礦用車制動控制方法、裝置以及故障保護方法和裝置與流程

2023-07-22 07:31:16

本發明涉及礦用車輛技術領域，尤其涉及一種礦用車制動控制方法、裝置以及故障保護方法和裝置。

背景技術：

礦用車輛（如礦用電動輪自卸車）作為一種大型礦山開發工程機械，已廣泛應用於各種礦山現場中。由於車輛處於礦山現場中，運行環境非常惡劣，經常需要長時間不間斷作業，且礦山道路環境複雜多變，造成車輛振動激烈，極易發生車輛故障，因而安全、有效的制動控制機制對於礦用車輛尤為重要。

CAN（Controller Area Network，控制器區域網路）最初是由德國的博世公司為汽車監測、控制系統而設計的，現代汽車越來越多地採用電子裝置控制，如發動機的定時、注油控制，加速、剎車控制(ASC)及複雜的抗鎖定剎車系統(ABS)等。大型礦用車輛作為特種車輛，牽引系統通常採用CAN通信總線作為數據傳輸通道。CAN通信總線為整車數據傳輸，承擔整車控制數據和狀態信息傳輸，而通信總線容易受到牽引系統中大電壓、強電流幹擾，礦用車輛振動環境惡劣，因而容易造成通信故障。當車輛牽引系統故障時設備會失去控制，若不能及時監測到該故障而執行有效的制動，非常容易造成礦山人員及設備事故。目前礦用車輛在發生通信故障情況下，由於駕駛車輛司機對牽引系統失去控制，通常只能採用機械制動方式停車；而採用機械制動的方式，尤其是車輛高速運行時，礦用車輛載重和自重巨大，極易造成制動盤燒毀情況，影響整車及設備安全。

技術實現要素：

本發明要解決的技術問題就在於：針對現有技術存在的技術問題，本發明提供一種能夠適用於礦用車輛，環境適應性強且實現方法簡單、制動過程安全可靠的礦用車制動控制方法、裝置，以及能夠監測礦用車輛牽引系統故障，並及時執行安全有效制動的故障保護方法和裝置。

為解決上述技術問題，本發明提出的技術方案為：

一種礦用車制動控制方法，所述制動控制方法包括：調節牽引系統中柴油機的轉速至非零的指定轉速值；控制牽引系統中勵磁控制器進入制動狀態，並調節發電機輸出電壓至柴油機為所述指定轉速值時所對應的電壓；以及控制傳動控制單元實時根據牽引電機當前轉速對牽引電機執行電制動。

作為本發明制動控制方法的進一步改進，所述對牽引電機執行電制動的具體步驟包括：

控制傳動控制單元實時採集牽引電機的當前轉速；

根據當前轉速所對應的最大制動功率計算牽引電機當前輸出的最大制動轉矩，並控制傳動控制單元輸出所述最大制動轉矩給牽引電機以執行電制動，直至牽引電機的轉速小於預設值。

作為本發明制動控制方法的進一步改進，所述最大制動轉矩具體按照以下公式計算得到；

Tout=9550*P*η/2*N

其中Tout為最大制動轉矩，P為最大制動功率，η為牽引系統效率，N為牽引電機的當前轉速。

作為本發明制動控制方法的進一步改進：所述指定轉速值為能夠保證制動過程中牽引系統的通風冷卻能力時所對應的柴油機的轉速值；

作為本發明制動控制方法的進一步改進：所述指定轉速值為1400rpm；所述柴油機為指定轉速值時所對應的電壓為1300V。

本發明進一步提供一種礦用車牽引系統故障保護方法，所述故障保護方法包括：實時監測牽引系統的通信狀態，若監測到通信發生故障，按照上述制動控制方法執行制動。

作為本發明故障保護方法的進一步改進，所述故障保護方法具體通過牽引系統中主控制器分別與勵磁控制器、傳動控制單元以及柴油機之間的CAN總線通信狀態監測牽引系統的通信狀態。

作為本發明制動控制方法的進一步改進，通過牽引系統中CAN總線通信狀態監測牽引系統的通信狀態的具體步驟包括：控制牽引系統中主控制器分別向勵磁控制器、傳動控制單元每間隔指定時間發送一個自增長的生命信號值，根據勵磁控制器、傳動控制單元接收到的生命信號值，以及主控制器接收到柴油機的反饋頻率油門信號判斷牽引系統的通信狀態。

一種礦用車制動控制裝置，包括：

柴油機制動控制模塊，用於調節牽引系統中柴油機的轉速至指定轉速值；

勵磁控制器制動控制模塊，用於控制牽引系統中勵磁控制器進入制動狀態，並調節發電機輸出電壓至柴油機為所述指定轉速值時所對應的電壓；

以及牽引電機制動控制模塊，用於控制傳動控制單元實時根據牽引電機當前轉速對牽引電機執行電制動。

作為本發明制動控制裝置的進一步改進，所述牽引電機制動控制模塊包括：

轉速採集控制單元，用於控制傳動控制單元實時採集牽引電機的當前轉速；

制動控制單元，用於由採集到的當前轉速所對應的最大制動功率計算牽引電機當前輸出的最大制動轉矩，並控制傳動控制單元輸出所述最大制動轉矩給牽引電機以執行電制動，直至牽引電機的轉速小於預設值。

本發明進一步提供一種礦用車牽引系統故障保護裝置，包括牽引系統故障監測模塊以及上述制動控制裝置，所述牽引系統故障監測模塊實時監測牽引系統的通信狀態，若監測到通信發生故障，啟動所述制動控制裝置執行制動。

與現有技術相比，本發明制動控制方法、裝置的優點在於：

1）本發明基於礦用車輛的實際工況，對礦用車輛執行制動控制時，將柴油機的轉速調節至非零轉速值，使得能夠對柴油機進行轉速保護，且柴油機能夠經濟驅動散熱風機，對整車電驅動系統進行有效散熱，同時結合對勵磁控制器以及傳動控制單元的控制實時根據轉速對牽引電機執行電制動，能夠實時根據轉速變化調整制動過程，與傳統的直接制動停止車輛相比，制動過程安全、穩定且環境適應性強，最大程度保證了礦用車輛制動過程中車輛設備以及人員的安全；

2）本發明制動控制時，通過實時採集牽引電機的當前轉速，由當前轉速所對應的最大制動功率計算出電機當前輸出的最大制動轉矩，再按照當前電機輸出的最大制動轉矩制動牽引電機，能夠對牽引電機實現基於最大制動轉矩的自適應制動，從而實現高效率的電機制動；

與現有技術相比，本發明故障保護方法、裝置的優點在於：

1）本發明故障保護基於礦用車輛的運行環境特點，實時監測礦用車輛中牽引系統的故障狀態，以及監測到牽引系統故障時針對故障處理問題，分別對柴油機、勵磁控制器以及傳動控制單元執行制動控制保護，從而能夠在牽引系統通信故障時及時執行安全、有效的制動，提高了礦用車輛運行的安全可靠性；

2）本發明故障保護在監測到牽引系統發生故障時，將柴油機的轉速調節至非零轉速值，能夠在牽引系統故障時對柴油機進行轉速保護，且保證對整車電驅動系統進行有效散熱，同時結合勵磁控制器以及傳動控制單元的制動控制以實時根據牽引電機轉速執行電制動保護，保證牽引系統故障時車輛中設備及人員安全；

3）本發明故障保護進一步通過牽引系統中CAN總線發送自增長的生命信號值，由勵磁控制器、傳動控制單元根據接收的生命信號值，以及主控制器根據柴油機的反饋頻率油門信號來判斷牽引系統的故障狀態，有效結合了礦用車輛牽引系統的結構特點，實現方法簡單有效。

附圖說明

圖1是本實施例礦用車制動控制方法的實現流程示意圖。

圖2是礦用車輛牽引系統的結構原理示意圖。

圖3是本實施例中對牽引電機執行制動的具體實現流程示意圖。

圖4是本實施例礦用車牽引系統故障保護方法的實現流程示意圖。

圖5是本實施例中牽引系統故障時傳動控制單元執行制動控制的具體實現流程示意圖。

圖6是本實施例中判斷牽引系統通信故障的具體實現流程示意圖。

圖7是本實施例礦用車制動控制裝置的結構示意圖。

圖8是本實施礦用車牽引系統故障保護裝置的結構示意圖。

具體實施方式

以下結合說明書附圖和具體優選的實施例對本發明作進一步描述，但並不因此而限制本發明的保護範圍。

如圖1所示，本實施例礦用車制動控制方法包括：調節目標礦用車輛的牽引系統中柴油機的轉速至非零的指定轉速值；控制牽引系統中勵磁控制器進入制動狀態，並調節發電機輸出電壓至柴油機為指定轉速值時所對應的電壓；以及控制傳動控制單元實時根據牽引電機當前轉速對牽引電機執行電制動，直至目標礦用車輛自動停車。

如圖2所示，礦用車輛的牽引系統包括主控制器(ACU)、勵磁控制器(ECU)、傳動控制單元（DCU）、柴油機（柴油發動機）、發電機（主發電機）、整流模塊、直流濾波環節、逆變模塊及牽引電機，其中主控制器(ACU)為柴油機、發電機及牽引變流器整車控制，勵磁控制器(ECU) 根據主控制器指令調節主發電機發出的電壓，傳動控制單元（DCU）根據主控制器指令控制牽引變流器輸出電流、電壓及轉矩等信號，同時採集牽引電機的轉速信號作為閉環控制量；柴油機為整車提供動力來源，發電機將柴油機動能轉化為電能，牽引逆變器則執行交-直-交變換得到可控的交流變頻電源驅動兩個牽引電機運轉，從而驅動礦用車輛行駛。

本實施例針對礦用車輛在實際工況中複雜多變的工作及路況等運行環境，對礦用車輛執行制動控制時，將柴油機的轉速調節至一個非零的經濟轉速值，使得能夠對柴油機進行轉速保護，且柴油機又能經濟驅動散熱風機，對整車電驅動系統進行有效散熱，同時結合對勵磁控制器以及傳動控制單元的控制實時根據轉速對牽引電機執行電制動，能夠實時根據轉速變化調整制動過程，與傳統的直接制動停止車輛相比，制動過程安全、穩定且環境適應性強，最大程度保證了礦用車輛制動過程中車輛設備以及人員的安全。

本實施例中，對牽引電機執行電制動的具體步驟包括：

控制傳動控制單元實時採集牽引電機的當前轉速；

根據當前轉速所對應的最大制動功率計算牽引電機當前輸出的最大制動轉矩，並控制傳動控制單元輸出最大制動轉矩給牽引電機以執行電制動，直至牽引電機的轉速小於預設值。

如圖3所示，本實施例對牽引電機執行電制動時，具體通過傳動控制單元（DCU）實時採集牽引電機的當前轉速N，根據電機特性由當前轉速可以得到當前電機的最大制動功率P，根據當前最大制動功率P計算出當前電機輸出的最大制動轉矩Tout；傳動控制單元（DCU）通過逆變模塊輸出Tout大小的轉矩牽引電機，使得牽引電機在制動轉矩作用下逐漸減速，直至牽引電機的轉速小於預設值（本實施例具體取30rpm），傳動控制單元（DCU）停止輸出轉矩給牽引電機，牽引電機停機完成制動控制。

本實施例對牽引電機執行電制動時，通過實時採集牽引電機的當前轉速，由當前轉速所對應的最大制動功率計算出電機當前輸出的最大制動轉矩，再按照當前電機輸出的最大制動轉矩制動電機，能夠基於最大制動轉矩實現對牽引電機的自適應制動，且制動效率高。

本實施例中，最大制動轉矩具體按照以下公式計算得到；

Tout=9550*P*η/2*N

其中Tout為最大制動轉矩，P為最大制動功率，η為牽引系統效率，N為牽引電機的當前轉速。

由上式，實時採集到牽引電機的轉速後即可計算得到電機當前輸出的最大制動轉矩，從而實時由最大制動轉矩給控制電機制動。

本實施例中，指定轉速值為能夠保證制動過程中牽引系統的通風冷卻能力時所對應的柴油機的轉速值，具體可根據牽引系統中發電機、牽引電機的溫度進行取值，使得能夠對柴油機進行轉速保護的同時保證牽引系統中通風冷卻能力，以結合對勵磁控制器以及傳動控制單元的制動控制實現安全停車，從而確保制動時車輛中設備及人員安全。本實施例指定轉速值具體取為1400rpm，柴油機轉速設置為1400 rpm時能夠增加牽引系統中通風冷卻能力；相應的，柴油機指定轉速值所對應的電壓為1300V，即控制勵磁控制器調節發電機的輸出電壓至1300V。

如圖4所示，本實施例礦用車牽引系統故障保護方法包括：實時監測牽引系統的通信狀態，若監測到通信發生故障，按照上述制動控制方法執行制動。基於礦用車輛的運行環境，本實施例採用上述故障保護方法能夠實時監測礦用車輛中牽引系統的故障狀態，同時針對牽引系統通信故障時故障處理問題，分別對柴油機、勵磁控制器以及傳動控制單元執行上述制動控制，從而能夠在牽引系統通信故障時自動執行安全、有效的制動，將柴油機的轉速調節至非零轉速值、控制勵磁控制器制動以及調節發電機輸出相應電壓，同時實時根據牽引電機轉速執行電制動，提高礦用車輛運行的安全可靠性。

如圖5所示，當監測到車輛牽引系統通信發生故障時，控制傳動控制單元（DCU）對牽引電機執行制動；制動時，實時根據牽引電機當前轉速計算當前輸出的最大制動轉矩，控制逆變器輸出最大制動轉矩大小的轉矩至牽引電機，若牽引電機的轉速在制動作用下降至30rpm，則停止輸出制動轉矩完成制動控制，實現牽引系統故障時車輛安全停車。

本實施例中，故障保護方法具體通過牽引系統中主控制器分別與勵磁控制器、傳動控制單元以及柴油機之間的CAN總線通信狀態監測牽引系統的通信狀態。如圖2所示，礦用車輛牽引系統中通過CAN通信時，由主控制器(ACU)設置兩路CAN通信接口，一路連接到柴油機控制，調節柴油機轉速及監控柴油機運行狀態（柴油機轉速也可以通過頻率油門或電壓、電流油門方式進行調節）；另外一路控制勵磁控制器(ECU)和傳動控制單元（DCU），分別控制發電機的輸出電壓及牽引變流器的輸出轉矩信號，達到控制整個牽引系統的目的。牽引系統控制網絡系統發生通信故障，即為主控制器(ACU)與勵磁控制器(ECU)、傳動控制單元（DCU）、柴油發動機之間CAN通信發生中斷或者故障，因而通過主控制器與勵磁控制器、傳動控制單元以及柴油機之間的CAN總線通信狀態可監測得到牽引系統的通信狀態。

本實施例中，通過牽引系統中CAN總線通信狀態監測牽引系統的通信狀態的具體步驟包括：控制牽引系統中主控制器分別向勵磁控制器、傳動控制單元每間隔指定時間發送一個自增長的生命信號值，根據勵磁控制器、傳動控制單元接收到的生命信號值，以及主控制器接收到柴油機的反饋油門信號判斷牽引系統的通信狀態。

本實施例通過主控制器向勵磁控制器和傳動控制單元每間隔指定時間發送一個自增長的生命信號值，勵磁控制器、傳動控制單元實時接收主控制器發送的生命信號值，並分別判斷所接收到的生命信號值的狀態，如果勵磁控制器或傳動控制單元判斷到連續在預設周期數內所接收到的生命信號值均相同，則判定牽引系統中主控制器與勵磁控制器或傳動控制單元之間通信發生故障，否則繼續執行監測；主控制器同時接收柴油機發送的反饋油門信號，根據接收到的反饋油門信號判斷主控制器與柴油機之間的通信狀態。

如圖6所示，本實施例具體定義一個累計計數參數，ECU/ACU每個周期接收到生命信號值時，將本周期接收到的生命信號值與上一個通信周期接收到的生命信號值進行比較，如果兩個信號值相等，則累計計數參數加1，如果兩個信號值不相等判定當前通信正常；當累計計數參數值達到預設值（本實施例具體取50）時，即已經有連續50個周期的生命信號值相等，則判定當前通信故障。由勵磁控制器(ECU)2、傳動控制單元（DCU）3判斷為與整車控制器通信故障或整車控制器判斷與柴油發動機之間通信故障。通過發送自增的生命信號來判斷牽引系統通信故障，判定方法簡單且有效，有效結合基於礦用車輛牽引系統的結構特點。

本實施例在監測到牽引系統發生故障時，具體控制按照其他非CAN總線通信方式將柴油機轉速調節到1400rpm進行轉速保護，同時增加制動時整個系統通風冷卻能力；勵磁控制器(ECU)進入制動工作狀態，並將此時發電機電壓輸出調節到柴油機1400rpm對應的輸出電壓1300V；同時控制傳動控制單元（DCU）根據當前電機轉速所對應的最大制動轉矩對牽引電機執行自適應電制動，控制牽引電機制動減速，直至電機停機。

如圖7所示，本實施例礦用車制動控制裝置包括：

柴油機制動控制模塊，用於調節牽引系統中柴油機的轉速至指定轉速值；

勵磁控制器制動控制模塊，用於控制牽引系統中勵磁控制器進入制動狀態，並調節發電機輸出電壓為柴油機指定轉速值所對應的電壓；

以及牽引電機制動控制模塊，用於控制傳動控制單元實時按照牽引電機當前轉速所對應的最大制動功率對牽引電機執行電制動。

本實施例中，牽引電機制動控制模塊包括：

轉速採集控制單元，用於控制傳動控制單元實時採集牽引電機的當前轉速；

制動控制單元，用於由採集到的當前轉速所對應的最大制動功率計算牽引電機當前輸出的最大制動轉矩，並控制由傳動控制單元輸出最大制動轉矩給牽引電機以執行電制動，直至牽引電機的轉速小於預設值。

如圖8所示 ，本實施例中礦用車牽引系統故障保護裝置，包括牽引系統故障監測模塊以及上述制動控制裝置，牽引系統故障監測模塊實時監測牽引系統的通信狀態，若監測到通信發生故障，啟動所述制動控制裝置執行制動。

本實施例中，牽引系統故障監測模塊包括：

生命信號發送控制單元，用於分別控制通過CAN總線由牽引系統中主控制器向勵磁控制器和傳動控制單元、由柴油機向主控制器每間隔指定時間發送一個自增長的生命信號值；

牽引系統故障判斷單元，用於勵磁控制器、傳動控制單元以及主控制器實時接收生命信號值，並分別判斷所接收到的生命信號值是否連續在預設周期數內均相同，如果判斷到是，則判定牽引系統通信發生故障，否則繼續執行監測。

為驗證本發明的有效性，在樣機上對上述制動控制、故障保護方法進行了試製及調試，現場運行結果驗證了本發明具有可行性且運行可靠。

上述只是本發明的較佳實施例，並非對本發明作任何形式上的限制。雖然本發明已以較佳實施例揭露如上，然而並非用以限定本發明。因此，凡是未脫離本發明技術方案的內容，依據本發明技術實質對以上實施例所做的任何簡單修改、等同變化及修飾，均應落在本發明技術方案保護的範圍內。