電動(dòng)輪自卸車電動(dòng)機(jī)控制器過(guò)流故障研究

孟 峰，李 健，張曉強(qiáng)，邱增華，朱志清，陳傳龍

1國(guó)家能源集團(tuán)公司雁寶能源公司 內(nèi)蒙古呼倫貝爾 021001

2華中科技大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院 湖北武漢 430071

3強(qiáng)電磁工程與新技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 湖北武漢 430071

4湘電重型裝備有限公司 湖南湘潭 411104

5內(nèi)蒙古電投能源股份有限公司 內(nèi)蒙古霍林格勒 029000

電 動(dòng)輪自卸車廣泛應(yīng)用于各類露天礦山、水電 工程、鐵路和公路建設(shè)工程及大型建筑工程，目前其電傳動(dòng)系統(tǒng)多采用交-直-交類型系統(tǒng)[1]。在電動(dòng)輪自卸車的多種核心技術(shù)中，實(shí)現(xiàn)變頻調(diào)速的控制技術(shù)是電氣技術(shù)的核心，目前全世界只有德國(guó) Siemens、美國(guó) ABB 和 GE 等少數(shù)幾家公司掌握了這項(xiàng)技術(shù)，交流變頻技術(shù)已成為制約我國(guó)電動(dòng)輪自卸車國(guó)產(chǎn)化的瓶頸。交流驅(qū)動(dòng)的電傳動(dòng)系統(tǒng)目前被 GE、Siemens 等外國(guó)企業(yè)壟斷，國(guó)內(nèi)廠商難以與國(guó)際巨頭競(jìng)爭(zhēng)[2]。我國(guó)于 2009 年將大型礦用自卸車列入《重大技術(shù)裝備自主創(chuàng)新指導(dǎo)目錄》中，生產(chǎn)自己的交流驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)對(duì)提高國(guó)產(chǎn)礦車的競(jìng)爭(zhēng)力有著極其重要的意義。

改革開放以來(lái)，我國(guó)多家公司通過(guò)不斷消化吸收整合，逐漸形成自己的技術(shù)，自主開發(fā)了多個(gè)型號(hào)的電動(dòng)輪自卸車，在江西、河北、內(nèi)蒙古等多家礦山得到了廣泛應(yīng)用。日前，某型電動(dòng)輪自卸車在內(nèi)蒙古大雁礦業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司露天礦運(yùn)行過(guò)程中，電動(dòng)機(jī)控制器出現(xiàn)了過(guò)流故障，導(dǎo)致控制器失控。

該型電動(dòng)輪自卸車是大型礦用自卸車國(guó)產(chǎn)化背景下的產(chǎn)品，由國(guó)有企業(yè)與高校聯(lián)合研發(fā)，采用基于轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向的矢量控制策略，完成對(duì)磁場(chǎng)和轉(zhuǎn)矩的獨(dú)立控制，有較快的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)。該型電動(dòng)輪自卸車為后軸驅(qū)動(dòng)，整車裝備質(zhì)量小于 90 t，額定裝載質(zhì)量為 120 t，最高車速為 45 km/h，最大爬坡度為 17.5%。

1 現(xiàn)象描述

為了保證交流傳動(dòng)系統(tǒng)的正常穩(wěn)定運(yùn)行，該電動(dòng)輪自卸車控制器軟件設(shè)計(jì)了過(guò)流保護(hù)、過(guò)壓保護(hù)及超速保護(hù)等。該自卸車在實(shí)地整車試驗(yàn)中，下坡車速達(dá)到 35 km/h 左右時(shí)，司機(jī)踩踏制動(dòng)踏板，車速降低后司機(jī)松開制動(dòng)踏板，由于下坡期間車速上升，司機(jī)再次踩踏動(dòng)踏板，電動(dòng)機(jī)控制器在此高速牽引工況切制動(dòng)工況下發(fā)生過(guò)流故障，導(dǎo)致控制器失控，運(yùn)行可靠性未滿足驗(yàn)收要求。絕大多數(shù)這種情況出現(xiàn)在自卸車剛進(jìn)入制動(dòng)工況的時(shí)刻。

2 原因分析

筆者收集的該電動(dòng)輪自卸車發(fā)生過(guò)流故障時(shí)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)如圖 1 所示，故障發(fā)生時(shí)的局部放大波形如圖 2 所示。

圖1 過(guò)流故障時(shí)相電流波形Fig.1 Waveform of phase current at overcurrent fault

圖2 故障時(shí)刻局部放大波形Fig.2 Enlarged local waveform at the time of overcurrent fault

由圖 1、2 可以看出，車輛在進(jìn)入制動(dòng)工況時(shí)，電流突增引發(fā)過(guò)流故障，控制器失控，控制器為保護(hù) IGBT 進(jìn)行封脈沖處理。針對(duì)該現(xiàn)象，筆者根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行原因分析。

在整車試驗(yàn)中，由于在車速較高時(shí)，司機(jī)為控制車速反復(fù)切換制動(dòng)工況和牽引工況，導(dǎo)致工況變化劇烈。同時(shí)，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速較高、電流較大，且由于采樣頻率固定，控制器在每個(gè)電周期內(nèi)采樣點(diǎn)數(shù)量較少，系統(tǒng)延時(shí)高，這些因素都會(huì)導(dǎo)致控制器帶寬不足，動(dòng)態(tài)性能差，無(wú)法滿足工況劇烈變化帶來(lái)的需求，控制器容易失控。另外，劇烈的工況變化易導(dǎo)致磁場(chǎng)定向不準(zhǔn)，進(jìn)而引起控制器失控。

為了在臺(tái)架上復(fù)現(xiàn)上述情況，筆者加入了新的試驗(yàn)步驟：被試電動(dòng)機(jī)在牽引工況下帶動(dòng)慣性輪至轉(zhuǎn)速 2 800 r/min 左右再切入制動(dòng)工況。臺(tái)架試驗(yàn)波形如圖 3 所示。由圖 3 可見，當(dāng)轉(zhuǎn)矩指令由牽引狀態(tài)切換至制動(dòng)狀態(tài)時(shí)，相電流出現(xiàn)明顯增大并發(fā)散的趨勢(shì)，當(dāng)相電流幅值超過(guò)保護(hù)設(shè)定值時(shí)，觸發(fā)過(guò)流保護(hù)。該現(xiàn)象與整車試驗(yàn)時(shí)完全一致。

圖3 臺(tái)架試驗(yàn)波形Fig.3 Waveform of bench test

臺(tái)架試驗(yàn)所用電動(dòng)機(jī)參數(shù)如表 1 所列。

表1 臺(tái)架試驗(yàn)所用電動(dòng)機(jī)參數(shù)Tab.1 Parameters of motor used in bench test

3 解決方案

綜上所述，高速工況下系統(tǒng)控制帶寬小以及動(dòng)態(tài)性能差，是出現(xiàn)過(guò)流故障的主要原因。針對(duì)過(guò)流故障改進(jìn)控制策略，利用復(fù)矢量控制替代 PID 控制。復(fù)矢量控制算法將磁鏈與轉(zhuǎn)矩解耦，其思路是調(diào)整控制器的結(jié)構(gòu)，使控制器的零點(diǎn)與被控對(duì)象的極點(diǎn)完全抵消[3]。該控制策略具有帶寬高、動(dòng)態(tài)性能好的優(yōu)點(diǎn)，適用于工況變化較為劇烈的情況。另外，由于電動(dòng)輪自卸車使用場(chǎng)景是在露天礦山，上下坡較多，路況比較復(fù)雜，電動(dòng)機(jī)經(jīng)常處于轉(zhuǎn)矩變化較為劇烈的狀態(tài)，導(dǎo)致控制器磁場(chǎng)定向不準(zhǔn)。為了解決這一問題，在控制程序中加入磁鏈觀測(cè)和矯正環(huán)節(jié)。同時(shí)，對(duì)控制器硬件電路進(jìn)行改進(jìn)：將已采樣的高頻電信號(hào)由 DSP 內(nèi)置的 AD 轉(zhuǎn)換模塊取代外置 AD 采樣電路進(jìn)行處理，以降低程序運(yùn)行時(shí)間。

經(jīng)過(guò)硬件和軟件改進(jìn)后，進(jìn)行臺(tái)架試驗(yàn)加以驗(yàn)證。臺(tái)架試驗(yàn)分為 3 個(gè)部分：牽引工況測(cè)試、制動(dòng)工況測(cè)試以及制動(dòng)與牽引工況切換測(cè)試。

4 臺(tái)架試驗(yàn)

4.1 牽引工況測(cè)試

牽引工況臺(tái)架試驗(yàn)由被試電動(dòng)機(jī) (異步電動(dòng)機(jī)) 拖動(dòng)慣性輪及陪試電動(dòng)機(jī) (直流電動(dòng)機(jī))，測(cè)試被試電動(dòng)機(jī)在全速度 (0～ 2 800 r/min) 范圍內(nèi)的穩(wěn)態(tài)及動(dòng)態(tài)性能。牽引工況臺(tái)架試驗(yàn)示意如圖 4 所示。

圖4 牽引工況臺(tái)架試驗(yàn)示意Fig.4 Sketch of bench test in traction mode

牽引工況穩(wěn)態(tài)運(yùn)行測(cè)試結(jié)果如圖 5 所示，此時(shí)牽引轉(zhuǎn)矩指令值為 450 N·m，電壓頻率為 88.9 Hz，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為 2 670 r/min。

圖5 牽引工況穩(wěn)態(tài)運(yùn)行測(cè)試結(jié)果Fig.5 Test results of stable operation in traction mode

牽引工況動(dòng)態(tài)運(yùn)行測(cè)試結(jié)果如圖 6 所示，牽引轉(zhuǎn)矩指令值為 450 N·m，轉(zhuǎn)矩指令減至 250 N·m (此時(shí)電壓頻率為 86.1 Hz) 后再加載至 450 N·m，加減載時(shí)間均為 100 ms 左右，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速在 2 580～ 2 670 r/min 之間波動(dòng)。

圖6 牽引工況動(dòng)態(tài)運(yùn)行測(cè)試結(jié)果Fig.6 Test results of dynamic operation in traction mode

4.2 制動(dòng)工況測(cè)試

制動(dòng)工況臺(tái)架試驗(yàn)由陪試電動(dòng)機(jī) (直流電動(dòng)機(jī)) 拖動(dòng)慣性輪及被試電動(dòng)機(jī) (異步電動(dòng)機(jī))，測(cè)試被試電動(dòng)機(jī)在全速度 (0～ 2 800 r/min) 范圍內(nèi)的制動(dòng)性能。制動(dòng)工況臺(tái)架試驗(yàn)示意如圖 7 所示。

圖7 制動(dòng)工況臺(tái)架試驗(yàn)示意Fig.7 Sketch of bench test in braking mode

制動(dòng)工況穩(wěn)態(tài)運(yùn)行測(cè)試結(jié)果如圖 8 所示，此時(shí)制動(dòng)轉(zhuǎn)矩指令值為 330 N·m，電壓頻率為 93.4 Hz，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為 2 800 r/min 左右。

圖8 制動(dòng)工況穩(wěn)態(tài)運(yùn)行測(cè)試結(jié)果Fig.8 Test results of stable operation in braking mode

制動(dòng)工況動(dòng)態(tài)運(yùn)行測(cè)試結(jié)果如圖 9 所示，制動(dòng)轉(zhuǎn)矩指令值為 410 N·m，轉(zhuǎn)矩指令減至 250 N·m (此時(shí)電壓頻率為 72.6 Hz) 后再加載至 450 N·m，加減載時(shí)間均為 140 ms 左右，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速在 2 070～ 2 180 r/min 之間波動(dòng)。

圖9 制動(dòng)工況動(dòng)態(tài)運(yùn)行測(cè)試結(jié)果Fig.9 Test results of dynamic operation in braking mode

4.3 空載下牽引與制動(dòng)工況切換測(cè)試

為模擬自卸車實(shí)地運(yùn)行工況，進(jìn)行了空載下牽引與制動(dòng)工況的切換測(cè)試?？蛰d下被試電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)慣性輪，轉(zhuǎn)速在牽引工況下從 0 升至 2 800 r/min 后切換至制動(dòng)工況，接著多次進(jìn)行牽引和制動(dòng)工況切換?？蛰d下牽引與制動(dòng)工況切換臺(tái)架試驗(yàn)示意如圖 10 所示。

圖10 空載下牽引與制動(dòng)切換工況臺(tái)架試驗(yàn)示意Fig.10 Sketch of bench test in traction and braking switching mode without load

空載下，被試電動(dòng)機(jī)在牽引工況下以 700 N·m 轉(zhuǎn)矩指令啟動(dòng)，至轉(zhuǎn)速大于 2 700 r/min (電壓頻率高于 90 Hz) 時(shí)立即切換至制動(dòng)工況，再多次進(jìn)行牽引與制動(dòng)工況切換，母線電壓為 1 200 V，測(cè)試結(jié)果如圖 11 所示。

圖11 牽引與制動(dòng)切換工況測(cè)試結(jié)果Fig.11 Test results in traction and braking switching mode

試驗(yàn)結(jié)果表明，改進(jìn)后的控制器無(wú)論在牽引工況還是制動(dòng)工況下，穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)控制性能均表現(xiàn)良好 (圖 11 僅展示高速下波形圖，實(shí)際上全速度范圍內(nèi)性能均表現(xiàn)良好)。另外，臺(tái)架試驗(yàn)還模擬了整車試驗(yàn)時(shí)轉(zhuǎn)矩劇烈變化的運(yùn)行工況，結(jié)果表明控制器運(yùn)行可靠穩(wěn)定，未出現(xiàn)過(guò)流故障。

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行電動(dòng)輪自卸車的數(shù)據(jù)采集，并在試驗(yàn)臺(tái)架上復(fù)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)控制器過(guò)流故障，找到過(guò)流故障主要是由于高速下采樣頻率相對(duì)較低導(dǎo)致控制器帶寬不足，以及電動(dòng)機(jī)運(yùn)行工況劇烈變化引起磁場(chǎng)定向不準(zhǔn)所造成的。試驗(yàn)結(jié)果完全符合車輛現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行狀態(tài)。針對(duì)該故障，修改硬件和優(yōu)化控制算法解決控制器帶寬不足的問題，并在控制程序中增加磁鏈觀測(cè)和矯正環(huán)節(jié)解決了電動(dòng)機(jī)運(yùn)行工況劇烈變化引起的磁場(chǎng)定向不準(zhǔn)的問題。

在試驗(yàn)臺(tái)架上分別針對(duì)車輛的牽引、制動(dòng)、牽引與制動(dòng)切換和整車轉(zhuǎn)矩劇烈變化這 4 種工況進(jìn)行試驗(yàn)，改進(jìn)后的控制器在各種工況下的穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)控制性能均表現(xiàn)良好，未出現(xiàn)過(guò)流故障。