直流电传动汽车动力传递控制系统分析

陈 维，宋健民，胡允达

（1.浙江工贸职业技术学院，浙江 温州 325000；2.郑州大学土木工程学院，河南 郑州 450001；3.温州职业技术学院，浙江 温州 325005）

1 引言

随着现代矿山技术的应用，电传动自卸汽车适合大吨位短距离循环运输，而被广泛应用。此类车辆将改变传统的机械传递形式，采用大功率发电机组将机械能转变为电能，通过交直交的整流逆变过程，实现对轮边牵引电机的驱动，摆脱了传统齿轮传动的限制，实现更高效更大吨位的运输[1]。而此类传动，对控制系统提出了更高的要求，系统的准确可靠运行，是整车高效运行的保证，因此对控制系统进行设计研究具有重要的应用意义。

国内外学者对电传动控制进行了一定研究：文献[2]基于一维动力传递模型，对比不同算法对控制系统响应速度的影响；文献[3]基于总线通讯控制技术对多个单元进行控制，效率高且准确性；文献[4]采用励磁互馈控制，对传动系统进行设计，通过不同工况的测试验证了系统的可靠性；文献[5]采用总线控制技术对不同的传递形式进行对比分析，对比不同路径的传递效率。

根据电动轮自卸汽车的能量传递路径和结构特点，采用双控制器与显示器相结合的方法对电传动控制系统进行设计。基于整车体量大、控制单元多的特点，采用总线通信设计将各单元实现分布式结构设计。基于控制系统的功能，对各部分控制原理进行分析，并对串励直流电动机的启动、调速、制动等功能控制进行设计。基于分析结果，搭建系统主、从控制单元电路，并分别采用试验模拟控制系统运行情况，以检验系统控制的准确性与可靠性。

2 传递控制系统分析

电传动自卸汽车动力传递系统结构，如图1所示。根据图中结构可知，柴油发动机和发电机组成动力源，为整个系统输送能量，能量经过两次转变，先由机械能转变为电能，后又由电能转变为机械能，有效提升力能量的传递效率[6]。

图1 电传动结构简图Fig.1 Electric Drive Structure Diagram

为了提升能量的传递效率，电能经过整流、逆变过程的变换，实现交流到直流，再到交流的转变，整个传递系统的控制，主要是实现对能量的转变。

2.1 控制系统结构

根据某后轮驱动自卸汽车的结构，搭建牵引系统的原理图，如图2所示。发动机带动发电机，输出三相交流电，经过整流器的整流作用过程，传输到轮边牵引电机M处，先经过逆变器的作用，进行实现对电机的驱动。

图2 牵引电路原理图Fig.2 Traction Circuit Diagram

在实际工作中，交流发电机发出交流电经三相全桥整流变成直流电送到直流母线排，可再通过逆变器及轮边减速器分配给各轮边电动机。当惯性动能做功带动使驱动电机工作在发电状态时，再生电能到直流母线和制动电阻通过消耗热量的形式，从而达到缓速的下坡的目的。整个电路中，整流与电机的定子绕组串联，保证电流的一致性，为了保证车辆的正确运转，两边电机的励磁为反向，保证了两边车轮运转的方向一致[7]。

发电机应用的是自励方式，当脱扣开关闭合后，控制KM8、KM9 闭合，蓄电池电压给发电机励磁线圈F1-F2 初始励磁，如图3所示。

图3 励磁电路原理图Fig.3 Schematic Diagram of Excitation Circuit

图中可知，（1～2）s后，发电机三次谐波绕组S1-S2 发出单相交流电后，通过VD4、VD5、VS1、VS2 构成的半控整流桥开始工作，建立自励磁，给励磁线圈供电。正常牵引情况下，励磁电流的大小由控制器控制装置自动调节，以实现柴油机输出恒功率，并能自动限制最大电流及最高电压。当控制器系统出现故障而一时又不能排除时，可进行故障励磁，具体实现方法是：将QS4 三个端子间的铜排从1-2 位置换成2-3 位置。通过二极管VD4、VD5 进行单向整流励磁，励磁电流根据柴油机即发电机的转速进行调节。

2.2 发动机转速控制系统设计

控制系统采用电位器给定输入转角ξr，由计算机控制通过减速机构控制油门，油门位置由位置传感器再反馈到输入端，通过控制器对其进行调节，使油门达到所设定的位置。ξr—位置转角；ξc—随动转角；Δξ—误差输出；Ud—电压；δ—角转速。

该系统比较环节的数学模型为：

控制器环节，在系统中采用增量式PID 控制器，其控制算法为：

式中：Δu（k）=u（k）-u（k-1）；kp、ki、kd—常数。

电动机环节，系统采用它激式直流电动机，电机的传递函数方程为：

式中：Ce—电势常数；Td—电磁时间常数；Tm—机电时间常数。

减速器环节，系统选用蜗轮蜗杆减速机构，其传递函数为：

式中：k2—比例常数。

则，控制系统的传递函数可写作：

2.3 发动机反接制动控制设计

串励直流电动机在能耗制动时，电动机发出功率，做发电机工作，工作点，如图4所示。图示中的曲线1、2、3为不同转速n1、n2、n3时串励发电机的外特性，直线4是制动电阻R的特性。从图中可以看出，转速越高，制动转矩越大，当转速低于n1时，即失去制动效力，能耗制动失效[8]。因此能耗制动必须要和机械制动以及其他形式的制动结合使用才能满足停车制动的要求。

图4 能耗制动特性曲线Fig.4 Energy Braking Characteristic

反接制动时，由于端电压Ua不变，Φ的方向相反，Ia方向不变，则：

可知，转矩T反向，产生制动转矩。

由式（3）可知，转速n<0。

可知，Ea<0，电磁功率PM=Ea Ia，可见PM<0，表示电枢吸收了机械功率，这是由整个机组转动部分的动能转化而来的功率。

又P1=Ua Ia>O，表示从电源吸收功率，可见，反接制动时，从电源吸收的电功率以及机组的动能对应的机械功率转化成的电磁功率[9]，都以损耗的形式消耗在电枢回路和制动电阻中，功率平衡方程：

另外，可以知道在反接制动时，当转速下降到零时，转矩不为零，这时，应该把电机从电源上断开，否则电机将反向启动，就是倒拉反转。

这部分主要进行转矩闭环和励磁闭环的计算，并且将输出的电压进行park反变换，具体流程，如图5所示。

图5 电流闭环和反变换流程图Fig.5 Current Closed Loop and Reverse Conversion Flow Chart

由于电机转速信号传递A、B两路速度信号，相位差为90°，电机正转时A超前B，电机反转时B超前A。由于根据脉冲测量的速度值为整数，需要根据实际的相位差来给转速加上正负号。

当直流母线电压超过某个值的时候，需要通过电阻将能量放掉，这一部分主要在制动时使用[10]。斩波控制需要有4 个限值，A、B、HI、LO，当电压超过A 时斩波启动，小于B 时斩波停止，A、B 为滞环的上下限。当电压在HI 以上时，占空比开至最大，与之相对的LO 是占空比最小时对应的电压值，在二者之间时占空比D=（v-LO）/（HI-LO）。

3 传递控制系统结构设计

根据前述分析，采用以功率为外环并通过斜坡给定的控制策略实现对交流异步电机的转矩控制，控制系统总体设计，系统原理，如图6所示。

图6 系统原理框图Fig.6 System Block Diagram

本实验系统采用了DSP 加CPLD 的组合控制方式，系统的结构，如图7所示。DSP 是控制系统的核心，矢量控制所有的算法都在DSP 中实现，总体上分为初始化程序、功能模块程序和中断服务程序组成。在设计硬件时充分考虑了这一点，将DSP 的一个IO口引出，当需要测量某一段程序的执行时间时，在程序开始的地方将IO 口置为高电平，结束的时候将该IO 置为低电平。由于乘除计算以及数组的计算需要大量的时间，所以只对程序的几个部分进行了时间测试，AD 采样、转换、标准化大约需要10μs，功率计算大约需要50μs，电流变换和滤波大约5μs，磁场定向大约2μs，SVPWM 计算大约20μs，总时间大约130μs 左右。

图7 主控制器结构Fig.7 Main Controller Structure

4 驱动控制平台测试

现场搭建实验平台，在该实验平台上可以完成模拟电机静止加速启动工况，模拟车辆先加速行驶后减速行驶工况，模拟车辆上坡以及下坡运行工况，模拟对旋转的电机再次启动工况以及模拟直流母线电压升高对牵引异步电机的动态影响。在牵引实验时功率给定由电位器调节，电压、电流、转速以及转矩由相应的传感器检测采用CAN 总线与上位机和其它控制单元进行通信。试验台系统的结构原理，如图8所示。

图8 实验平台系统结构图Fig.8 Experimental Platform System Structure

4.1 主控制器测试

采集点的选择，如图9所示。试验台及主回路测试模块，如图10 所示。启动测试平台，正常运转工况下，获取各个测点结果，如表1所示。

图9 采集点选择Fig.9 Collection Point of Choice

图10 主回路测试Fig.10 Main Loop Test

表1 各测点输出参数Tab.1 Each Measuring Point Output Parameters

由表中各个测点的结果可知，各个采集模块的偏差控制在5%以内，整个测试过程中，发动机达到了额定转速工况，此时获得系统的电压为1320V，对比各个回路的测试结果可知，系统的测试结果是准确可靠的。同时，在测试过程中发现，开始阶段，发电机处于启动阶段，整个机器的励磁较低，随着发动机转速的增加，电机的励磁电压不断增加，整个增加过程为循环往复的过程，待系统达到稳定时，整个过程结束。

4.2 辅助控制系统测试

辅助控制系统实现对整机的其他运动信号的控制，根据系统控制结构图搭建辅助系统测试平台，如图11所示。

图11 试验台实物图Fig.11 Test Bench Physical Map

平台模拟真实驾驶工况，包括操作杆、按键、指示灯、仪表等。测试过程中，模拟真实驾驶工况，操纵操作杆、按键、指示灯、仪表等，对总线中的电流信号进行采集；系统可顺畅完成各部分辅助功能设计，结合电流变化可知，传递信号流畅，可以准确高效的对辅助装置进行控制，而且具有良好的抗干扰能力。同时，显示屏能够很好的实现能的显示和输出。

图12 总线信号控制结果Fig.12 Bus Signal Control Results

5 结论

（1）由表中各个测点的结果可知，各个采集模块的偏差控制在5%以内，整个测试过程中，发动机达到了额定转速工况，此时获得系统的电压为1320V，对比各个回路的测试结果可知，系统的测试结果是准确可靠的。

（2）系统达到了设计目标，各部分功能实现良好，漏电保护电路使得系统更加安全，且更便捷的寻找漏电节点，各模块达到预期效果。

（3）开始阶段，发电机处于启动阶段，整个机器的励磁较低，随着发动机转速的增加，电机的励磁电压不断增加，整个增加过程为循环往复的过程，待系统达到稳定时，整个过程结束。