唐勛路 劉輝榮 黃彩波 文雯

摘要：以某220T電動(dòng)輪自卸車為研究對(duì)象，提出了柴油機(jī)轉(zhuǎn)速、發(fā)電機(jī)電壓、電機(jī)轉(zhuǎn)矩控制策略，通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了所提出的控制策略，柴油機(jī)轉(zhuǎn)速與電壓跟隨性良好，能夠滿足礦用電動(dòng)輪自卸車的動(dòng)力需求。

關(guān)鍵字：電動(dòng)輪自卸車;柴油機(jī)轉(zhuǎn)速控制;電壓跟隨控制;

中圖分類號(hào)：U469.4? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引言

電動(dòng)輪自卸車是一種在露天礦山、水電工程上用來(lái)運(yùn)輸?shù)V石、泥土石料的非公路用車輛。有機(jī)械傳動(dòng)、電傳動(dòng)兩種結(jié)構(gòu)，百噸級(jí)以上的大型電動(dòng)輪自卸車普遍采用電傳動(dòng)的方式，從上世紀(jì)70年代發(fā)展至今，國(guó)內(nèi)外主流廠家的電傳動(dòng)系統(tǒng)大多采用交-直-交系統(tǒng)，主要由柴發(fā)機(jī)組、牽引變流器、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、制動(dòng)電阻等部件組成，本文以某220t電動(dòng)輪自卸車為研究對(duì)象，從實(shí)際工程應(yīng)用角度出發(fā)，綜合考慮礦山現(xiàn)場(chǎng)各種工況的特點(diǎn)，以優(yōu)化自卸車的動(dòng)力性能為需求目標(biāo)，提出了柴油發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、交流發(fā)電機(jī)電壓、牽引變流器的轉(zhuǎn)矩控制決策，最后通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了本文提出的控制策略。

1 電動(dòng)輪自卸車交流牽引傳動(dòng)系統(tǒng)

礦用電動(dòng)輪自卸車電驅(qū)系統(tǒng)主要由柴油機(jī)-發(fā)電機(jī)組、變流器、電機(jī)、斬波電阻等部分構(gòu)成，柴油機(jī)組發(fā)出的三相交流電經(jīng)過(guò)變流器整流得到直流電，在通過(guò)逆變單元變換成頻率、電壓可調(diào)的三相交流電驅(qū)動(dòng)電機(jī)，電機(jī)經(jīng)過(guò)輪邊減速器將動(dòng)能傳遞到自卸車的后輪，整車主控制器采集駕駛室信號(hào)，執(zhí)行駕駛員的操作意圖，調(diào)節(jié)柴油機(jī)轉(zhuǎn)速，下發(fā)指令給勵(lì)磁控制器，控制發(fā)電機(jī)的電壓輸出，同時(shí)變流器接收整車主控制器的指令實(shí)現(xiàn)整車的前進(jìn)、后退、牽引、制動(dòng)等功能，制動(dòng)回饋的能量通過(guò)斬波電阻以熱能的形式消耗掉，礦用電動(dòng)輪自卸車電驅(qū)系統(tǒng)示意圖如圖1所示。

2電驅(qū)系統(tǒng)控制策略

2.1柴油發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速控制策略

柴油機(jī)轉(zhuǎn)速控制信號(hào)通過(guò)油門踏板給定，整車主控制器采集油門踏板信號(hào)根據(jù)解析算法對(duì)柴油機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制，礦用電動(dòng)輪自卸車常采用頻率油門PWM信號(hào)或CAN總線方式進(jìn)行調(diào)速。柴油機(jī)轉(zhuǎn)速主要是確定怠速與最高轉(zhuǎn)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(dòng)工況下，也要適當(dāng)提升柴油機(jī)轉(zhuǎn)速，以滿足整車散熱需求，同時(shí)也要考慮整機(jī)啟動(dòng)過(guò)程功率需求變化較大可能造成的轉(zhuǎn)速不穩(wěn);柴油機(jī)最大轉(zhuǎn)速則以最大輸出功率所對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速點(diǎn)，實(shí)際在工程應(yīng)用中，為避免負(fù)載突然變化而造成柴油機(jī)轉(zhuǎn)速的波動(dòng)，會(huì)在發(fā)動(dòng)機(jī)特性曲線的基礎(chǔ)上適當(dāng)下調(diào)5%，當(dāng)運(yùn)行過(guò)程出現(xiàn)負(fù)載波動(dòng)時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)工作點(diǎn)可以根據(jù)實(shí)際情況短時(shí)越過(guò)工作曲線，保持發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速穩(wěn)定，本文研究對(duì)象選擇的MTU發(fā)動(dòng)機(jī)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(hào)后，經(jīng)過(guò)踏板信號(hào)與發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速關(guān)系換算，輸出頻率油門PWM信號(hào)或通過(guò)SAE-J1939通訊協(xié)議向發(fā)動(dòng)機(jī)ECM下發(fā)控制指令，由于運(yùn)行過(guò)程時(shí)的振動(dòng)較大，踏板電位信號(hào)需要設(shè)置一段無(wú)效行程范圍，油門踏板信號(hào)取最大量程的10%～90%為有效行程，柴油機(jī)轉(zhuǎn)速與應(yīng)油門踏板的輸入電壓線性對(duì)應(yīng)。

根據(jù)柴油機(jī)轉(zhuǎn)速的劃分以及油門踏板有效行程范圍，目標(biāo)轉(zhuǎn)速為：

2.2交流發(fā)電機(jī)電壓跟隨控制策略

電傳動(dòng)系統(tǒng)中交流發(fā)電機(jī)控制的基本策略是控制勵(lì)磁電流的大小調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)輸出電壓，實(shí)現(xiàn)電驅(qū)系統(tǒng)的直流母線電壓跟隨發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的變化。當(dāng)直流母線上功率需求發(fā)生變化時(shí)，通過(guò)調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流維持當(dāng)前發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速下的電壓穩(wěn)定。

本文研究對(duì)象所選擇發(fā)電機(jī)基本參數(shù)如圖所示：

根據(jù)發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)參數(shù)，輸出的三相交流電經(jīng)過(guò)整流濾波后所能得到的直流電壓最大可以達(dá)到1800V，正常工作狀態(tài)直流母線目標(biāo)電壓Udc與發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速關(guān)系為：

直流母線電壓與發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的對(duì)應(yīng)關(guān)系如下圖所示：

勵(lì)磁控制器以直流母線電壓為控制對(duì)象，采用基于目標(biāo)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(duì)于急加速指令，控制器根據(jù)踏板值調(diào)節(jié)目標(biāo)電壓值，勵(lì)磁控制器采取強(qiáng)勵(lì)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(biāo)值;

Udc_F：直流母線電壓實(shí)際值;

Ie_s：強(qiáng)勵(lì)勵(lì)磁電流補(bǔ)償值;

當(dāng)踏板模擬量值急劇增加，可以預(yù)見柴油機(jī)轉(zhuǎn)速快速上升，后端功率需求快速增加，因此在實(shí)際控制之前提前引入前饋控制量，疊加強(qiáng)勵(lì)勵(lì)磁電流補(bǔ)償值，對(duì)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(jī)轉(zhuǎn)矩控制策略

牽引系統(tǒng)的控制是根據(jù)驅(qū)動(dòng)電機(jī)當(dāng)前轉(zhuǎn)速所處區(qū)間進(jìn)行決策的，分為：1）電機(jī)啟動(dòng)狀態(tài);2）電機(jī)恒轉(zhuǎn)矩區(qū);3）電機(jī)恒功率區(qū)。自卸車處于不同行駛狀態(tài)時(shí)，電機(jī)工作點(diǎn)會(huì)出現(xiàn)在不同區(qū)域，牽引系統(tǒng)應(yīng)采取相應(yīng)的控制決策，滿足自卸車在該狀態(tài)下的動(dòng)力需求。當(dāng)驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)速在基速N下時(shí)，電機(jī)處于恒轉(zhuǎn)矩區(qū)，此時(shí)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩較大，但轉(zhuǎn)速較小，驅(qū)動(dòng)功率小，需繼續(xù)維持驅(qū)動(dòng)力使轉(zhuǎn)速增加;當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速大于基速時(shí)，電機(jī)進(jìn)入恒功率區(qū)，此時(shí)在發(fā)動(dòng)機(jī)最大凈輸出功率的限制下，由當(dāng)前電機(jī)轉(zhuǎn)速計(jì)算出目標(biāo)轉(zhuǎn)矩，控制電機(jī)輸出目標(biāo)轉(zhuǎn)矩，根據(jù)與阻力矩的關(guān)系實(shí)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)速的變化。驅(qū)動(dòng)電機(jī)在工作區(qū)域上的工作點(diǎn)大多能夠根據(jù)電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行判斷，自卸車的行駛狀態(tài)也基本能夠根據(jù)車速進(jìn)行區(qū)分。

當(dāng)駕駛員給定踏板指令后，此時(shí)牽引控制系統(tǒng)會(huì)根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速限制最大功率曲線，根據(jù)踏板指令選擇電機(jī)工作區(qū)域內(nèi)的一條特性曲線，驅(qū)動(dòng)電機(jī)的工作點(diǎn)就落在這條特性曲線上。確定電機(jī)工作曲線后，驅(qū)動(dòng)電機(jī)的目標(biāo)工作點(diǎn)由當(dāng)前電機(jī)轉(zhuǎn)速?zèng)Q定。

電機(jī)轉(zhuǎn)矩Te函數(shù)可表示為：

3 結(jié)果分析

柴油機(jī)轉(zhuǎn)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(jī)轉(zhuǎn)速根據(jù)駕駛員操作油門踏板進(jìn)行動(dòng)態(tài)響應(yīng)，發(fā)電機(jī)電壓經(jīng)過(guò)整流后的直流電壓能夠跟隨柴油機(jī)轉(zhuǎn)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(dòng)工況下，電機(jī)制動(dòng)能量回饋，抬升直流母線電壓，柴油機(jī)轉(zhuǎn)速提升以滿足整機(jī)散熱的需求;圖8表明了再急加速階段，柴油機(jī)轉(zhuǎn)速快速升至額定轉(zhuǎn)速點(diǎn)，勵(lì)磁控制器進(jìn)入強(qiáng)勵(lì)控制，保證中間電壓的快速上升，由于強(qiáng)勵(lì)原因，直流電壓高于下發(fā)的直流電壓目標(biāo)值。

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

結(jié)語(yǔ)

針對(duì)礦用電動(dòng)輪自卸車電驅(qū)系統(tǒng)動(dòng)力性能問(wèn)題，本文提出了柴油機(jī)轉(zhuǎn)速控制策略、發(fā)電機(jī)電壓跟隨控制、電機(jī)轉(zhuǎn)矩控制決策，通過(guò)實(shí)驗(yàn)可知，本文提出的控制策略是可行的，能夠滿足礦用電動(dòng)輪自卸車的控制需求。對(duì)電動(dòng)輪自卸車電驅(qū)系統(tǒng)。

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作者簡(jiǎn)介：唐勛路（1990- ），男，湖南長(zhǎng)沙人，碩士研究生，主要從事礦用電動(dòng)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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