測車輛加速、穩速是通過調速裝置控制實現。本文提出了45Kw 直流電機為控制對象，西門子S7-200PLC 可編程控制器為上位機，速度、雙閉環直流控制速度控制方案，碰撞試驗臺電力拖動控制體系如圖2 所示。

圖2 碰撞試驗臺電力拖動控制體系

3.4.2 PLC 控制單元設計

可編程控制器以微處理器為基礎，綜合了計算機技術、信息技術、自動化技術、半導體集成技術、數字通信技術完成電氣設備控制功能，用PLC 控制彈丸替代繼電器進行邏輯控制，本文設計的PLC 控制單元由基本控制單元、可編程控制單元和通信設備組成，本文電力拖動系統控制單元采用德國西門子公司的S7-200 系列PLC可編程設備，該款具有設備體積小、功能比較強大、性價比高、操作便捷快速和接口豐富的特點，電力拖動控制過程中可以根據需要選擇合適的CPU 和擴展模塊實現自動化控制功能，特別是擴展模塊可以擴充控制子系統的功能，比如智能化控制。

圖3 拖動系統PLC 控制單元結構

4 系統仿真分析

仿真直流電機直接啟動時，選擇330V理想直流電壓作為拖動電機的主要供電，負載輸出的反饋空載起動比例為0，仿真時間為1.5S 和9S 電機輸出轉速、電樞電流、勵磁和轉矩等信息。當負載為0 時，電機的轉速保持時間為0.1S，也就是說沒有一個時間片（0.1 秒）之間的轉速是一樣的，電樞的電流從300A 下降為0。

圖4 新的拖動系統雙閉環負載分析

空載2S，設備開始負載6000N.m，轉速電機很短時間內運轉很定，電流基本保持在正常水平，控制系統追加電流，控制主電機的轉速，轉速維持在最高狀態，運行到第8 秒時負載突然脫落，此時回歸負載為零的情況，ASR 開始飽和，電流環發揮調節作用，裝置輸出電壓降低，電流降低，輸出轉矩開始減少，轉速進入空載穩定狀態，空載到滿載再到空載的仿真如圖5所示。

圖5 電力拖動系統主電機轉速控制仿真

5 總結

本文提出了新的貨車碰撞試驗臺電力拖動系統的控制模型，并且對新設計的模型進行了仿真分析，給出了控制模塊對主電機進行控制的仿真結果。對電機轉速、電機電樞電流、轉矩的變化進行了分析和說明，特別是進行了空載到滿載到空載的轉速仿真分析，證明了控制模塊能夠根據負載對主電機進行實時控制，保證主電機的轉速穩定，結果證明本文設計的電力拖動系統控制方法是高效可行的。