闭式泵控马达系统反拖工况缓速制动系统设计

， (1.北京航天发射技术研究所， 北京 100076; .北京航空航天大学 自动化科学与电气工程学院， 北京 100191)

引言

闭式泵控马达静液驱动系统广泛应用于平板车、隧道管片车等重型搬运设备的驱动行走系统中，它具有良好的动力性能和控制性能，且能够实现无级调速，一直是重型工程车辆所采用的主要驱动方式[1,2]。隧道管片运输车是在盾构掘进施工后，专用于向隧道内运送管片的工程车辆，在平路与爬坡工况下，它的驱动形式与平板运输车的工作模式相同，均采用发动机带动行走泵，通过泵控马达进行调速控制[3-6]。但它不同之处在于需要面对具有一定下坡坡度的长距离隧道工况，下坡时如果不加以控制，在重力的作用下，车辆将不断加速， 传统的制动方式是在每个马达上都配有行车制动和驻车制动机构用以刹车来维持车速。但在长距离下坡时依靠不断的长时间进行刹车制动的方式来控制车速必将造成刹车片过热，易导致刹车失灵，出现事故；因此，为确保车辆下坡时仍能具有调速功能且匀速行驶，需要采用一种不操作刹车制动而进行辅助制动的方法。目前的研究成果中，有液力辅助制动[7]、电涡流辅助制动、发动机制动等[8]，液力辅助制动是重型载货车以及中大型客车采用非常广泛的一种辅助制动方式。这些制动方式，受安装结构和安全性因素的影响有些不适于应用在隧道管片车的驱动系统中，如液力辅助制动、电涡流制动等；而采用发动机制动虽然其可以提供一定的制动力[9,10]，但其制动力有限，且存在制动力不能加以控制等缺陷。因此，结合闭式静液驱动系统的特性，本研究设计了一种液压缓速制动系统来平衡下坡时车辆重力分量对马达施加的扭矩，使车辆在下坡工况下，其驱动轮上的马达处于转矩平衡状态，进而实现车辆匀速行驶的目的。同时通过调节缓速制动力可以在下坡状态下对车辆进行调速，实现稳速控制。通过搭建最小系统实验台，并进行调速控制验证了所设计的缓速制动系统的有效性和适用性。所设计的缓速制动装置应用于隧道管片运输车中，能极大地提高车辆下坡时的安全性与稳定性。

1 隧道管片车缓速制动系统原理

当车辆行驶于平路或爬坡工况时，闭式液压系统的能量来自于发动机，经分动箱、行走泵、马达、减速机后最终传递至车轮。在下坡工况下，通常发动机处于怠速状态，发动机输出的功率只需能满足悬挂液压系统、转向液压系统及发电机等的工作即可，车辆下坡行驶的能量来自于重力势能，通过车轮经马达、行走泵、分动箱最终传递至发动机。这种情况称为反拖工况，这是闭式液压行走系统的特点。此时，马达工作于泵工况下，行走泵工作于马达工况下，闭式系统液压回路关系简图如图1所示。

图1 闭式液压系统回路

当车辆工作于平地或上坡工况时，设定流量QL方向如图1中箭头所示为正方向，泵进油口压力pB小于排油口压力pA；当工作于下坡工况时，车轮受车辆下坡时的下滑力作用，成为驱动元件驱动马达转动，此时马达工作于泵工况，泵工作于马达工况，此时系统流量的方向仍为正向，但泵进油口压力大于排油口压力，二者关系关系式如式(1)所示：

(1)

因此，在下坡情况下，行走泵必然会反拖发动机，使发动机成为耗能部件，但发动机所能提供的阻力矩有限，不能满足重载车辆的缓速制动要求，此时若不用马达上带的刹车系统进行制动，则可以设计一套电液缓速制动系统嵌入到原来的闭式液压行走系统中，如图2所示。其工作原理是：将行走泵与缓速泵同轴串联在一起(采用通轴串联的形式)，在下坡工况下，行走泵工作于马达工况，此时它将带动位于同一根轴上的缓速泵转动，缓速制动系统是开式系统，在缓速泵后接入1个电液比例溢流阀，通过调节比例溢流阀的压力，当驱动缓速泵所需要的转矩与行走泵输出的转矩相同时，即使得整个车辆的下滑力与缓速液压系统提供的阻力相同，从而达到力平衡。当需要调整马达速度时，由于在固定坡度下下滑力对马达产生的扭矩是基本恒定的，可以通过改变缓速系统的压力从而改变系统的阻力使力平衡关系发生变化，也就是使系统具有一定的加速度，通过调整作用在马达上的加速度就可以实现对马达的调速控制。

图2 带有液压缓速制动系统的闭式液压系统回路

这种液压制动方式使重力势能通过液压系统转化液压油的热能，必然导致液压系统的油温快速升高，油温的迅速上升会严重影响液压元件的工作性能，降低车辆的安全性。因此还需要设计一套散热装置，使缓速系统液压油进入油箱之前，先通过散热器散热，使系统达到热平衡，缓速系统上需要配置风冷散热器。对于散热风扇的选取，需根据所需要的散热功率，同时考虑到过大散热器会占用较多的车体空间，所以需要考虑选取合适大小的散热器。

2 液压缓速制动控制系统设计

液压缓速制动控制系统的目标是在车辆处于下坡工况状态时，通过调节缓速系统的电液比例溢流阀，来改变缓速系统的压力，该压力由于缓速泵和行走泵的通轴串联连接方式从而通过扭矩传递给行走泵，因为下坡时马达工作于泵工况，泵工作于马达工况，缓速泵产生的扭矩实际上成为闭式液压系统的负载，当马达匀速转动时，该负载是一个恒定值，即缓速系统的压力是恒定的；当马达需要改变速度时，可以相应的调节负载的大小，改变施加于马达轴上的转矩平衡关系，产生加速度或减速度使马达加速或减速；车辆在下坡时的速度调节仍采用调节驱动泵排量的容积调速方式，在到达期望车速后的稳速控制则通过实时调节缓速系统压力实现对车辆的持续制动和驱动轮马达的稳速控制。研究持续制动方式与稳速控制策略可以在发动机与行走泵脱开的情况下考察持续稳速控制的效果。

基于此原理，根据隧道管片运输车的静液驱动系统结构，构建液压缓速制动最小实验系统。在模拟下坡工况时，采用电动机对马达进行加载，使电动机工作在转矩控制模式，电动机输出一个恒定的转矩TG来反拖马达，这里考虑车轮上受到恒定的滚动摩擦阻力矩是恒定的。缓速控制系统结构如图3所示。

图3 缓速控制实验系统结构图

单个行走液压马达转矩平衡方程为：

(2)

式中，Jm为马达和负载的总转动惯量；Bm为黏性阻尼系数；ωm为马达的转速；TG为外负载转矩；Dm为马达排量。

在坡度一定的工况下，车辆所受下滑力是车体的重力沿坡道方向的分量，在所有车轮均为驱动轮时，可以认为总下滑力均分到每个驱动轮上，且每个驱动轮上受到的滚动摩擦阻力Fr是相同的，因此，下滑力对马达产生的下滑转矩可由公式(3)表示：

(3)

(4)

式中，N为驱动轮的数目；Fr为摩擦阻力；r为车轮半径；m为车体的总质量；θ为坡道的倾斜角度；μ为地面滚动阻力系数。

由于行走泵和缓速泵串联在同一驱动轴上，两个泵的转速是相同的，可以共用ωp表示，因此行走泵和缓速泵的转矩平衡方程可以表示为：

(5)

式中，pb为缓速制动系统压力；Jpb=Jp+Jb，Jp和Jb分别为行走泵和缓速泵的转动惯量；Bpb=Bp+Bb，Bp和Bb分别为行走泵和缓速泵的黏性阻尼系数；Dp和Db分别为行走泵和缓速泵的排量。

对于闭式泵控马达驱动系统，在反拖工况下系统的流量平衡方程可以表示为：

(6)

式中，Ct为泄漏系数；Vt为一个腔室的容积；βe为有效体积弹性模量。

由公式(2)、(5)、(6)，可以得到：

(7)

a2=(BpbVtJm+JpbVtBm)/βe+JpbCtJm

对于比例溢流阀，在不考虑阀本身所存在的滞环等因素时，其输出压力pb与驱动电流I成正比，对应的比例放大器将输入的控制电压u转化为驱动电流I，因此有：

pb=KrI=KrKau

(8)

式中，Kr、Ka为溢流阀与比例放大器的增益系数。

由以上公式，马达的速度函数可表示为：

(9)

反拖工况下缓速控制系统传递函数控制图如图4所示，Ks为速度传感器的增益系数。

图4 液压缓速制动控制系统图

为了使电机反拖马达时马达能够匀速运行，需要调节缓速压力，使反拖力矩与缓速液压系统作用到行走马达轴上的阻力矩相同，即通过控制作用在马达轴上的加速度a来控制调节车速。由动力学知识可知，当a=0时，车辆进入匀速前进状态；当a<0时，车辆进入减速状态；当a>0时，车辆进入加速状态。因此对比例溢流阀的调节是一个反向过程，即提高速度时需要将溢流阀的调节压力减小，反之则需要增大。

控制时为了防止速度变化过快，在控制输出时进行一定的限制，防止加速度的值过大。对速度的控制是通过改变加速度来改变马达转速，在马达转速达到期望值时加速度回归为零，因此只要存在加速度，马达的速度就会变化，加速度是衡量速度变化快慢的，所以过大的加速度会造成速度突变，情况严重时会导致管片车上搬运的管片因惯性出现掉落事故，这对于搬运管片的运输车辆是不允许的，所以速度的变化要平稳，不能出现大幅度波动。

3 缓速制动控制系统实验台设计

缓速制动系统实验台分为液压行走系统，液压缓速系统，加载系统，电控系统以及计算机监控系统，液压行走系统由闭式泵控马达组成；缓速系统由定量泵、电液比例溢流阀等组成；加载系统由交流变频电机、变频器、减速机、联轴器组成，电机工作于恒转矩工作状态，目的是给马达提供一个反拖力矩，模拟出车辆在下坡时由重力产生的下滑力对马达形成的扭矩；电控部分由PLC控制器、比例放大器、传感器等组成，采集系统的压力、速度、温度信号等，并对泵、马达、比例溢流阀等进行控制；上位机监控整个系统，并采集整个实验过程的测试数据，实现远程操控。

在下坡时，通常发动机处于某一低速状态下，其提供的功率仅维持发电机发电为车辆其他系统供电并且驱动转向及悬挂系统即可。当车辆到达期望车速后的通过实时调节缓速系统压力实现对车辆在下坡工况下的持续制动和对驱动轮马达进行稳速调速控制，下坡时路面的不平整等因素也会造成车速产生变化，因此对马达的稳速控制非常重要。在下坡工况时可将发动机与泵脱开，考察单独利用所设计的液压缓速系统对马达进行稳速控制的性能。

液压缓速制动实验系统如图5所示。液压缓速制动系统由闭式泵控马达液压系统、液压缓速系统、散热系统组成；这里将闭式系统的行走泵和补油泵统一由图中符号1表示，在缓速液压系统的比例溢流阀前和闭式泵的A、B出口上各安装一个压力传感器，以实时监测系统的压力情况，这样，只要通过判断A、B口压差的正负值情况就可以判定系统工作在泵控马达工况还是马达反拖泵工况。电控系统以PLC为控制核心，通过工业以太网(Profinet)与上位机通讯，上位机以WinCC为平台开发监控程序，实现实验过程中对系统各部分状态的监控。

1.行走泵+补油泵 2.缓速泵 3.冲洗阀 4.马达 5.速度传感器 6.比例放大器 7.压力传感器 8.电液比例溢流阀 9.温度传感器 10.轴向柱塞泵 11.电磁换向阀 12.风冷散热器

4 仿真与实验结果与分析

根据第2节中的马达、泵的转矩平衡方程，建立系统的数学模型进行仿真，然后在所搭建的液压缓速控制系统实验台上进行实际控制实验，验证所设计的液压缓速系统的有效性和控制策略的有效性。实验的主要目的是检测电液缓速系统稳速控制的有效性。通常情况下，泵排量比较小时，液压系统效率较低，当泵排量比超过50%时，液压系统效率较高，实验和仿真中均采用行走泵的排量开启比在60%的情况下进行。

4.1 速度控制系统仿真

根据第2节所建立的缓速系统数学模型，在MATLAB/Simulink下进行下坡时的速度闭环仿真，设定行走泵排量为全排量的60%，将马达排量调至全排，设定马达的期望转速为29.84 r/min；选取系统中参数为Jm=6.299 kg·m2，Bm=0.52 N·m·s·rad-1，Db=130 mL/r，Dp=0～125 mL/r，Dm=1259 mL/r。

给系统施加一个阶跃转速信号，设定仿真时间120 s，经仿真，马达的速度响应曲线如图6所示。

图6 在MATLAB/Simulink下的马达速度响应曲线

从图4中可以看出，马达速度到达稳态值的时间为20.5 s，进入稳定状态后，稳态误差为0.2%，通过调节缓速系统压力，能够达到稳定调节马达速度的目标，调速系统运行平稳。

4.2 缓速控制系统实验

根据液压缓速系统原理，搭建了缓速液压控制系统实验平台，此平台可兼顾实现车辆的下坡、平路、上坡的实验，所搭建的液压缓速控制系统实验台如图7所示，为了实现液压缓速控制，选取行走泵与缓速泵能够通轴串联安装的方式，这种选取方式能够使转矩在同轴上直接被缓速系统平衡，且便于在车辆上安装，如图8所示。

变量泵采用A4VG125EP闭式变量泵，排量为0～125 mL/r可调；马达为FMS1V-2轮边马达，该马达具有全排量和半排量两种排量模式，全排量为1259 mL/r，半排量为629.5 mL/r； 比例溢流阀采用ERVD-10型螺纹插装式电比例溢流阀，压力范围0～350 bar；电动机采用30 kW的6级交流电机，其额定转速为980 r/min；变频器为G7系列45 kW变频器；控制部分采用S7-1200PLC系列控制器，并配有模拟量输入输出模块，对比例变量泵和比例溢流阀的驱动采用RT-MSPD1型电液比例驱动器。

1.发动机 2.电动机+减速机+联轴器+马达 3.电控柜(系统) 4.比例溢流阀 5.风冷散热器 6.油箱

1.缓速泵 2.行走泵 3.压力传感器 4.比例溢流阀

实验时，将变频器工作模式设定为无PG(编码器)的矢量2控制模式，使电机按输入的信号输出对应的转矩量大小。

同样设定马达的目标转速为29.84 r/min，设定电动机工作于恒转矩控制模式，输出转矩经电动机和减速机环节后作用于马达上为2457 N·m，取PID参数为Kp=2.5，Ki=0.15，Kd=0；马达设定为全排量，行走泵排量为其最大排量的60%进行实验。截取从实验开始时的20 min的实验测试数据绘制曲线，马达转速曲线如图9所示，可以看到，在进行了输出控制量的限幅之后，马达的速度启动较为平稳，并能保持匀速运行，稳态误差在±4%之内，能够满足车辆行驶时对匀速行驶的要求。

实验测得经比例溢流阀控制调节后，缓速液压系统油路上的压力如图10所示，缓速系统压力逐渐趋于稳定。但随着实验时间变长， 压力会有一定的漂移上升，分析原因，压力的漂移上升与机械效率和油温的升高有关， 元件的温度升高使机械元件之间的摩擦力降低，使马达内部各元件在转动时的摩擦阻力矩变小；油温升高使液压油变稀，黏度降低，这使得油液雷诺数Re变大，造成液压油在管道内的沿程阻力系数λ下降，使得来自油液的阻力也变小； 因此缓速液压系统需要提高压力来补偿摩擦阻力和油液在管道内流动阻力的减少，维持转矩平衡使马达保持匀速运行状态。因此在车辆在下坡时进入缓速制动工作状态时，散热风扇要及时开启，确保对液压系统进行充足的散热，在设计时要根据实际液压系统的状况选择散热功率能满足要求的散热器。

图9 马达速度曲线

图10 行走系统压差和缓速系统压力输出曲线

在实验时，通过压力传感器测量行走泵的A、B口的压力值，然后计算出泵A、B口压差Δp，得到作用于行走马达上的行走系统的压力，可以看出在进行反拖工况，即模拟下坡状态时，行走系统压差为负值，说明此时马达工作于泵工况，泵工作于马达工况。在马达进入匀速运转状态，行走系统的压差稳定在-12～-12.45 MPa 之间。

图11是经实验系统中安装在比例溢流阀后的温度传感器测得的液压油温度，可以看出，在实验过程中液压系统油温是上升的，由于通过散热器进行散热，温升逐渐趋缓，只要散热器的功率足够，最终会达到热平衡，确保系统能够稳定长时间运转。

图11 实验中液压油温度变化曲线

5 结论

(1) 采用定量泵串接电液比例溢流阀的液压系统设计形式可以实现在马达反拖情况下对闭式液压系统的缓速制动，这种性能可以用于隧道管片车在长距离下坡时不踩刹车而进行缓速制动，避免了长时间踩刹车造成刹车片过热带来的安全隐患。该方法所需元件机构较少，易于在车辆上配置实现。

(2) 通过仿真分析和实验验证，证明通过控制所设计的缓速液压控制系统来实现马达速度的稳速控制是有效的、可行的，进一步可以应用在隧道管片运输车上进行下坡时车辆的缓速控制，实现车辆在匀速状态下进行下坡行驶。

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