一种矿用六驱框架式蓄电池车转矩动态分配算法的制作方法

1.本发明属于矿用车辆行走控制技术领域，具体涉及一种矿用六驱框架式蓄电池车转矩动态分配算法。


背景技术：

2.煤矿井下框架式蓄电池车承担着重型设备或液压支架的搬运、回撤等工作。以往此类车辆的电驱系统较为简单，多采用单电机驱动整车或双电机驱动前后桥的方式，通常采用油门踏板开度与电机转矩输出直接线性关联，其控制策略也较为简单，各个行走电机的转矩给定往往相同而不做分配，仅能满足基本的车辆行走，导致行驶过程中个别电机转矩输出过大而发生滑移，或者部分电机转矩偏小而被整车拖行，不仅会增加无功功耗，降低整车续航，同时也难以满足对车辆行走的精准控制。


技术实现要素：

3.本发明为了解决现有技术中存在的上述至少一个技术问题，提供了一种矿用六驱框架式蓄电池车转矩动态分配算法。
4.本发明采用如下的技术方案实现：一种矿用六驱框架式蓄电池车转矩动态分配算法，包括以下步骤，
5.s1：实时采集六轮电机的转速数据，结合电机外特性曲线，生成对六轮电机的输出转矩的约束；
6.s2：实时采集车辆的转向角数据、整车载荷数据，结合轮胎力耦合特性、车辆机械结构参数生成六轮的实时负载压力；
7.s3：实时采集油门踏板信号，结合路面摩擦系数、六轮的实时负载压力生成六轮的实时牵引力；
8.s4：根据六轮的实时牵引力，结合轮胎减速器的减速比、路面摩擦系数生成六轮的实时输出转矩，整车控制器将六轮的实时输出转矩指令输出至各执行机构，实现对六轮转矩的动态分配。
9.优选地，步骤s1中，根据电机外特性曲线，对电机输出转矩进行约束，得到电机转速反馈和转矩给定的公式如下：
[0010][0011]
其中，tmax为电机峰值转矩，to为电机转矩输出，tn为电机额定转矩，tmi n为电机最高转速扭矩，tpmin为恒功率最高转速扭矩，n为电机转速，nn为电机额定转速，np为电机恒功率最高转速，nmax为电机最高转速。
[0012]
优选地，步骤s2中，六轮的实时负载压力的计算公式如下：
[0013][0014][0015][0016]
其中，f1为左前轮负载压力，f2为右前轮负载压力，f3为任一中后轮负载压力，β为转向角，fv为整车空载重力，fc为整车所载货物重力，b1为铰接点到后轮中心距离，b2为前机架重心到铰接点的距离，b3为后机架重心到后四轮中心的距离，b8为铲板长度，βmax为车辆能够实现的最大转向角，ff是前机架重量。
[0017]
优选地，步骤s3中，六轮的实时牵引力的计算公式如下：
[0018]
fa＝k*f1*μ
[0019]
fb＝k*f2*μ
[0020]fcd
＝2*k*f3*μ-f
ef
[0021]fef
＝k*f3*μ*(1+1.07*k*μ)
[0022]
其中，fa为左前轮牵引力，fb为右前轮牵引力，f
cd
为中间轮的牵引力，f
ef
为后轮的牵引力，k为油门踏板开度(0～1)，μ为路面摩擦系数，i为轮胎减速器的减速比。
[0023]
优选地，极限工况下，后两轮输出牵引力达到最大，中间两轮仍有余量，可补充输出更大牵引力，此时中间轮的牵引力的计算公式如下：
[0024][0025]
优选地，步骤s4中，六轮的实时输出转矩公式如下：
[0026][0027][0028][0029][0030]
其中，ta为左前轮输出转矩，tb为右前轮输出转矩，t
cd
为中间轮的输出转矩，t
ef
为后轮的输出转矩。
[0031]
优选地，车控制器连接有信号转换器和电机控制器，信号转换器用于将接收到的油门踏板开度信号、整车转向角信号、整车载荷信号换算后传输至整车控制器，路面摩擦系数、轮胎减速器的减速比存储于整车控制器中，六轮电机的转速信号经编码器或旋转变压器采集后传输至电机控制器，电机控制器再传输至整车控制器，整车控制器将最终计算得到的六轮实时输出转矩指令传输至电机控制器，电机控制器控制六轮电机分别输出经分配后的转矩，整车控制器、信号转换器和电机控制器均经dc/dc电源供电。
[0032]
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
[0033]
本发明对车辆的六个电动轮均进行了动力学分析，在保证车辆稳定性(最佳滑移率)的前提下，减少发生滑移和拖拽的情况，实现了矿用六驱框架式蓄电池车转矩动态分配功能，更加合理地分配六驱动能，减少无功损耗，提高了矿用六驱框架式蓄电池车的续航和操纵性。
[0034]
本发明构建了六驱轮边转矩分配效率模型，在复杂路面行驶工况下实现了驱动防滑控制。在满载甚至超载的极限情况下，仍能通过中间轮的补充转矩，保证车辆行走作业，同时兼顾车辆的纵向行驶稳定性。
附图说明
[0035]
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0036]
图1是本发明的车辆启动至转矩输出的流程示意图；
[0037]
图2是本发明的控制硬件示意图；
[0038]
图3是本发明的电机转矩约束曲线图；
[0039]
图4本发明的矿用六驱框架式蓄电池车电驱系统的结构示意图。
具体实施方式
[0040]
结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚，完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明的实施例，本领域的普通技术人员在没有做出创造性地劳动的前提下所得到的所有其他实施方式，都属于本发明所保护的范围。
[0041]
须知，本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内，需要说明的是，在本说明书中，诸如第一和第二之类的关系术语仅仅用来将一个实体与另外几个实体区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体之间存在任何这种实际的关系或者顺序。
[0042]
本发明提供了一种实施例：
[0043]
一种矿用六驱框架式蓄电池车转矩动态分配算法，包括以下步骤，
[0044]
s1：实时采集六轮电机的转速数据，结合电机外特性曲线，生成对六轮电机的输出转矩的约束；
[0045]
s2：实时采集车辆的转向角数据、整车载荷数据，结合轮胎力耦合特性、车辆机械结构参数生成六轮的实时负载压力；
[0046]
s3：实时采集油门踏板信号，结合路面摩擦系数、六轮的实时负载压力生成六轮的实时牵引力；
[0047]
s4：根据六轮的实时牵引力，结合轮胎减速器的减速比、路面摩擦系数生成六轮的
实时输出转矩，整车控制器将六轮的实时输出转矩指令输出至各执行机构，实现对六轮转矩的动态分配。
[0048]
步骤s1中，电机外特性曲线通常包括恒转矩段、恒功率段和高速段。在0～nn转速段，属于电机恒转矩段，或低速大扭矩阶段，主要用于重载起动和满载爬坡，电机的输出最大转矩通常能达到额定转矩的2～5倍，能充分发挥驱动系统的转矩过载能力。在nn～np转速段，属于恒功率阶段，车辆工作的大部分时间处于此阶段，主要用来满载平路行驶，拟定最大功率限制为额定功率，根据负载情况，调整电机转速，充分发挥牵引系统的功率，实现牵引功率的无差控制，实现高速牵引。在np～nmax转速段，属于行走高速阶段，可用来空载行驶，充分利用驱动系统的高速特性，负载扭矩减小，电机转速升高，车辆速度加快。超过最大值nmax后电机保护，防止车辆超速。
[0049]
如图3所示，根据电机外特性曲线，对电机输出转矩进行约束，采用最小二乘法，得到电机转速反馈和输出转矩的一条近似拟合曲线，用于约束各个行走电机的输出转矩的公式如下：
[0050][0051]
其中，tmax为电机峰值转矩，to为电机转矩输出，tn为电机额定转矩，tmin为电机最高转速扭矩，tpmin为恒功率最高转速扭矩，n为电机转速，nn为电机额定转速，np为电机恒功率最高转速，nmax为电机最高转速。
[0052]
当n《nn时，为电机工作的恒转矩段，此时随着电机转速上升，电机输出转矩能保持在峰值转矩，通常用于重载起动和满载爬坡，车辆发挥低速大扭矩特性；当nn≤n≤n
p
时，进入电机工作的恒功率段，随着电机转速继续上升，电机的输出转矩开始下降，输出功率保持恒定，车辆进入稳定行驶作业阶段。当n
p
《n《n
max
时，电机输出转矩和输出功率均开始下降，直到电机最高转速，适用于车辆的空载快速行驶阶段。当速度超过电机最高转速后，电机超速保护。
[0053]
需要说明的是，在步骤s1中，转速采样元件为六个编码器或旋转变压器或其它类型的电机转速测量器件，安装于电机内部，对电机转速进行同步采样，并将采集到的六轮电机转速发送给各自的电机控制器，最终传送给整车控制器。
[0054]
步骤s2中，六轮的实时负载压力的主要影响因子包含：整车负载，包括空车重量和外部负载。本发明所适用的六驱蓄电池框架车，其蓄电池位于前机架，外部负载位于后机架，因此增加负载时，前两轮受力变化较小，后四轮受力变化较大，因此可以视为前两轮的负载压力之和基本保持不变，外部载荷主要施加于车辆后四轮。转向角，当车辆左转时，左边轮胎受力增加，右边轮胎受力减小；反之，当车辆右转时，右边轮胎受力增加，左边轮胎受力减小。具体的，六轮的实时负载压力的计算公式如下：
[0055]
[0056][0057][0058]
其中，f1为左前轮负载压力，f2为右前轮负载压力，f3为任一中后轮负载压力，β为转向角，fv为整车空载重力，fc为整车所载货物重力，b1为铰接点到后轮中心距离，b2为前机架重心到铰接点的距离，b3为后机架重心到后四轮中心的距离，b8为铲板长度，βmax为车辆能够实现的最大转向角，ff是前机架重量。
[0059]
步骤s2中，整车负载通过压力传感器进行测量，路面状况通过加速度传感器进行估算，转向角可以通过倾角传感器或位移传感器或其它角度测量设备进行计算，其它质量、长度等参数均为车辆固定属性，可根据具体车型进行实际测量。
[0060]
步骤s3中，根据轮胎受力动态效率矩阵，建立考虑不同工况的转矩分配加权最小二乘优化函数，结合输出转矩的约束范围进行求解，得到转矩分配结果。可以理解的是，六驱蓄电池驱动车辆，在空载行驶时，车辆重心靠近前轮，因此整车主要由前两轮驱动，后四轮只提供较小的转矩；而在满载时，车辆重心更靠近后轮，后四轮将提供更大的牵引力，六轮的实时牵引力的计算公式如下：
[0061]
fa＝k*f1*μ
[0062]
fb＝k*f2*μ
[0063]fcd
＝2*k*f3*μ-f
ef
[0064]fef
＝k*f3*μ*(1+1.07*k*μ)
[0065]
其中，fa为左前轮牵引力，fb为右前轮牵引力，f
cd
为中间轮的牵引力，f
ef
为后轮的牵引力，k为油门踏板开度(0～1)，μ为路面摩擦系数，i为轮胎减速器的减速比。
[0066]
极限工况下(随着外部负载的增加，中间两轮和后两轮的负载压力增加，后两轮负载压力更大，后两轮输出牵引力达到最大，当后两轮电机输出达到最大时，中间两轮仍有余量，开始补充输出更大转矩)，此时中间轮的牵引力的计算公式如下：
[0067][0068]
步骤s4中，可以理解的是，根据六轮牵引力即可得到各自转矩输出，转矩分配比发生变化，实现六驱转矩的动态分配，公式如下：
[0069][0070][0071][0072][0073]
其中，ta为左前轮输出转矩，tb为右前轮输出转矩，t
cd
为中间轮的输出转矩，t
ef
为后轮的输出转矩。
[0074]
本发明所应用的车辆所使用的路面较为固定，通常为煤矿井下的沙石煤层路面，摩擦系数较为固定，通常变化不大，接近于干燥沥青路面，因此摩擦系数可近似取0.6；受踏板机械结构限制，踏板开度通常物理上形成一个角度范围，踏板开度通常也会产生相应的电信号，比如电压信号、电流信号或其它通讯信号，可通过数学换算或信号处理，将油门踏板开度转换为具体的数值范围，比如0～1，电机的输出转矩随驾驶员踏板深度而增大，同时增加的还有电机的转矩最高速度限制；减速比为电机和其减速机构的转速比，现在的绝大多数车辆的行走电机和轮胎之间均通过减速器或其它形式的减速机构连接，不排除个别类型车辆采用电机直驱，不含减速机构，这种情况下i＝1，不影响本发明的应用。
[0075]
六驱动态转矩分配基本遵循这样的规律：车辆空载时，整车重心靠前，前两轮输出更大的转矩，后四轮输出较小的转矩；重载时，后两轮输出较大转矩，中间两轮输出较小转矩，当后两轮电机输出达到最大时，中间两轮增加补充转矩。通过对六台行走电机进行转矩分配，使整车始终保持在最佳滑移率下行走。电机的输出转矩随驾驶员踏板深度而增大，同时增加的还有电机的转矩模式最高速度上限。
[0076]
整车控制器连接有信号转换器和电机控制器，信号转换器用于将接收到的油门踏板开度信号、整车转向角信号、整车载荷信号换算后传输至整车控制器，路面摩擦系数、轮胎减速器的减速比存储于整车控制器中，六轮电机的转速信号经编码器或旋转变压器采集后传输至电机控制器，电机控制器再传输至整车控制器，整车控制器将最终计算得到的六轮实时输出转矩指令传输至电机控制器，电机控制器控制六轮电机分别输出经分配后的转矩，整车控制器、信号转换器和电机控制器均经dc/dc电源供电；整车控制器，主要用于信号采样、协议转换、数据解算和融合等，并完成最终的六轮转矩输出。
[0077]
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应该涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

技术特征：
1.一种矿用六驱框架式蓄电池车转矩动态分配算法，其特征在于：包括以下步骤，s1：实时采集六轮电机的转速数据，结合电机外特性曲线，生成对六轮电机的输出转矩的约束；s2：实时采集车辆的转向角数据、整车载荷数据，结合轮胎力耦合特性、车辆机械结构参数生成六轮的实时负载压力；s3：实时采集油门踏板信号，结合路面摩擦系数、六轮的实时负载压力生成六轮的实时牵引力；s4：根据六轮的实时牵引力，结合轮胎减速器的减速比、路面摩擦系数生成六轮的实时输出转矩，整车控制器将六轮的实时输出转矩指令输出至各执行机构，实现对六轮转矩的动态分配。2.根据权利要求1所述的一种矿用六驱框架式蓄电池车转矩动态分配算法，其特征在于：所述步骤s1中，根据电机外特性曲线，对电机输出转矩进行约束，得到电机转速反馈和转矩给定的公式如下：其中，tmax为电机峰值转矩，to为电机转矩输出，tn为电机额定转矩，tmin为电机最高转速扭矩，tpmin为恒功率最高转速扭矩，n为电机转速，nn为电机额定转速，np为电机恒功率最高转速，nmax为电机最高转速。3.根据权利要求2所述的一种矿用六驱框架式蓄电池车转矩动态分配算法，其特征在于：所述步骤s2中，六轮的实时负载压力的计算公式如下：于：所述步骤s2中，六轮的实时负载压力的计算公式如下：于：所述步骤s2中，六轮的实时负载压力的计算公式如下：其中，f1为左前轮负载压力，f2为右前轮负载压力，f3为任一中后轮负载压力，β为转向角，fv为整车空载重力，fc为整车所载货物重力，b1为铰接点到后轮中心距离，b2为前机架重心到铰接点的距离，b3为后机架重心到后四轮中心的距离，b8为铲板长度，βmax为车辆能够实现的最大转向角，ff是前机架重量。4.根据权利要求3所述的一种矿用六驱框架式蓄电池车转矩动态分配算法，其特征在于：所述步骤s3中，六轮的实时牵引力的计算公式如下：f
a
＝k*f1*μf
b
＝k*f2*μf
cd
＝2*k*f3*μ-f
ef
f
ef
＝k*f3*μ*(1+1.07*k*u)
其中，f
a
为左前轮牵引力，f
b
为右前轮牵引力，f
cd
为中间轮的牵引力，f
ef
为后轮的牵引力，k为油门踏板开度(0～1)，μ为路面摩擦系数，i为轮胎减速器的减速比，f1为左前轮负载压力，f2为右前轮负载压力，f3为任一中后轮负载压力。5.根据权利要求4所述的一种矿用六驱框架式蓄电池车转矩动态分配算法，其特征在于：当后两轮输出牵引力达到最大，中间两轮仍有余量，可补充输出更大牵引力，此时中间轮的牵引力的计算公式如下：其中，f
cd
为中间轮的牵引力，f
ef
为后轮的牵引力，k为油门踏板开度(0～1)，μ为路面摩擦系数，i为轮胎减速器的减速比，tmax为电机峰值转矩，f3为任一中后轮负载压力。6.根据权利要求4或5所述的一种矿用六驱框架式蓄电池车转矩动态分配算法，其特征在于：所述步骤s4中，六轮的实时输出转矩公式如下：在于：所述步骤s4中，六轮的实时输出转矩公式如下：在于：所述步骤s4中，六轮的实时输出转矩公式如下：在于：所述步骤s4中，六轮的实时输出转矩公式如下：其中，t
a
为左前轮输出转矩，t
b
为右前轮输出转矩，t
cd
为中间轮的输出转矩，t
ef
为后轮的输出转矩。7.根据权利要求1所述的一种矿用六驱框架式蓄电池车转矩动态分配算法，其特征在于：所述整车控制器连接有信号转换器和电机控制器，信号转换器用于将接收到的油门踏板开度信号、整车转向角信号、整车载荷信号换算后传输至整车控制器，路面摩擦系数、轮胎减速器的减速比存储于整车控制器中，六轮电机的转速信号经编码器或旋转变压器采集后传输至电机控制器，电机控制器再传输至整车控制器，整车控制器将最终计算得到的六轮实时输出转矩指令传输至电机控制器，电机控制器控制六轮电机分别输出经分配后的转矩，整车控制器、信号转换器和电机控制器均经dc/dc电源供电。

技术总结
本发明属于矿用车辆行走控制技术领域，提供了一种矿用六驱框架式蓄电池车转矩动态分配算法，解决了各行走电机的转矩给定难以分配的问题。S1：实时采集六轮电机的转速数据，生成对六轮电机的输出转矩的约束；S2：实时采集车辆的转向角数据、整车载荷数据，生成六轮的实时负载压力；S3：实时采集油门踏板信号，结合路面摩擦系数、六轮的实时负载压力生成六轮的实时牵引力；S4：结合轮胎减速器的减速比、路面摩擦系数生成六轮的实时输出转矩，整车控制器将六轮的实时输出转矩指令输出至各执行机构，实现对六轮转矩的动态分配。本发明实现了矿用六驱框架式蓄电池车转矩动态分配功能，提高了矿用六驱框架式蓄电池车的续航和操纵性。用六驱框架式蓄电池车的续航和操纵性。用六驱框架式蓄电池车的续航和操纵性。


技术研发人员：王健 曹建文 姜铭 王涛 龙先江 许连丙 田克君 郭利强 乔佳伟 高鹏 胡文芳 布朋生 王光肇 张凯 张琪
受保护的技术使用者：山西天地煤机装备有限公司
技术研发日：2022.12.28
技术公布日：2023/6/28