电传动自卸车交流传动控制系统设计分析

胡兴志

（1.华北科技学院机电工程学院，北京 101601；2.河北省矿山设备安全监测重点试验室，河北 廊坊 065201）

1 引言

电传动矿用自卸车通过发电机组提供动力源，进而驱动轮边牵引电机实现机械能到电能再到机械能的转变，而电能的传递则是交-直-交的过程，此种传递方式适合短距离大吨位的运输需求［1］。控制系统是整个车辆动力的核心系统，面对复杂的运行环境，必须具有较高的可靠性，以保证牵引电机的高效运转，保证整车的可靠运行。

学者们对此进行了一定的研究：文献［2］基于柴油发动机和电动机组成的动力试验台，通过改变负载工况，模拟车辆运行，进而获取各工况的最佳运行速度；文献［3］采用总线控制方案，对柴油发动机动力组进行控制，通过改变传递路径，以获取高效传递方案；文献［4］采用励磁互馈控制方案，对电传动系统的控制方案进行设计，通过不同工况的试验台测试，验证了系统的可靠性；文献［5］采用总线控制技术，对发动机不同工况的传递形式进行对比分析，对比不同路径不同工况的传递效率；文献［6］采用数学模型仿真方法，对发动机和发电机动力系统进行建模，通过在线系统进行控制系统设计，以验证有效性。

针对电传动自卸车交流驱动系统的特点，提出交流传动控制系统结构设计方案。以数字处理器DSP与CPLD 为核心的电路方案，并提出以功率为外环的矢量控制策略来控制异步牵引电机，对控制程序进行设计；根据现有电机选择系统中所需要的各种器件，设计各种保护与检测电路；采取电阻消耗式交-直-交驱动方案，搭建牵引异步电机试验平台，分析母线电压升高对电机影响，对车辆满载停车再次启动工况等工况进行测试。

2 电传动自卸车传动系统结构

电传动自卸车的传动系统主要包括发动机、发电机、电流逆变单元及轮边驱动电机［7］，某六轮独立驱动自卸车的电路图，如图1所示。图中所示电传动为典型交-直-交变流系统，其行走系统及工作系统同时采用两套传动系统承担不同部分的任务，分别为电传动形式和液压传动［2］。发动机带动三相交流发电机，为整个系统提供动力电源，通过整流实现直流传输到母线中，达到牵引电机前，通过逆变结构，直流逆变为三相交流电，通过轮边减速器分配给各轮边电动机［8］。当车辆运行在下坡工况或发生制动时，惯性力驱动电机，实现反向电阻生热，实现减速运行。

图1 传动系统主电路结构图Fig.1 Main Circuit Structure of Transmission System

3 交流传动控制系统结构设计

动力传递的终端为轮边驱动牵引电机，为保证动力的高效可靠传递，必须设计可靠的控制系统。控制系统需要实现对功率、电源、附件设备及通信控制电路等的控制［9］。据此，对总体结构进行设计，如图2所示。

图2 驱动系统总体设计原理框图Fig.2 General Design Principle Block Diagram of Drive System

3.1 系统电路设计

为了实现传输电流由交流经过整流，实现直流传输，在牵引电机前，经过逆变过程，再次转变为三相交流输入［10］。系统工作中，部分模块的开合，产生浪涌电压，为了保证整个系统的稳定，功率电路结构，如图3所示。

图3 功率控制电路Fig.3 Power Control Circuit

图中电路系统采用选用霍尔电压、电流传感器，系统信号可以快速传递至总控制单元的PDPINTA 管脚，实现快速高效的控制过程。

3.2 系统控制程序设计

控制系统以电机的转速作为输入，程序可以实现电机的平稳运转，反馈控制的信号会造成大的冲击，为实现有效保护，设计了斜坡给定的功率外环控制，满足电机转矩控制的要求，结构，如图4所示。

图4 基于功率外环的控制系统结构Fig.4 Control System Structure Based onPower Outer Loop

控制系统搭建基于DSP，程序流程，如图5所示。

图5 控制程序流程Fig.5 Control Procedure Flow

4 系统试验测试

针对以上控制系统方案，为验证其有效性，搭建控制系统测试平台，试验台可开展牵引电机启停、不同负载工况模拟等分析。现场平台搭建，如图6所示。

图6 异步电机牵引试验平台Fig.6 Asynchronous Motor Traction Test Platform

4.1 母线电压升高对电机影响

当电传动矿用自卸车的转速或是发电机的励磁电流变化时都可能引起直流母线的电压变化，这就对逆变器提出了更高的要求，要求逆变器在电压足够的情况下保持输出稳定。试验测试时，给定功率值不变，当电机稳定运行时，通过调节变压器突然改变输出中间直流母线电压，如图7所示。由图7（a）可知，当母线电压升高时，功率的反馈值会瞬时变大，偏差为负值则会导致电机输出扭矩减小，由于电网供电的特性母线电流会有所减小，如图7（b）所示。则功率反馈值会有所增加，电机输出功率会提高，如图7（c）所示。与调节前基本保持一致。

图7 直流母线参数随时间变化曲线Fig.7 Time Curve of DC Bus Parameters

通过图8（a）、图8（b）转速、扭矩随时间的变化也能反映出系统运行平稳。证明所采用的控制系统，能够保证逆变器在电源功率足够的情况下保持稳定输出。

图8 电机各输出参数变化曲线Fig.8 Variation Curve of Motor Output Parameters

4.2 车辆满载停车再次启动工况

车辆正常行驶时，如果驾驶员由于前面路况原因会反复踩踏油门，发动机的转速会由高转速降到怠速状态，与此同时，发电机的电压也会相应的变化，这种工况相当于对旋转的电机再次启动工况，当驾驶员踩油门时发动机转速会相应升高，发电机输出增加，车辆运行加速度明显提升；相反，当驾驶员松开油门时，发动机转速会由高转速立即降为怠速，则发动机输出扭矩、功率减小，发电机发出的电能也减少，车辆会减速行驶。在试验中，保持发电机励磁旋钮不动，通过开关功率给定值旋钮来实现旋转电机的再次启动过程。电机输出参数变化曲线，如图9所示。三相电流变化，如图10所示。

图9 电机输出参数变化曲线Fig.9 Variation Curve of Motor Output Parameters

图10 逆变器输出三相电流变化曲线Fig.10 Three Phase Current Variation Curve of Inverter Output

图9（a）可知，转速做下降和上升交替变化，电机输出扭矩和功率也同样做相应变化，如图9（b）、图9（c）所示。部分变频器在控制电机再次启动时容易出现过流保护现象，当采用矢量控制算法后可以保证启动平稳，电流冲击小，如图10所示。试验验证了采用该种控制算法，可以很好完成对旋转电机再次启动工况。

5 结论

（1）根据电传动自卸车传动系统特点，参考电机转速控制，以电机的转速作为输入，为实现有效保护，设计了斜坡给定的功率外环控制，满足电机转矩控制的要求；（2）系统的硬件处理器采用DSP 与CPLD相结合的方案，根据现有电机选择系统中所需要的各种器件，设计了各种保护与检测电路；（3）试验结果表明，采用该控制系统的逆变器能够保证输出电流不过流，无电流冲击及振荡现象产生，能够适应负载的各种变化，满足电传动矿用自卸车在实际运行中对路况复杂多变的要求。