胡興志

（1.華北科技學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，北京 101601；2.河北省礦山設(shè)備安全監(jiān)測(cè)重點(diǎn)試驗(yàn)室，河北 廊坊 065201）

1 引言

電傳動(dòng)礦用自卸車(chē)通過(guò)發(fā)電機(jī)組提供動(dòng)力源，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)輪邊牽引電機(jī)實(shí)現(xiàn)機(jī)械能到電能再到機(jī)械能的轉(zhuǎn)變，而電能的傳遞則是交-直-交的過(guò)程，此種傳遞方式適合短距離大噸位的運(yùn)輸需求［1］?？刂葡到y(tǒng)是整個(gè)車(chē)輛動(dòng)力的核心系統(tǒng)，面對(duì)復(fù)雜的運(yùn)行環(huán)境，必須具有較高的可靠性，以保證牽引電機(jī)的高效運(yùn)轉(zhuǎn)，保證整車(chē)的可靠運(yùn)行。

學(xué)者們對(duì)此進(jìn)行了一定的研究：文獻(xiàn)［2］基于柴油發(fā)動(dòng)機(jī)和電動(dòng)機(jī)組成的動(dòng)力試驗(yàn)臺(tái)，通過(guò)改變負(fù)載工況，模擬車(chē)輛運(yùn)行，進(jìn)而獲取各工況的最佳運(yùn)行速度；文獻(xiàn)［3］采用總線控制方案，對(duì)柴油發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力組進(jìn)行控制，通過(guò)改變傳遞路徑，以獲取高效傳遞方案；文獻(xiàn)［4］采用勵(lì)磁互饋控制方案，對(duì)電傳動(dòng)系統(tǒng)的控制方案進(jìn)行設(shè)計(jì)，通過(guò)不同工況的試驗(yàn)臺(tái)測(cè)試，驗(yàn)證了系統(tǒng)的可靠性；文獻(xiàn)［5］采用總線控制技術(shù)，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)不同工況的傳遞形式進(jìn)行對(duì)比分析，對(duì)比不同路徑不同工況的傳遞效率；文獻(xiàn)［6］采用數(shù)學(xué)模型仿真方法，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)進(jìn)行建模，通過(guò)在線系統(tǒng)進(jìn)行控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，以驗(yàn)證有效性。

針對(duì)電傳動(dòng)自卸車(chē)交流驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的特點(diǎn)，提出交流傳動(dòng)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案。以數(shù)字處理器DSP與CPLD 為核心的電路方案，并提出以功率為外環(huán)的矢量控制策略來(lái)控制異步牽引電機(jī)，對(duì)控制程序進(jìn)行設(shè)計(jì)；根據(jù)現(xiàn)有電機(jī)選擇系統(tǒng)中所需要的各種器件，設(shè)計(jì)各種保護(hù)與檢測(cè)電路；采取電阻消耗式交-直-交驅(qū)動(dòng)方案，搭建牽引異步電機(jī)試驗(yàn)平臺(tái)，分析母線電壓升高對(duì)電機(jī)影響，對(duì)車(chē)輛滿載停車(chē)再次啟動(dòng)工況等工況進(jìn)行測(cè)試。

2 電傳動(dòng)自卸車(chē)傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

電傳動(dòng)自卸車(chē)的傳動(dòng)系統(tǒng)主要包括發(fā)動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)、電流逆變單元及輪邊驅(qū)動(dòng)電機(jī)［7］，某六輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)自卸車(chē)的電路圖，如圖1所示。圖中所示電傳動(dòng)為典型交-直-交變流系統(tǒng)，其行走系統(tǒng)及工作系統(tǒng)同時(shí)采用兩套傳動(dòng)系統(tǒng)承擔(dān)不同部分的任務(wù)，分別為電傳動(dòng)形式和液壓傳動(dòng)［2］。發(fā)動(dòng)機(jī)帶動(dòng)三相交流發(fā)電機(jī)，為整個(gè)系統(tǒng)提供動(dòng)力電源，通過(guò)整流實(shí)現(xiàn)直流傳輸?shù)侥妇€中，達(dá)到牽引電機(jī)前，通過(guò)逆變結(jié)構(gòu)，直流逆變?yōu)槿嘟涣麟?，通過(guò)輪邊減速器分配給各輪邊電動(dòng)機(jī)［8］。當(dāng)車(chē)輛運(yùn)行在下坡工況或發(fā)生制動(dòng)時(shí)，慣性力驅(qū)動(dòng)電機(jī)，實(shí)現(xiàn)反向電阻生熱，實(shí)現(xiàn)減速運(yùn)行。

圖1 傳動(dòng)系統(tǒng)主電路結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Main Circuit Structure of Transmission System

3 交流傳動(dòng)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

動(dòng)力傳遞的終端為輪邊驅(qū)動(dòng)牽引電機(jī)，為保證動(dòng)力的高效可靠傳遞，必須設(shè)計(jì)可靠的控制系統(tǒng)?？刂葡到y(tǒng)需要實(shí)現(xiàn)對(duì)功率、電源、附件設(shè)備及通信控制電路等的控制［9］。據(jù)此，對(duì)總體結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，如圖2所示。

圖2 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)原理框圖Fig.2 General Design Principle Block Diagram of Drive System

3.1 系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)傳輸電流由交流經(jīng)過(guò)整流，實(shí)現(xiàn)直流傳輸，在牽引電機(jī)前，經(jīng)過(guò)逆變過(guò)程，再次轉(zhuǎn)變?yōu)槿嘟涣鬏斎耄?0］。系統(tǒng)工作中，部分模塊的開(kāi)合，產(chǎn)生浪涌電壓，為了保證整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定，功率電路結(jié)構(gòu)，如圖3所示。

圖3 功率控制電路Fig.3 Power Control Circuit

圖中電路系統(tǒng)采用選用霍爾電壓、電流傳感器，系統(tǒng)信號(hào)可以快速傳遞至總控制單元的PDPINTA 管腳，實(shí)現(xiàn)快速高效的控制過(guò)程。

3.2 系統(tǒng)控制程序設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)以電機(jī)的轉(zhuǎn)速作為輸入，程序可以實(shí)現(xiàn)電機(jī)的平穩(wěn)運(yùn)轉(zhuǎn)，反饋控制的信號(hào)會(huì)造成大的沖擊，為實(shí)現(xiàn)有效保護(hù)，設(shè)計(jì)了斜坡給定的功率外環(huán)控制，滿足電機(jī)轉(zhuǎn)矩控制的要求，結(jié)構(gòu)，如圖4所示。

圖4 基于功率外環(huán)的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.4 Control System Structure Based onPower Outer Loop

控制系統(tǒng)搭建基于DSP，程序流程，如圖5所示。

圖5 控制程序流程Fig.5 Control Procedure Flow

4 系統(tǒng)試驗(yàn)測(cè)試

針對(duì)以上控制系統(tǒng)方案，為驗(yàn)證其有效性，搭建控制系統(tǒng)測(cè)試平臺(tái)，試驗(yàn)臺(tái)可開(kāi)展?fàn)恳姍C(jī)啟停、不同負(fù)載工況模擬等分析?，F(xiàn)場(chǎng)平臺(tái)搭建，如圖6所示。

圖6 異步電機(jī)牽引試驗(yàn)平臺(tái)Fig.6 Asynchronous Motor Traction Test Platform

4.1 母線電壓升高對(duì)電機(jī)影響

當(dāng)電傳動(dòng)礦用自卸車(chē)的轉(zhuǎn)速或是發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁電流變化時(shí)都可能引起直流母線的電壓變化，這就對(duì)逆變器提出了更高的要求，要求逆變器在電壓足夠的情況下保持輸出穩(wěn)定。試驗(yàn)測(cè)試時(shí)，給定功率值不變，當(dāng)電機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，通過(guò)調(diào)節(jié)變壓器突然改變輸出中間直流母線電壓，如圖7所示。由圖7（a）可知，當(dāng)母線電壓升高時(shí)，功率的反饋值會(huì)瞬時(shí)變大，偏差為負(fù)值則會(huì)導(dǎo)致電機(jī)輸出扭矩減小，由于電網(wǎng)供電的特性母線電流會(huì)有所減小，如圖7（b）所示。則功率反饋值會(huì)有所增加，電機(jī)輸出功率會(huì)提高，如圖7（c）所示。與調(diào)節(jié)前基本保持一致。

圖7 直流母線參數(shù)隨時(shí)間變化曲線Fig.7 Time Curve of DC Bus Parameters

通過(guò)圖8（a）、圖8（b）轉(zhuǎn)速、扭矩隨時(shí)間的變化也能反映出系統(tǒng)運(yùn)行平穩(wěn)。證明所采用的控制系統(tǒng)，能夠保證逆變器在電源功率足夠的情況下保持穩(wěn)定輸出。

圖8 電機(jī)各輸出參數(shù)變化曲線Fig.8 Variation Curve of Motor Output Parameters

4.2 車(chē)輛滿載停車(chē)再次啟動(dòng)工況

車(chē)輛正常行駛時(shí)，如果駕駛員由于前面路況原因會(huì)反復(fù)踩踏油門(mén)，發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速會(huì)由高轉(zhuǎn)速降到怠速狀態(tài)，與此同時(shí)，發(fā)電機(jī)的電壓也會(huì)相應(yīng)的變化，這種工況相當(dāng)于對(duì)旋轉(zhuǎn)的電機(jī)再次啟動(dòng)工況，當(dāng)駕駛員踩油門(mén)時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速會(huì)相應(yīng)升高，發(fā)電機(jī)輸出增加，車(chē)輛運(yùn)行加速度明顯提升；相反，當(dāng)駕駛員松開(kāi)油門(mén)時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速會(huì)由高轉(zhuǎn)速立即降為怠速，則發(fā)動(dòng)機(jī)輸出扭矩、功率減小，發(fā)電機(jī)發(fā)出的電能也減少，車(chē)輛會(huì)減速行駛。在試驗(yàn)中，保持發(fā)電機(jī)勵(lì)磁旋鈕不動(dòng)，通過(guò)開(kāi)關(guān)功率給定值旋鈕來(lái)實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)電機(jī)的再次啟動(dòng)過(guò)程。電機(jī)輸出參數(shù)變化曲線，如圖9所示。三相電流變化，如圖10所示。

圖9 電機(jī)輸出參數(shù)變化曲線Fig.9 Variation Curve of Motor Output Parameters

圖10 逆變器輸出三相電流變化曲線Fig.10 Three Phase Current Variation Curve of Inverter Output

圖9（a）可知，轉(zhuǎn)速做下降和上升交替變化，電機(jī)輸出扭矩和功率也同樣做相應(yīng)變化，如圖9（b）、圖9（c）所示。部分變頻器在控制電機(jī)再次啟動(dòng)時(shí)容易出現(xiàn)過(guò)流保護(hù)現(xiàn)象，當(dāng)采用矢量控制算法后可以保證啟動(dòng)平穩(wěn)，電流沖擊小，如圖10所示。試驗(yàn)驗(yàn)證了采用該種控制算法，可以很好完成對(duì)旋轉(zhuǎn)電機(jī)再次啟動(dòng)工況。

5 結(jié)論

（1）根據(jù)電傳動(dòng)自卸車(chē)傳動(dòng)系統(tǒng)特點(diǎn)，參考電機(jī)轉(zhuǎn)速控制，以電機(jī)的轉(zhuǎn)速作為輸入，為實(shí)現(xiàn)有效保護(hù)，設(shè)計(jì)了斜坡給定的功率外環(huán)控制，滿足電機(jī)轉(zhuǎn)矩控制的要求；（2）系統(tǒng)的硬件處理器采用DSP 與CPLD相結(jié)合的方案，根據(jù)現(xiàn)有電機(jī)選擇系統(tǒng)中所需要的各種器件，設(shè)計(jì)了各種保護(hù)與檢測(cè)電路；（3）試驗(yàn)結(jié)果表明，采用該控制系統(tǒng)的逆變器能夠保證輸出電流不過(guò)流，無(wú)電流沖擊及振蕩現(xiàn)象產(chǎn)生，能夠適應(yīng)負(fù)載的各種變化，滿足電傳動(dòng)礦用自卸車(chē)在實(shí)際運(yùn)行中對(duì)路況復(fù)雜多變的要求。