基于粗糙集理論的電傳動牽引電動機評價研究

金 晶

(吉林鐵道職業技術學院，吉林132200)

0 引 言

常見電傳動系統靠電力實現能量傳遞，往往采用柴電機組發電，分配傳動到輪邊牽引電機驅動，傳統的變速箱等機械太過沉重而被取代，這區別于混合動力汽車發動機+電池的動力供給傳遞方式。自卸車廣泛被用作露天礦山的主要運輸工具［1］，因電傳動方式成本低、效率高、維修方便，在百噸級以上自卸車中多被采用，且裝甲車、機車等領域也多有應用，形式稍有區別。電傳動系統中牽引電機特性對整車動力參數影響尤為突出，牽引電機與整車綜合性能匹配和評價成為亟需解決的問題，有必要建立一個以牽引電機為核心的綜合評價體系。

在實際生產和選購中廠家對牽引電機往往以單體進行考慮，滿足基本特性要求即可，而沒有嵌入到整個電傳動系統中統籌考慮，只依靠臺架試驗或基本參數匹配進行測試，較難保證評價的準確性和客觀性。國內外對自卸車電傳動評價方面的研究較少，多針對混合動力系統燃油等多方面進行分析評價［2～4］，國內北京理工大學王偉［5］等利用灰色關聯度及實驗模擬對電機進行了性能評價;而在國外Livint Gheorghe［6］等針對混合動力汽車控制算法進行分析評價，Sung Chul Oh［7］利用硬件在環的方式針對電動車電機提出了評價分析，以上這些研究都沒有圍繞電傳動系統展開。

本文充分利用本單位在設計中積累的自卸車各方面數據，根據礦用自卸車用牽引電機及電傳動系統特點，提出了根據電傳動系統組成及能量傳遞的不同方面來分別提出評價指標，主要包括電動機廠家、柴電機組廠家、輪邊減速器廠家和電傳動系統集成廠家，以電傳動試驗和計算機仿真平臺為評價測試手段，采用粗糙集理論的評價方法，建立了針對不同類型及特點的電動機機綜合性能評價體系，綜合電傳動系統中對驅動電機需求，又突出各類型電動機特點，以此檢驗各種電機性能。

1 應用于電傳動系統的電動機評價流程

電傳動系統對電動機需求基本一致，為了突出礦用自卸車對電機的需求特點及對比不同類型電機特點的優劣，本文充分考慮電傳動各廠家及相互影響，提出三縱向兩橫向交織的評價網絡。本網絡圍繞電傳動車輛的牽引電動機，其三縱向主要指牽引電動機廠家、電傳動系統廠家和整車集成廠家，兩橫向主要指驅動電機臺架測試和各工況下計算機仿真平臺。計算機仿真平臺的建立是因為針對各個類型電機的全部工況展開實測分析過于復雜，可通過軟件仿真驗證各工況下特性。臺架試驗在已有試驗條件基礎上盡可能多地測試驅動電機系統真實性能參數。體系圖如圖1 所示，本評價框架的提出，旨在包括整個電傳動系統，同時又突出牽引電機的重要性，數據范圍廣而精煉。

圖1 牽引電機評價體系圖

2 驅動電機評價流程

電傳動自卸車用驅動電機主要類型有:交流感應電機、無刷直流電機、有刷直流電機，永磁同步電機和開關磁阻電機也有應用實例［8］，這五種驅動電機在牽引領域中各有應用，各自結構設計、裝配和控制也不盡相同，較之于混合動力汽車，電傳動的驅動電機同時在控制算法下還承擔了部分轉向功能。三大類的評價指標主要包括電機本體及控制指標、電傳動系統配合指標及循環工況配合指標三大類。其中異步電機應用最為廣泛，為了評價直觀和充分利用已有數據，先采用異步電機多組數據進行對比展開討論。

2.1 電機本體及控制指標

電動輪自卸車是將電動機直接置于車輪輪轂內，這樣就與制動器及輪邊減速器等多個傳動環節結合為整體，此安裝和傳動形式對電機的體積提出了較高的要求，在滿足基本額定工況要求的基礎上，考慮礦用自卸車大噸位、大負荷的特點，同時要強調過載能力和恒功范圍，綜合提出以下六個指標即:高效區范圍、過載能力、恒功區范圍、操控響應時間、成本及體積。其中過載能力及操控響應時間都是指在額定工況下的數據。應用于電傳動系統的牽引電動機突出特點是體積要求嚴格，在完成功率要求的基礎上能夠裝配到輪轂限定直徑范圍內，并與輪邊減速器形成有效配合;往往礦區的長時上下坡工況又要求牽引電機能夠適應長時低轉速大扭矩的輸出工況，電傳動牽引電動機的這些特別要求也需要在指標中得到突出，以區別其它領域電機特點。

2.2 電傳動系統配合指標

電傳動系統能量傳遞從柴電機組燃油能量途徑發動機、發電機到整流逆變，最終經過機械部分輪邊減速器與輪胎將能量最終輸出。系統充分高效運行需整個系統各部分都能盡量運行穩定在高效區。本文在電動機自身高效區的定義基礎上提出了效率發揮程度指標，分別為柴電機組高效利用指標和輪邊減速器高效利用指標。其中電動機自身高效區間ηmo_eff定義:

式中:Nmo_i為電動機工作點落于高效區點數;Nmo為電動機總的工作點數。

根據電動機與柴電機組對應轉速關系ide_mo，對于柴電機組高效利用指標ηde_eff_i有:

式中:Nmo_de_i為電動機與柴電機組同時工作點落于高效區點數;Nde_i為柴電機組總的高效工作點數。

對于輪邊減速器高效利用區間與柴電機組高效區間利用公式同理，需計算電動機高效轉速范圍內占輪邊減速器的高效范圍大小。

2.3 循環工況配合指標

礦用自卸車行駛工況惡劣復雜多變，評價電機是否適合及匹配整個系統的設計還要重點考慮其車況的基本速度、轉速，在此提出，即車況高效利用區間ηR_eff_i:

式中:NR_mo_i為常見行駛工況電動機高效點數;Nmo_i為電動機高效區間工作點數。

3 粗糙集評價方法

由于自卸車電傳動系統的研究正處于技術研究階段，高效與準確等指標的平衡存在許多不確定因素，涉及面較廣。常見主觀賦權法太過寬泛，而加權平均法對數據沒有得以突出，模糊數學理論對復雜的指標體系權重難以準確應用。數據處理需求小，這是粗糙集理論較之其它評價最為顯著特點，且無需提供集合之外任何數據，其思路是針對已有知識庫分析隱藏在數據中的事實。粗糙集理論正是一種處理不確定性和不完整性知識的數學工具，歷史經驗數據及相互交織的重要程度加以處理，以區別對待數據序列及屬性的重要性［9］。評價方法一般按照如下步驟:

3.1 功能屬性

圍繞核心評價目標，建立決策屬性集合D ={y}，主要關心電傳動系統評價;其評價組成條件屬性集合C={c1，c2，…，cn}。對于電機評價各類指標某個確定評價對象的某個指標值綜合評分可歸類，進入知識系統的成為一條單獨信息，依次定義uk=(c1k，c1k，…c1k，yk)，進而得到論域U ={u1，u2，…，um}，則uk構成的信息總表即后期對象加以處理的關系數據模型，進而凸顯某類電機更適應電傳動。電傳動系統中數據繁多，功能屬性的確定需圍繞電傳動系統，并結合各類型電機特點同時展開。

3.2 功能屬性數據處理

指標評分的屬性指標終究粗糙集理論是以數字量化處理為基礎，對不易量化的類可采取打分的形式，對易量化的指標數據以實際測度值為精準評分依據。同時統一數量級及消除量綱，以避免各類指標數值的改變對評價目標的影響差異，因此評分方法如下:

當指標越大越好時:

當指標越小越好時:

如前所述，數據需量化處理展開討論，離散化的數據才能應用粗糙集理論。本文選取等距離法對數據進行離散化的處理，以有效快速計算，提高精度。屬性的區間長度的確定如下:

3.3 確定不同指標屬性權重

在初始提出的各評價指標中我們人為賦值其重要性，采用粗糙集理論則是突出各自不同的重要性，同時可引入新屬性觀察指標變化特點進一步確認新系統中各權重。其重要度原則就足以定位多指標評價的權重［10-11］。知識D(決策屬性指標)對知識C(評價指標集合)的依賴程度:

計算各評價指標的重要性σ(ci):

各評價指標的權重系數:

4 應用實例及實驗

4.1 屬性及評價體系確定

以不同噸位的16 臺礦用自卸車牽引電機特性數據為樣本，1 ～6 為感應電機;7 ～10 為永磁同步電機;11 ～13 為無刷直流電機;14 ～16 為開關磁阻電機。基于以上分析，首先建立條件屬性集合C ={c1高效區范圍，c2過載倍數，c3恒功區范圍，c4轉矩響應時間，c5成本，c6體積，c7柴電機組高效利用范圍，c8輪邊減速器高效利用區范圍，c8路況高效利用范圍};建立各電機決策屬性集合D ={y 電機評價指標平均得分}，C 如表1 所示。

表1 各類電機評價參數

續表

4.2 數據處理

觀察電機評價指標可知，其都是數據可量化的指標，轉矩響應時間和成本為越小越好，其余均反之。對于評價指標的上下限值的選取要廣泛對比各個廠家指標以及相關國家標準，應用于電傳動系統也會帶來要求和實用的不同，需加以區別對待。最終確定各評價指標的上下限值如下:

4.3 權重確定

利用式(10)計算各指標的得分，如表2 所示;各屬性區間可根據式(6)及定義，在一定范圍內量化并離散得到結果，如表3 所示。

表2 電機量化評分

表3 系統簡化表

續表

由表3 得:

U/indD={(1，2，3，4，5，6，9，12，14，15，16)，(7，8，10)，(12，13)}

U/indD 表示參照D 列構成的等價關系集合，U/indC 等依次類推。

推導得相應條件下的屬性集合正域:

根據式(7)、式(8)得到決策屬性對相應知識評價指標的依賴程度:

按照式(9)得到各個權重指標為:

分析最終權重指標可知:恒功區范圍及體積大小會較大的影響電機的綜合評價指標，而過載倍數、響應時間、成本及路況利用系數各種電機評價指標相差不大，應當予以相對削弱。分析電傳動系統發展不斷演變和采用的電機形式也會發現最初的直流電機因為維護復雜、功率密度低而被逐步替代，控制過于復雜則成本會進一步提升，永磁電機會凸顯自身優勢。

取原來平均分最高的7 號永磁同步電機為例進行分析，可知E7=74.99，在原來的基礎上更進一步凸顯了優勢。總體來說永磁同步電機的評價指標在成本及控制指標方面并不是十分優秀，但其良好的綜合高效利用率使得其綜合評價指標較高;另一方面感應電機雖然成本較低，但綜合利用效率卻較低，無法發揮出系統的最高效率。開關磁阻電機及無刷直流電機基于控制系統的成熟性不夠，高效區不夠，當前綜合評價指標在本領域并不高，但具有廣闊的普及前景。由此分析可知，此體系可以方便用于多電機綜合評價。對于各類型電機特性在試驗基礎上可結合仿真軟件迅速獲得，圖2 為一臺試驗所用異步電機轉速—轉矩特性曲線，進而方便提取數據離散化處理分析。

圖2 軟件仿真電機轉速—轉矩特性

對于實際路況高效利用及柴電機組、輪邊減速器的高效利用，必須結合實車和臺架實驗進行測量和分析，如上圖3 所示進行電傳動實驗。圖4 為輪邊電機及測功機實物照片。

圖3 柴油發動機及發電機組

圖4 輪邊電機及測功機

如前所述，表3 中數據為廠家提供基本設計數據。實測數據和廠家數據是相互驗證關系，為了試驗的簡化和方便，對于某些電機的數據可以通過仿真軟件數據加以填充。在試驗過程中可以根據實際情況調整發動機工況以適應電動機輸出特性，觀察多個特性點是否滿足高效要求，并與實車測試結果相結合。表4 為實車測量數據。

表4 實測循環工況數據

通過對實測數據的對比我們發現，對于路況利用效率差別并不大，權重應當適當降低，而相對于電傳動這種區別于混合動力汽車的傳動方式中柴電機組和輪邊減速器利用效率差別相當大，應當給予充分重視，調整權重后，永磁同步電機的優勢進一步顯現出來，這也映證了我們粗糙集理論體系評價的準確性。

5 結 論

(1)根據電傳動系統主要部件及能量傳遞特點建立了評價指標體系，一系列評價指標的提出使電機評價更為客觀實用。

(2)提出基于粗糙集方法綜合評價礦用自卸車牽引電機的方法，將評價指標利用到粗糙集評價體系中。以粗糙集展開賦權并顯示性能指標的重要性，突出了應用于電傳動系統牽引電機不同類型的特點，方便于選型及優化，縮短了開發周期。

(3)綜合了臺架試驗數據、仿真結果及生產廠家實車采集三方面數據，驗證了應用粗糙集理論下牽引電動機評價方法的準確性。觀察發現永磁同步電機具有較高的綜合評價指標，研究價值較高。

［1］ 孫博，胡順安，周俊，等.國內非公路礦用自卸車發展現狀研究［J］.煤礦機械，2010，31(8):15 -16.

［2］ BAUMANN B M，WASHINGTON G，GLENN B C，et al. Mechatronic design and control of hybrid electric vehicles［J］. IEEE/ASME Transactions on Mechatronics，2000，5(1):58 -72 .

［3］ 李孟良，劉伏萍，陳燕濤，等.基于PEMS 的混合動力客車排放和油耗性能評價［J］. 江蘇大學學報(自然科學版)，2006，27(1):27 -30.

［4］ YAMAMOTO T，HASEGAWA H，FURUYA T，et al. Energy efficiency evaluation of fuel cells and batteries hybrid railway test vehicles［J］. Railway Technical Research Institute，2010，51(3):115 -121.

［5］ 王偉，王慶年，初亮，等.混合動力汽車驅動電機性能評價體系研究［J］.農業機械學報，2011，42(8):20 -25.

［6］ LIVINT G，HORGA V，ALBU M，et al.Evaluation of control algorithms for hybrid electric vehicles［J］. WSEAS Transactions on Systems，2007，6(1):133 -140.

［7］ SUNG C O. Evaluation of motor characteristics for hybrid electric vehicles using the hardware-in -the-loop concept［J］.Vehicular Technology，2005，54(3):817 -824.

［8］ 柴海波，鄢治國，況明偉，等.電動車驅動電機發展現狀［J］.微特電機，2013，41(4):52 -57.

［9］ 舒服華.粗糙集在電能質量綜合評價中應用［J］. 電力自動化設備，2008，28(10):75 -79.

［10］ 王國胤，姚一豫，于洪.粗糙集理論與應用研究綜述［J］.計算機學報，2009，32(7):1229 -1246.

［11］ 聶燕飛.基于層次分析法和灰色關聯分析的油田科技人才評價模型研究［D］.上海:上海交通大學，2011.