礦用電動輪自卸車電驅系統(tǒng)控制策略研究

唐勛路 劉輝榮 黃彩波 文雯

摘要：以某220T電動輪自卸車為研究對象，提出了柴油機轉速、發(fā)電機電壓、電機轉矩控制策略，通過實驗驗證了所提出的控制策略，柴油機轉速與電壓跟隨性良好，能夠滿足礦用電動輪自卸車的動力需求。

關鍵字：電動輪自卸車;柴油機轉速控制;電壓跟隨控制;

中圖分類號：U469.4? ? ? 文獻標志碼：A

0 引言

電動輪自卸車是一種在露天礦山、水電工程上用來運輸?shù)V石、泥土石料的非公路用車輛。有機械傳動、電傳動兩種結構，百噸級以上的大型電動輪自卸車普遍采用電傳動的方式，從上世紀70年代發(fā)展至今，國內外主流廠家的電傳動系統(tǒng)大多采用交-直-交系統(tǒng)，主要由柴發(fā)機組、牽引變流器、驅動電機、制動電阻等部件組成，本文以某220t電動輪自卸車為研究對象，從實際工程應用角度出發(fā)，綜合考慮礦山現(xiàn)場各種工況的特點，以優(yōu)化自卸車的動力性能為需求目標，提出了柴油發(fā)動機轉速、交流發(fā)電機電壓、牽引變流器的轉矩控制決策，最后通過實驗驗證了本文提出的控制策略。

1 電動輪自卸車交流牽引傳動系統(tǒng)

礦用電動輪自卸車電驅系統(tǒng)主要由柴油機-發(fā)電機組、變流器、電機、斬波電阻等部分構成，柴油機組發(fā)出的三相交流電經(jīng)過變流器整流得到直流電，在通過逆變單元變換成頻率、電壓可調的三相交流電驅動電機，電機經(jīng)過輪邊減速器將動能傳遞到自卸車的后輪，整車主控制器采集駕駛室信號，執(zhí)行駕駛員的操作意圖，調節(jié)柴油機轉速，下發(fā)指令給勵磁控制器，控制發(fā)電機的電壓輸出，同時變流器接收整車主控制器的指令實現(xiàn)整車的前進、后退、牽引、制動等功能，制動回饋的能量通過斬波電阻以熱能的形式消耗掉，礦用電動輪自卸車電驅系統(tǒng)示意圖如圖1所示。

2電驅系統(tǒng)控制策略

2.1柴油發(fā)動機轉速控制策略

柴油機轉速控制信號通過油門踏板給定，整車主控制器采集油門踏板信號根據(jù)解析算法對柴油機轉速進行控制，礦用電動輪自卸車常采用頻率油門PWM信號或CAN總線方式進行調速。柴油機轉速主要是確定怠速與最高轉速的劃定，怠速階段要考慮冷卻系統(tǒng)等部件的功率需求，其中在電制動工況下，也要適當提升柴油機轉速，以滿足整車散熱需求，同時也要考慮整機啟動過程功率需求變化較大可能造成的轉速不穩(wěn);柴油機最大轉速則以最大輸出功率所對應的轉速點，實際在工程應用中，為避免負載突然變化而造成柴油機轉速的波動，會在發(fā)動機特性曲線的基礎上適當下調5%，當運行過程出現(xiàn)負載波動時，發(fā)動機工作點可以根據(jù)實際情況短時越過工作曲線，保持發(fā)動機的轉速穩(wěn)定，本文研究對象選擇的MTU發(fā)動機特性曲線如圖所示。

整車主控制器采集油門踏板的電位信號后，經(jīng)過踏板信號與發(fā)動機轉速關系換算，輸出頻率油門PWM信號或通過SAE-J1939通訊協(xié)議向發(fā)動機ECM下發(fā)控制指令，由于運行過程時的振動較大，踏板電位信號需要設置一段無效行程范圍，油門踏板信號取最大量程的10%～90%為有效行程，柴油機轉速與應油門踏板的輸入電壓線性對應。

根據(jù)柴油機轉速的劃分以及油門踏板有效行程范圍，目標轉速為：

2.2交流發(fā)電機電壓跟隨控制策略

電傳動系統(tǒng)中交流發(fā)電機控制的基本策略是控制勵磁電流的大小調節(jié)發(fā)電機輸出電壓，實現(xiàn)電驅系統(tǒng)的直流母線電壓跟隨發(fā)動機轉速的變化。當直流母線上功率需求發(fā)生變化時，通過調節(jié)勵磁電流維持當前發(fā)動機轉速下的電壓穩(wěn)定。

本文研究對象所選擇發(fā)電機基本參數(shù)如圖所示：

根據(jù)發(fā)電機設計參數(shù)，輸出的三相交流電經(jīng)過整流濾波后所能得到的直流電壓最大可以達到1800V，正常工作狀態(tài)直流母線目標電壓Udc與發(fā)動機的轉速關系為：

直流母線電壓與發(fā)動機轉速的對應關系如下圖所示：

勵磁控制器以直流母線電壓為控制對象，采用基于目標電壓值的閉環(huán)反饋控制策略，提高直流母線電壓跟隨控制的穩(wěn)定性，對于急加速指令，控制器根據(jù)踏板值調節(jié)目標電壓值，勵磁控制器采取強勵方式，加快直流電壓上升，以滿足后端功率需求。

圖中：

Udc_T：直流母線電壓目標值;

Udc_F：直流母線電壓實際值;

Ie_s：強勵勵磁電流補償值;

當踏板模擬量值急劇增加，可以預見柴油機轉速快速上升，后端功率需求快速增加，因此在實際控制之前提前引入前饋控制量，疊加強勵勵磁電流補償值，對直流母線電壓跟隨控制具有明顯的改善作用。

2.3牽引系統(tǒng)電機轉矩控制策略

牽引系統(tǒng)的控制是根據(jù)驅動電機當前轉速所處區(qū)間進行決策的，分為：1）電機啟動狀態(tài);2）電機恒轉矩區(qū);3）電機恒功率區(qū)。自卸車處于不同行駛狀態(tài)時，電機工作點會出現(xiàn)在不同區(qū)域，牽引系統(tǒng)應采取相應的控制決策，滿足自卸車在該狀態(tài)下的動力需求。當驅動電機轉速在基速N下時，電機處于恒轉矩區(qū)，此時驅動轉矩較大，但轉速較小，驅動功率小，需繼續(xù)維持驅動力使轉速增加;當電機轉速大于基速時，電機進入恒功率區(qū)，此時在發(fā)動機最大凈輸出功率的限制下，由當前電機轉速計算出目標轉矩，控制電機輸出目標轉矩，根據(jù)與阻力矩的關系實現(xiàn)電機轉速的變化。驅動電機在工作區(qū)域上的工作點大多能夠根據(jù)電機轉速進行判斷，自卸車的行駛狀態(tài)也基本能夠根據(jù)車速進行區(qū)分。

當駕駛員給定踏板指令后，此時牽引控制系統(tǒng)會根據(jù)發(fā)動機轉速限制最大功率曲線，根據(jù)踏板指令選擇電機工作區(qū)域內的一條特性曲線，驅動電機的工作點就落在這條特性曲線上。確定電機工作曲線后，驅動電機的目標工作點由當前電機轉速決定。

電機轉矩Te函數(shù)可表示為：

3 結果分析

柴油機轉速與直流電壓如圖6～圖8所示，從圖6可知，整車正常行駛情況下柴油機轉速根據(jù)駕駛員操作油門踏板進行動態(tài)響應，發(fā)電機電壓經(jīng)過整流后的直流電壓能夠跟隨柴油機轉速發(fā)生變化，呈現(xiàn)出良好的跟隨性。圖7所展示了整車在電制動工況下，電機制動能量回饋，抬升直流母線電壓，柴油機轉速提升以滿足整機散熱的需求;圖8表明了再急加速階段，柴油機轉速快速升至額定轉速點，勵磁控制器進入強勵控制，保證中間電壓的快速上升，由于強勵原因，直流電壓高于下發(fā)的直流電壓目標值。

從圖9可以看出，在電機起步階段，電機轉矩快速爬升進入恒轉矩區(qū)，隨著電機轉速電機轉矩有所下降，同時轉矩也受踏板指令限制，轉矩分布在不同的特性曲線下。

結語

針對礦用電動輪自卸車電驅系統(tǒng)動力性能問題，本文提出了柴油機轉速控制策略、發(fā)電機電壓跟隨控制、電機轉矩控制決策，通過實驗可知，本文提出的控制策略是可行的，能夠滿足礦用電動輪自卸車的控制需求。對電動輪自卸車電驅系統(tǒng)。

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作者簡介：唐勛路（1990- ），男，湖南長沙人，碩士研究生，主要從事礦用電動輪自卸車牽引變流器方面的研究，電子信箱：tangxl602@foxmail.com .

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