王曉晶,王丙軍
(安陽工學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院,河南 安陽 455000)
電動(dòng)輪車輛在重型短距離裝載運(yùn)輸?shù)牡V山應(yīng)用普遍,尤其是露天礦山開采等應(yīng)用越來越普遍。受制于機(jī)械傳動(dòng)設(shè)備加工尺寸和精度,尤其是超大型齒輪傳動(dòng),在向大噸位發(fā)展的過程中,礦山運(yùn)輸車輛越來越多的采用電動(dòng)輪自卸式車輛,其突破了傳統(tǒng)扭矩傳輸和液力機(jī)構(gòu)的限制[1]。此類傳動(dòng)實(shí)現(xiàn)能量從機(jī)械能到電能再到機(jī)械能的傳遞方式,通過線路替代原有的機(jī)械傳遞形式,加工更加方便,可以設(shè)計(jì)更大運(yùn)輸噸位的載重車輛,實(shí)現(xiàn)更高效的運(yùn)輸。
國內(nèi)外學(xué)者對(duì)電傳動(dòng)控制進(jìn)行一定研究:文獻(xiàn)[2]對(duì)比不同算法對(duì)控制系統(tǒng)響應(yīng)速度的影響;文獻(xiàn)[3]基于CAN 總線技術(shù)對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì),提高了控制效率和控制精度;文獻(xiàn)[4]應(yīng)用交流傳動(dòng)互饋試驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)對(duì)電傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì);文獻(xiàn)[5]基于CAN 總線技術(shù)對(duì)直流傳動(dòng)控制系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)比分析。
基于電傳動(dòng)車輛的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和功能需求,對(duì)電傳動(dòng)控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì);利用更加有效的控制策略解決多年使用中碰見的問題,以期實(shí)現(xiàn)高效安全的控制和有效的運(yùn)行;并且利用人性化的圖形界面實(shí)現(xiàn)顯示和故障診斷系統(tǒng)的智能化,以方便車輛駕駛和管理。
電傳動(dòng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖,如圖1 所示,整個(gè)系統(tǒng)經(jīng)過機(jī)械能-電能-機(jī)械能的兩次能量轉(zhuǎn)化[6],提高了傳遞效率。

圖1 電傳動(dòng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖Fig.1 Electric Drive Structure Diagram
牽引時(shí),柴油機(jī)驅(qū)動(dòng)主發(fā)電機(jī),發(fā)出兩組三相交流電,經(jīng)整流單元UZ1 整流后,在接觸器KM1 獲電的條件下,送到串接的牽引電動(dòng)機(jī)M1,實(shí)現(xiàn)汽車牽引。牽引原理圖,如圖2 所示。

圖2 牽引電路原理圖Fig.2 Traction Circuit Diagram
在系統(tǒng)的主回路里面,整流單元和電動(dòng)機(jī)的電樞繞組以及電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁繞組串聯(lián)在一起,保證了主電路的電流的大小一致。在實(shí)際中電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁繞組是反向串聯(lián),所以這樣就保證了兩個(gè)電動(dòng)機(jī)一個(gè)是順時(shí)針的轉(zhuǎn)矩,另外一個(gè)是逆時(shí)針的轉(zhuǎn)矩,這樣就保證了電動(dòng)機(jī)的前進(jìn)方向是一致的[7]。換向電路、磁場(chǎng)削弱電路、保護(hù)電路、勵(lì)磁和輔助電路,如圖3 所示。
牽引電動(dòng)機(jī)M1在后橋殼里安裝(為使車輪旋轉(zhuǎn)方向一致,兩組牽引電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁繞組相反串聯(lián))。牽引電動(dòng)機(jī)是串勵(lì)直流電動(dòng)機(jī),通過接觸器 KM4、KM5的閉合,KM6、KM7的斷開,或相反的控制來改變串勵(lì)繞組的電流方向以實(shí)現(xiàn)汽車的換向,換向原理圖,如圖3(a)所示。需要制動(dòng)時(shí),踩電制動(dòng)踏板,KM1 斷開,制動(dòng)電阻接入,實(shí)現(xiàn)電制動(dòng)。在電制動(dòng)過程中,根據(jù)不同的階段有不同的控制策略,續(xù)流二極管VD1 為制動(dòng)過程(能耗制動(dòng)階段)提供續(xù)流回路,在電動(dòng)機(jī)制動(dòng)過程中起著關(guān)鍵作用[8]。當(dāng)磁場(chǎng)削弱晶閘管VS6、VS7、VS8 閘管電路并聯(lián),通過分流實(shí)現(xiàn)磁場(chǎng)削弱,通過RS2 可以測(cè)量出弱磁電流的大小。導(dǎo)通時(shí),牽引電動(dòng)機(jī)勵(lì)磁繞組與晶而晶閘管的開度就代表了弱磁深度。磁場(chǎng)削弱電路,如圖3(b)所示。
防輪滑保護(hù)電路包括晶閘管VS4、VS5,當(dāng)車輛打滑不嚴(yán)重時(shí),控制器空制扣功,如果輪滑嚴(yán)重,判定牽引電機(jī)1 或2 打滑,對(duì)應(yīng)控制器控制晶閘管VS4 或VS5 打開,部分制動(dòng)電阻接入回路來限制電流[6]。防輪滑保護(hù)電路的原理圖,如圖3(c)所示。

圖3 部分電路原理圖Fig.3 Part of the Circuit Diagram
本發(fā)電機(jī)應(yīng)用的是自勵(lì)方式,當(dāng)脫扣開關(guān)閉合后,控制KMB、KM9 閉合,蓄電池電壓給發(fā)電機(jī)勵(lì)磁線圈(F1~F2)初始勵(lì)磁,如圖3(d)所示。(1~2)s 后,發(fā)電機(jī)三次諧波繞組(S1~S2)發(fā)出單相交流電后,通過VD4、VD5、VS1、VS2 構(gòu)成的半控整流橋開始工作,建立自勵(lì)磁,給勵(lì)磁線圈供電。
串勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的接線圖,如圖4 所示。它的勵(lì)磁繞組和電樞回路串聯(lián)。

串勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的氣隙磁通隨電樞電流Ia而變化,這是它的主要特點(diǎn)。

圖4 串勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的接線示意圖Fig.4 Series Excitation DC Motor Wiring Diagram
當(dāng)電機(jī)的磁路不飽和時(shí),串勵(lì)電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩為:

聯(lián)合以上各式,得到:

2.2.1 串勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)
(1)降壓起動(dòng)
起動(dòng)瞬間,通過調(diào)整電樞電壓,可使得電壓降低至U=(1.5~2.0)INRa,隨 n 增加,Ea增大,而 Ia則降低,在此過程中,U 不斷增加,Ia保持在(1.5~2)IN,至電壓達(dá)到額定值 UN,此時(shí)系統(tǒng)處于穩(wěn)定狀態(tài),整個(gè)過程結(jié)束。
(2)電樞回路串電阻起動(dòng)
若使得電壓不變而限制電流的值,可通過在回路中增加電阻的方式,則:

在線路中增加電阻,系統(tǒng)的啟動(dòng)過程時(shí)間較長(zhǎng),達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí),轉(zhuǎn)速較低,增加經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān),因此,系統(tǒng)中采用的是降壓?jiǎn)?dòng)。
2.2.2 串勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速

式中:β—比例系數(shù),這樣串勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的特性方程變成:

則,電氣調(diào)速方法有改變端電壓U,改變If和Ia的比值β,以及電樞回路串聯(lián)電阻調(diào)速等方法,在本系統(tǒng)中采用的是改變端電壓U,改變比值β 兩種調(diào)速方式[9]:
(1)改變端電壓調(diào)速
降低電樞外加電壓的數(shù)值,導(dǎo)致轉(zhuǎn)速下降。因?yàn)橄到y(tǒng)中的電動(dòng)機(jī)的供電有同步發(fā)電機(jī)供給,這樣就為改變電動(dòng)機(jī)的端電壓U提供了條件,在發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速一定的時(shí)候,可以通過調(diào)節(jié)同步發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁來改變端電壓的大小,在勵(lì)磁電路一定的時(shí)候(晶閘管的導(dǎo)通角一定時(shí)),可以通過改變油門踏板的位置來改變同步轉(zhuǎn)速以改變端電壓[10]。接線原理圖,如圖5 所示。可以看出,當(dāng)前面介紹的同步電壓改變的時(shí)候,兩個(gè)整流單元UZ1 和UZ2 的整流輸出電壓就相應(yīng)發(fā)生變化。改變端電壓調(diào)速人為特性曲線,如圖6(a)所示。

圖5 串勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的接線圖Fig.5 Series Excitation DC Motor wiring Diagram

圖6 串勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)改變勵(lì)磁電流人為特性曲線Fig.6 String Excitation DC Motor to Change the Excitation Current Artificial Characteristics
(2)改變 β 調(diào)速
改變?chǔ)?調(diào)速,既弱磁調(diào)速,就是改變通入電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁回路中的電流來改變電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速的調(diào)速方法。減少串勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁電流If,使勵(lì)磁電流和電樞回路的電流大小不相等。在圖7中,可以看到,當(dāng)需要進(jìn)行弱磁調(diào)速的時(shí)候,只要控制對(duì)應(yīng)的晶閘管VS6、VS7、VS8 導(dǎo)通,電樞回路的電流就可以經(jīng)過一個(gè)回路進(jìn)行分流達(dá)到弱磁的目的,這樣的調(diào)速方式和降壓調(diào)速可以配合使用,降壓調(diào)速的時(shí)候,實(shí)際速度小于固有速度[11]。弱磁調(diào)速時(shí),β<1,使得轉(zhuǎn)速可以提高(如圖7 中4、5 曲線,1 為固有特性曲線),在弱磁的時(shí)候靈活控制可以得到理想的轉(zhuǎn)速。如果在電樞回路串聯(lián)一個(gè)分流的回路,即在β>1 的時(shí)候,轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)是下降的(如圖7 中2、3 曲線,1 為固有特性曲線)。系統(tǒng)中使用的弱磁調(diào)速是在牽引階段,提高電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速時(shí)使用的。改變?chǔ)?的時(shí)候的人為特性曲線,如圖6(b)所示。
2.2.3 串勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)制動(dòng)

圖7 能耗制動(dòng)特性曲線Fig.7 Energy Braking Characteristics
串勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)在能耗制動(dòng)時(shí),電動(dòng)機(jī)發(fā)出功率,做發(fā)電機(jī)工作,工作點(diǎn),如圖7 所示。圖7 中的曲線1、2、3 為不同轉(zhuǎn)速n1、n2、n3時(shí)串勵(lì)發(fā)電機(jī)的外特性,直線4 是制動(dòng)電阻R 的特性。從圖中可以看出,轉(zhuǎn)速越高,制動(dòng)轉(zhuǎn)矩越大,當(dāng)轉(zhuǎn)速低于n1時(shí),即失去制動(dòng)效力,能耗制動(dòng)失效[12]。因此能耗制動(dòng)必須要和機(jī)械制動(dòng)以及其他形式的制動(dòng)結(jié)合使用才能滿足停車制動(dòng)的要求。
反接制動(dòng)時(shí),由于端電壓Ua不變,Φ 的方向相反,Ia方向不變,則:

可知,轉(zhuǎn)矩T 反向,產(chǎn)生制動(dòng)轉(zhuǎn)矩。
由式(3)可知,轉(zhuǎn)速 n<0。

可知,Ea<0,電磁功率PM=EaIa,可見PM<0,表示電樞吸收了機(jī)械功率,這是由整個(gè)機(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)部分的動(dòng)能轉(zhuǎn)化而來的功率。
又P1=UaIa>O,表示從電源吸收功率,可見,反接制動(dòng)時(shí),從電源吸收的電功率以及機(jī)組的動(dòng)能對(duì)應(yīng)的機(jī)械功率轉(zhuǎn)化成的電磁功率,都以損耗的形式消耗在電樞回路和制動(dòng)電阻中,功率平衡方程:

另外,可以知道在反接制動(dòng)時(shí),當(dāng)轉(zhuǎn)速下降到零時(shí),轉(zhuǎn)矩不為零,這時(shí),應(yīng)該把電機(jī)從電源上斷開,否則電機(jī)將反向啟動(dòng),就是倒拉反轉(zhuǎn)[13]。
控制系統(tǒng)原理框圖,如圖8 所示。根據(jù)設(shè)計(jì)需要,該控制系統(tǒng)由一個(gè)現(xiàn)場(chǎng)控制器(包括一個(gè)主控制器和一個(gè)從控制器),若干個(gè)發(fā)電機(jī)勵(lì)磁控制器、制動(dòng)控制器、逆變控制器,若干個(gè)帶有LIN總線的輔助電氣控制器組成。(1)主控制器:控制動(dòng)力回路,與發(fā)動(dòng)機(jī)、從控制器通信;(2)從控制器:主要控制輔助電氣系統(tǒng),與主控制器通信;(3)發(fā)電機(jī)勵(lì)磁控制器、逆變控制器、制動(dòng)控制器;(4)輔助電氣控制器:控制雨刷、前后大燈、車門、空調(diào)、室內(nèi)燈組等。

圖8 系統(tǒng)原理框圖Fig.8 System Block Diagram
主控制器需要采集的數(shù)據(jù)有:(6~8)個(gè)模擬量輸入:加速踏板位置,制動(dòng)踏板位置,限速旋鈕位置,母線電壓,母線低端對(duì)地電壓,母線高端對(duì)地電壓等;(10~12)個(gè)開關(guān)量輸入:鑰匙門(ACC-/ON/ST),換擋手柄(D/N/R),舉升操作手柄(上/下/停/浮動(dòng))等;(6~8)個(gè)開關(guān)量輸出:駐車制動(dòng)電磁閥,發(fā)動(dòng)機(jī)ECU 電磁閥,啟動(dòng)電機(jī)電磁閥,發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇電磁閥,鑰匙門(ACC/ON/ST)等;4 個(gè)CAN總線接口。原理圖,如圖9(a)所示。
工作原理:主控制器是整車控制的核心,是總線網(wǎng)絡(luò)上最關(guān)鍵的主節(jié)點(diǎn)。它負(fù)責(zé)采集關(guān)系到整車正常運(yùn)行的各項(xiàng)重要參數(shù),接收發(fā)動(dòng)機(jī)ECU 的廣播數(shù)據(jù),從控制器發(fā)送的數(shù)據(jù)幀,發(fā)電機(jī)勵(lì)磁、逆變、制動(dòng)的各項(xiàng)參數(shù),綜合判斷車輛的行駛工況,并經(jīng)過邏輯判斷發(fā)送指令,控制整車的正常運(yùn)行。

圖9 控制器原理圖Fig.9 Controller Schematic
從控制器需要采集的數(shù)據(jù)有:
(6~8)個(gè)模擬量輸入:燃油油位,水溫,機(jī)油溫度,機(jī)油壓力,氣壓,若干液壓閥等;(14~16)個(gè)開關(guān)量輸入:屏幕手柄移動(dòng)(上/下/左/右),屏幕手柄功能(確定/返回),故障指示檢測(cè),故障確認(rèn)開關(guān)、遠(yuǎn)近光燈、左右轉(zhuǎn)向、汽笛、霧燈等;(6~8)個(gè)開關(guān)量輸出:故障指示燈,故障蜂鳴器等;(1~2)個(gè) CAN 總線接口,一個(gè) LIN 總線接口(具有CAN,LIN 網(wǎng)關(guān)的功能)。
液壓控制器:如果車輛中的液壓閥較多,還可在系統(tǒng)中專設(shè)一個(gè)液壓控制器,負(fù)責(zé)控制整車的液壓系統(tǒng)。從控制器原理圖,如圖9(b)所示。
工作原理:從控制器是整車電氣控制的核心,是總線網(wǎng)絡(luò)上的次要節(jié)點(diǎn)。它負(fù)責(zé)采集車輛的電氣參數(shù),接受主控制器的命令,并向主控制器反饋車輛的電氣參數(shù),幫助主控制器對(duì)整車工況正確把握。
發(fā)電機(jī)勵(lì)磁控制器需要采集的數(shù)據(jù)有:采集(3~s)個(gè)模擬量輸入:功率元件當(dāng)前溫度,當(dāng)前勵(lì)磁整流電壓,當(dāng)前勵(lì)磁線圈電流,發(fā)電機(jī)定子當(dāng)前溫度等;I 個(gè)模擬量輸出:勵(lì)磁線圈電壓(電流);(3~s)個(gè)開關(guān)量:待定(如報(bào)警燈);(1~2)個(gè)CAN 總線接口。
工作原理:發(fā)電機(jī)勵(lì)磁控制器采集功率元件當(dāng)前溫度,當(dāng)前勵(lì)磁整流電壓,當(dāng)前勵(lì)磁線圈電流,發(fā)電機(jī)定子當(dāng)前溫度等等模擬量,打包發(fā)送到主控制器,主控制器返回勵(lì)磁線圈的目標(biāo)電壓、電流,在發(fā)電機(jī)勵(lì)磁控制器中經(jīng)過邏輯運(yùn)算,由DSP 微處理單元輸出合適占空比的PWM 信號(hào),驅(qū)動(dòng)IGBT 工作,使控制器輸出合適的勵(lì)磁線圈電壓。發(fā)電機(jī)勵(lì)磁控制器原理,如圖10 所示。

圖10 發(fā)電機(jī)勵(lì)磁控制器原理圖Fig.10 Generator Excitation Controller Schematic
在實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中,考慮到車體龐大,輸入輸出的電氣信號(hào)的分布比較分散,采用分布式的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)[14]。主控制器模擬采集駕駛室里面的加速踏板信號(hào),制動(dòng)踏板信號(hào)等車輛行駛相關(guān)的信號(hào),以及經(jīng)過高壓信號(hào)采集板采集回來的高電壓信號(hào),并且通過CAN2 與從控制器、顯示屏相互通信;從控制器負(fù)責(zé)顯示屏的操縱手柄等信號(hào)的采集和處理;其他控制單元模擬動(dòng)力回路上的勵(lì)磁、逆變、制動(dòng)等控制單元,采集若干模擬量和開關(guān)量仿真發(fā)電機(jī)勵(lì)磁、逆變、制動(dòng)的相關(guān)參數(shù),并且通過CANS 與主控制器通信;CAN4 是冗余接口,充當(dāng)CANS 的熱備份接口。實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖,如圖11 所示。

圖11 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.11 Experimental Platform System Structure
主控制器,主要參數(shù)介紹如下:
CPU:2 個(gè) 16 位處理器
網(wǎng)關(guān):J1939 協(xié)議(發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)存取)和CANopen 轉(zhuǎn)換
數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間 EEPROM:1×2kbyte,100 萬次擦寫能力
總線接口:4×CAN,125-1000kbps
程序下載:串口,125kbps
編程環(huán)境:PROSYD,c,c++,
AI 口:8 個(gè)(電壓 4 個(gè),電流 4 個(gè))
DI 口:12 個(gè)
AO 口:1 個(gè)
DO/PWM 口:8 個(gè)
串口:2 個(gè)
采集點(diǎn)的選擇,如圖12 所示。試驗(yàn)臺(tái)及主回路測(cè)試模塊,如圖13 所示。

圖12 采集點(diǎn)選擇Fig.12 Collection Point of Choice

圖13 主回路測(cè)試Fig.13 Main Loop Test
UZ1、UZ2、URB1、URB2、UM1、UM2、UK1、UK2 等實(shí)驗(yàn)結(jié)果,如表1 所示。

表1 各測(cè)點(diǎn)輸出參數(shù)Tab.1 Each Measuring Point Output Parameters
由表可知,模塊的采集偏差控制在1%以內(nèi),試驗(yàn)過程中,系統(tǒng)達(dá)到額定轉(zhuǎn)速時(shí),輸出電壓為1350V,參考系統(tǒng)個(gè)回路影響,則測(cè)試結(jié)果是準(zhǔn)確可靠的。整個(gè)過程可以發(fā)現(xiàn),系統(tǒng)啟動(dòng)后,輸出電壓值比較小,發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁循環(huán)增加,系統(tǒng)電壓達(dá)到穩(wěn)定值時(shí),循環(huán)才會(huì)結(jié)束。系統(tǒng)的漏電保護(hù)功能主要依靠UK1、UK2 之間的關(guān)系,同時(shí)根據(jù)二者之間的差值,可以快速查找漏電點(diǎn),簡(jiǎn)潔高效。
根據(jù)輔助回路分析,搭建模擬試驗(yàn)臺(tái),包括操作桿、按鍵、指示燈、儀表等[15],如圖14 所示。CAN 總線通訊信號(hào)波形,如圖15所示。測(cè)試過程中,采用示波器獲取CAN 總線通訊信號(hào)波形,分別為單幀和一段時(shí)間內(nèi)的波形。測(cè)試時(shí),系統(tǒng)可順暢完成各部分輔助功能設(shè)計(jì),結(jié)合波形圖可知,傳遞信號(hào)流暢,可以準(zhǔn)確高效的對(duì)輔助裝置進(jìn)行控制,而且具有良好的抗干擾能力。顯示屏能夠很好的實(shí)現(xiàn)能的顯示和輸出。

圖14 試驗(yàn)臺(tái)實(shí)物圖Fig.14 Test Bench Physical Map

圖15 CAN 總線通訊信號(hào)波形Fig.15 CAN Bus Communication Signal Waveform
雙控制器和顯示器組成的控制系統(tǒng),以CAN 總線進(jìn)行各部分通信,采用模擬試驗(yàn)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試,包括主電路和高電壓采集試驗(yàn),輔助回路試驗(yàn),結(jié)果可知:(1)所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)在主輔控制回路都可高效快速實(shí)現(xiàn)既定功能,整個(gè)系統(tǒng)簡(jiǎn)潔高效且實(shí)時(shí)性強(qiáng);(2)CAN 總線通信過程中,系統(tǒng)信號(hào)流暢,使得整個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化,效率提高;(3)系統(tǒng)達(dá)到了設(shè)計(jì)目標(biāo),各部分功能實(shí)現(xiàn)良好,漏電保護(hù)電路使得系統(tǒng)更加安全,且更便捷的尋找漏電節(jié)點(diǎn),各模塊達(dá)到預(yù)期效果。