直流電傳動汽車動力傳遞控制系統分析

陳 維，宋健民，胡允達

（1.浙江工貿職業技術學院，浙江 溫州 325000；2.鄭州大學土木工程學院，河南 鄭州 450001；3.溫州職業技術學院，浙江 溫州 325005）

1 引言

隨著現代礦山技術的應用，電傳動自卸汽車適合大噸位短距離循環運輸，而被廣泛應用。此類車輛將改變傳統的機械傳遞形式，采用大功率發電機組將機械能轉變為電能，通過交直交的整流逆變過程，實現對輪邊牽引電機的驅動，擺脫了傳統齒輪傳動的限制，實現更高效更大噸位的運輸[1]。而此類傳動，對控制系統提出了更高的要求，系統的準確可靠運行，是整車高效運行的保證，因此對控制系統進行設計研究具有重要的應用意義。

國內外學者對電傳動控制進行了一定研究：文獻[2]基于一維動力傳遞模型，對比不同算法對控制系統響應速度的影響；文獻[3]基于總線通訊控制技術對多個單元進行控制，效率高且準確性；文獻[4]采用勵磁互饋控制，對傳動系統進行設計，通過不同工況的測試驗證了系統的可靠性；文獻[5]采用總線控制技術對不同的傳遞形式進行對比分析，對比不同路徑的傳遞效率。

根據電動輪自卸汽車的能量傳遞路徑和結構特點，采用雙控制器與顯示器相結合的方法對電傳動控制系統進行設計。基于整車體量大、控制單元多的特點，采用總線通信設計將各單元實現分布式結構設計。基于控制系統的功能，對各部分控制原理進行分析，并對串勵直流電動機的啟動、調速、制動等功能控制進行設計。基于分析結果，搭建系統主、從控制單元電路，并分別采用試驗模擬控制系統運行情況，以檢驗系統控制的準確性與可靠性。

2 傳遞控制系統分析

電傳動自卸汽車動力傳遞系統結構，如圖1所示。根據圖中結構可知，柴油發動機和發電機組成動力源，為整個系統輸送能量，能量經過兩次轉變，先由機械能轉變為電能，后又由電能轉變為機械能，有效提升力能量的傳遞效率[6]。

圖1 電傳動結構簡圖Fig.1 Electric Drive Structure Diagram

為了提升能量的傳遞效率，電能經過整流、逆變過程的變換，實現交流到直流，再到交流的轉變，整個傳遞系統的控制，主要是實現對能量的轉變。

2.1 控制系統結構

根據某后輪驅動自卸汽車的結構，搭建牽引系統的原理圖，如圖2所示。發動機帶動發電機，輸出三相交流電，經過整流器的整流作用過程，傳輸到輪邊牽引電機M處，先經過逆變器的作用，進行實現對電機的驅動。

圖2 牽引電路原理圖Fig.2 Traction Circuit Diagram

在實際工作中，交流發電機發出交流電經三相全橋整流變成直流電送到直流母線排，可再通過逆變器及輪邊減速器分配給各輪邊電動機。當慣性動能做功帶動使驅動電機工作在發電狀態時，再生電能到直流母線和制動電阻通過消耗熱量的形式，從而達到緩速的下坡的目的。整個電路中，整流與電機的定子繞組串聯，保證電流的一致性，為了保證車輛的正確運轉，兩邊電機的勵磁為反向，保證了兩邊車輪運轉的方向一致[7]。

發電機應用的是自勵方式，當脫扣開關閉合后，控制KM8、KM9 閉合，蓄電池電壓給發電機勵磁線圈F1-F2 初始勵磁，如圖3所示。

圖3 勵磁電路原理圖Fig.3 Schematic Diagram of Excitation Circuit

圖中可知，（1～2）s后，發電機三次諧波繞組S1-S2 發出單相交流電后，通過VD4、VD5、VS1、VS2 構成的半控整流橋開始工作，建立自勵磁，給勵磁線圈供電。正常牽引情況下，勵磁電流的大小由控制器控制裝置自動調節，以實現柴油機輸出恒功率，并能自動限制最大電流及最高電壓。當控制器系統出現故障而一時又不能排除時，可進行故障勵磁，具體實現方法是：將QS4 三個端子間的銅排從1-2 位置換成2-3 位置。通過二極管VD4、VD5 進行單向整流勵磁，勵磁電流根據柴油機即發電機的轉速進行調節。

2.2 發動機轉速控制系統設計

控制系統采用電位器給定輸入轉角ξr，由計算機控制通過減速機構控制油門，油門位置由位置傳感器再反饋到輸入端，通過控制器對其進行調節，使油門達到所設定的位置。ξr—位置轉角；ξc—隨動轉角；Δξ—誤差輸出；Ud—電壓；δ—角轉速。

該系統比較環節的數學模型為：

控制器環節，在系統中采用增量式PID 控制器，其控制算法為：

式中：Δu（k）=u（k）-u（k-1）；kp、ki、kd—常數。

電動機環節，系統采用它激式直流電動機，電機的傳遞函數方程為：

式中：Ce—電勢常數；Td—電磁時間常數；Tm—機電時間常數。

減速器環節，系統選用蝸輪蝸桿減速機構，其傳遞函數為：

式中：k2—比例常數。

則，控制系統的傳遞函數可寫作：

2.3 發動機反接制動控制設計

串勵直流電動機在能耗制動時，電動機發出功率，做發電機工作，工作點，如圖4所示。圖示中的曲線1、2、3為不同轉速n1、n2、n3時串勵發電機的外特性，直線4是制動電阻R的特性。從圖中可以看出，轉速越高，制動轉矩越大，當轉速低于n1時，即失去制動效力，能耗制動失效[8]。因此能耗制動必須要和機械制動以及其他形式的制動結合使用才能滿足停車制動的要求。

圖4 能耗制動特性曲線Fig.4 Energy Braking Characteristic

反接制動時，由于端電壓Ua不變，Φ的方向相反，Ia方向不變，則：

可知，轉矩T反向，產生制動轉矩。

由式（3）可知，轉速n<0。

可知，Ea<0，電磁功率PM=Ea Ia，可見PM<0，表示電樞吸收了機械功率，這是由整個機組轉動部分的動能轉化而來的功率。

又P1=Ua Ia>O，表示從電源吸收功率，可見，反接制動時，從電源吸收的電功率以及機組的動能對應的機械功率轉化成的電磁功率[9]，都以損耗的形式消耗在電樞回路和制動電阻中，功率平衡方程：

另外，可以知道在反接制動時，當轉速下降到零時，轉矩不為零，這時，應該把電機從電源上斷開，否則電機將反向啟動，就是倒拉反轉。

這部分主要進行轉矩閉環和勵磁閉環的計算，并且將輸出的電壓進行park反變換，具體流程，如圖5所示。

圖5 電流閉環和反變換流程圖Fig.5 Current Closed Loop and Reverse Conversion Flow Chart

由于電機轉速信號傳遞A、B兩路速度信號，相位差為90°，電機正轉時A超前B，電機反轉時B超前A。由于根據脈沖測量的速度值為整數，需要根據實際的相位差來給轉速加上正負號。

當直流母線電壓超過某個值的時候，需要通過電阻將能量放掉，這一部分主要在制動時使用[10]。斬波控制需要有4 個限值，A、B、HI、LO，當電壓超過A 時斬波啟動，小于B 時斬波停止，A、B 為滯環的上下限。當電壓在HI 以上時，占空比開至最大，與之相對的LO 是占空比最小時對應的電壓值，在二者之間時占空比D=（v-LO）/（HI-LO）。

3 傳遞控制系統結構設計

根據前述分析，采用以功率為外環并通過斜坡給定的控制策略實現對交流異步電機的轉矩控制，控制系統總體設計，系統原理，如圖6所示。

圖6 系統原理框圖Fig.6 System Block Diagram

本實驗系統采用了DSP 加CPLD 的組合控制方式，系統的結構，如圖7所示。DSP 是控制系統的核心，矢量控制所有的算法都在DSP 中實現，總體上分為初始化程序、功能模塊程序和中斷服務程序組成。在設計硬件時充分考慮了這一點，將DSP 的一個IO口引出，當需要測量某一段程序的執行時間時，在程序開始的地方將IO 口置為高電平，結束的時候將該IO 置為低電平。由于乘除計算以及數組的計算需要大量的時間，所以只對程序的幾個部分進行了時間測試，AD 采樣、轉換、標準化大約需要10μs，功率計算大約需要50μs，電流變換和濾波大約5μs，磁場定向大約2μs，SVPWM 計算大約20μs，總時間大約130μs 左右。

圖7 主控制器結構Fig.7 Main Controller Structure

4 驅動控制平臺測試

現場搭建實驗平臺，在該實驗平臺上可以完成模擬電機靜止加速啟動工況，模擬車輛先加速行駛后減速行駛工況，模擬車輛上坡以及下坡運行工況，模擬對旋轉的電機再次啟動工況以及模擬直流母線電壓升高對牽引異步電機的動態影響。在牽引實驗時功率給定由電位器調節，電壓、電流、轉速以及轉矩由相應的傳感器檢測采用CAN 總線與上位機和其它控制單元進行通信。試驗臺系統的結構原理，如圖8所示。

圖8 實驗平臺系統結構圖Fig.8 Experimental Platform System Structure

4.1 主控制器測試

采集點的選擇，如圖9所示。試驗臺及主回路測試模塊，如圖10 所示。啟動測試平臺，正常運轉工況下，獲取各個測點結果，如表1所示。

圖9 采集點選擇Fig.9 Collection Point of Choice

圖10 主回路測試Fig.10 Main Loop Test

表1 各測點輸出參數Tab.1 Each Measuring Point Output Parameters

由表中各個測點的結果可知，各個采集模塊的偏差控制在5%以內，整個測試過程中，發動機達到了額定轉速工況，此時獲得系統的電壓為1320V，對比各個回路的測試結果可知，系統的測試結果是準確可靠的。同時，在測試過程中發現，開始階段，發電機處于啟動階段，整個機器的勵磁較低，隨著發動機轉速的增加，電機的勵磁電壓不斷增加，整個增加過程為循環往復的過程，待系統達到穩定時，整個過程結束。

4.2 輔助控制系統測試

輔助控制系統實現對整機的其他運動信號的控制，根據系統控制結構圖搭建輔助系統測試平臺，如圖11所示。

圖11 試驗臺實物圖Fig.11 Test Bench Physical Map

平臺模擬真實駕駛工況，包括操作桿、按鍵、指示燈、儀表等。測試過程中，模擬真實駕駛工況，操縱操作桿、按鍵、指示燈、儀表等，對總線中的電流信號進行采集；系統可順暢完成各部分輔助功能設計，結合電流變化可知，傳遞信號流暢，可以準確高效的對輔助裝置進行控制，而且具有良好的抗干擾能力。同時，顯示屏能夠很好的實現能的顯示和輸出。

圖12 總線信號控制結果Fig.12 Bus Signal Control Results

5 結論

（1）由表中各個測點的結果可知，各個采集模塊的偏差控制在5%以內，整個測試過程中，發動機達到了額定轉速工況，此時獲得系統的電壓為1320V，對比各個回路的測試結果可知，系統的測試結果是準確可靠的。

（2）系統達到了設計目標，各部分功能實現良好，漏電保護電路使得系統更加安全，且更便捷的尋找漏電節點，各模塊達到預期效果。

（3）開始階段，發電機處于啟動階段，整個機器的勵磁較低，隨著發動機轉速的增加，電機的勵磁電壓不斷增加，整個增加過程為循環往復的過程，待系統達到穩定時，整個過程結束。