浅谈工程机械电机工作原理及其线控技术

杨健标

摘 要：文章主要介绍了永磁无刷直流电机的工作原理和机械特性。提出工程机械控制系统的半实物仿真模型，对各模块功能及实现形式进行说明。将总线技术应用到控制系统中，实现了工程机械的智能化、信息化和模块化控制。

关键词：工程机械；电机；电力驱动；线控技术

工程机械驱动技术最初主要采用机械传动和液力机械传动方式。现在，液压和电力传动的传动方式也出现在工程机械行走驱动装置中。与纯机械和液力传动相比，液压传动的主要优点是其调节的便捷性和布局的灵活性。发动机在任一转速下工作，传动系统都能发挥出较大的牵引力，而且传动系统在很宽的输出转速范围内仍能方便地获得各种优化的动力传动特性，以适应各种作业的负荷状态。但是其维护比较严格，不易检修，且受环境因素影响较大，容易对环境产生污染，与电力传动相比，效率相对较低。电力传动是通过电动机驱动车辆行走部分运动，通过电子调节系统调节电动机轴的转速和转向，具有布局简单，调速范圍广，效率高，节能，能源可回收，环保等优点，是未来工程机械发展的趋势。

1永磁无刷直流电机工作原理和机械特性

1.1永磁无刷直流电机工作原理

永磁无刷直流电机是用电子换相替代电刷换相的一种新型直流电机。它由驱动器和电机主体组成。如下图所示，驱动器由功率电子器件和集成电路等构成，其功能是：接受电机的启动、停止和制动；接受位置传感器信号和正/反转信号，用来控制逆变桥各功率管的通断，产生连续转矩；接受速度指令和速度反馈信号，用来控制和调整转速，提供保护和显示等等。电机主体是一个典型的电压型交-直-交电路，逆变器提供等幅等频 5-26kHz调制波的对称交变矩形波。通过永磁体 N-S 交替变换，使位置传感器产生相位差 120°的 U、V、W 方波，结合正/反转信号产生有效的六种状态编码信号：101、100、110、010、011、001，通过逻辑组件处理产生T1-T4导通、T1-T6导通、T3-T6导通、T3-T2导通、T5-T2导通、T5-T4导通，这样转子每转过一对 N-S极，T1-T6功率管即按固定组合成六种状态的依次导通。每种状态下，仅有两相绕组通电，依次改变一种状态，定子绕组产生的磁场轴线在空间转动 60°电角度，转子跟随定子磁场转动相当于60°电角度空间位置，转子在新位置上，使位置传感器 U、V、W按约定产生一组新编码，新的编码又改变了功率管的导通组合，使定子绕组产生的磁场轴再前进60°电角度，如此循环，电机产生连续转矩，拖动负载作连续旋转。

图 永磁无刷直流电机及其控制系统原理

1.2永磁无刷直流电机机械特性

在电机负载不变的情况下，电机稳定工作时的输出转矩由负载决定，因而此时电机的转速取决于绕组两端的电压。故通常多采用PWM调制方式，通过PWM信号的不同占空比可以获得可变电压，进而得到不同的转速。

而在负载发生变化的时候，假设不是增大到电机的堵转转矩；则在电压不变的情况下，若负载增大电机的输出转速将下降，而输出转矩逐渐增大，直到与负载匹配，达到新的稳定工作点。此时电机的输出转速较负载未发生变化前的要小，如要求电机稳定地工作在之前规定的速度，则应在此时加大绕组上的电压（如采用PWM调制方式）；负载减小时的情况类似，只是新的稳定输出转速会比初始时大；如想得到最初规定的速度，则应减小绕组上的电压。

2工程机械电力线控技术

随着控制系统在工程机械中的广泛应用，以及新的控制方法的出现，一般的离线仿真对算法和控制其的验证已不能满足系统设计的需要。因为在一般的离线仿真控制系统中，首先需要提取出受控对象的数学模型，然后根据受控对象的数学模型来设计控制器。在仿真框图中所使用的是受控对象的数学模型，仿真结果则是针对数学模型得出的。而现实的数学模型一般很难得到，是基于很多假设和简化的，如果将这样设计而得的控制器直接用于实际受控对象的控制，就不易定能得出满意的控制效果。近几年在线仿真系统越来越多地用于复杂系统的设计过程中，常被称之为半实物仿真。

半实物仿真平台主要由主控计算机、仿真计算机、控制原型机、A/D 接口、D/A 接口及相关能源设备、记录设备等组成。其中被控对象采用数学仿真，由安装dSPACE的主控计算机通过软件实现；主控计算机用dSPACE、Matlab/simulink 等标准组件作为控制计算机的快速原型机，实现控制计算机功能；仿真计算机通过A/D、D/A 等输入输出口与控制系统实现相连，实现数字控制器与外界设备的信息交换。输入和输出信息分别从转接口和的dSPACE引出，通过记录仪进行记录。因为这样的半实物仿真是针对实际过程的仿真，又是实时进行的，还被称为实时仿真。能大大地缩减设计周期，也大大地降低了设计强度，同时又提高了算法的实现精度。现场总线组网的智能信息化装备系统可分为四个独立部分：工作装置管理系统、底盘管理系统、驾驶室控制管理系统与能源管理系统。线控底盘及底盘管理系统负责独立完成工程机械的行走、转向、制动和悬挂等功能，通过底盘管理系统，这种自成一体的底盘形式可以灵活得适应不同地面，不同工矿的牵引要求。对行走和制动过程的进一步研究，可以利用液压方式和电子方式回收一部分能源，从而可以达到节能的目的。

参考文献

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[2] 洪南生， 吴汉光. 永磁无刷直流电机控制系统[J]. 微特电机， 1997，（1）.

[3] Hyun-Soo Song， Jin-Woo Ahn， Seok-Gyu Oh， Sung-Jun Park.Anapplication of 5kW srm for LSEV driver[C/CD]. Korea： EVS-19CD， 2002.