礦用電動輪自卸車電驅系統控制策略研究

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礦石、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年代發展至今，國內外主流廠家的電傳動系統大多采用交-直-交系統，主要由柴發機組、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，綜合考慮礦山現場各種工況的特點，以優化自卸車的動力性能為需求目標，提出了柴油發動機轉速、交流發電機電壓、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

礦用電動輪自卸車電驅系統主要由柴油機-發電機組、變流器、電機、斬波電阻等部分構成，柴油機組發出的三相交流電經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，執行駕駛員的操作意圖，調節柴油機轉速，下發指令給勵磁控制器，控制發電機的電壓輸出，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示意圖如圖1所示。

2電驅系統控制策略

2.1柴油發動機轉速控制策略

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;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，會在發動機特性曲線的基礎上適當下調5%，當運行過程出現負載波動時，發動機工作點可以根據實際情況短時越過工作曲線，保持發動機的轉速穩定，本文研究對象選擇的MTU發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，經過踏板信號與發動機轉速關系換算，輸出頻率油門PWM信號或通過SAE-J1939通訊協議向發動機ECM下發控制指令，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交流發電機電壓跟隨控制策略

電傳動系統中交流發電機控制的基本策略是控制勵磁電流的大小調節發電機輸出電壓，實現電驅系統的直流母線電壓跟隨發動機轉速的變化。當直流母線上功率需求發生變化時，通過調節勵磁電流維持當前發動機轉速下的電壓穩定。

本文研究對象所選擇發電機基本參數如圖所示：

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

直流母線電壓與發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反饋控制策略，提高直流母線電壓跟隨控制的穩定性，對于急加速指令，控制器根據踏板值調節目標電壓值，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牽引系統電機轉矩控制策略

牽引系統的控制是根據驅動電機當前轉速所處區間進行決策的，分為：1）電機啟動狀態;2）電機恒轉矩區;3）電機恒功率區。自卸車處于不同行駛狀態時，電機工作點會出現在不同區域，牽引系統應采取相應的控制決策，滿足自卸車在該狀態下的動力需求。當驅動電機轉速在基速N下時，電機處于恒轉矩區，此時驅動轉矩較大，但轉速較小，驅動功率小，需繼續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，此時在發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，根據與阻力矩的關系實現電機轉速的變化。驅動電機在工作區域上的工作點大多能夠根據電機轉速進行判斷，自卸車的行駛狀態也基本能夠根據車速進行區分。

當駕駛員給定踏板指令后，此時牽引控制系統會根據發動機轉速限制最大功率曲線，根據踏板指令選擇電機工作區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駕駛員操作油門踏板進行動態響應，發電機電壓經過整流后的直流電壓能夠跟隨柴油機轉速發生變化，呈現出良好的跟隨性。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，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動力性能問題，本文提出了柴油機轉速控制策略、發電機電壓跟隨控制、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。

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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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