胡 仙，张邦富，梅文庆，周志宇
（中车株洲电力机车研究所有限公司，湖南 株洲 412001）
大型矿用电动轮自卸车（简称“电动轮自卸车”）作为大型露天矿山的主要运输工具，因其结构简单、安全可靠、运行经济性好等优点愈发受到重视。目前，使用交流传动系统已成为电动轮自卸车的首选方案，且系统采用鼠笼式电动机。与直流传动系统相比，由于鼠笼式电动机没有碳刷、换向器以及其他需维护的部件，结构简单、可靠耐用、维护便捷且外形尺寸小，因而可以设计制造出功率更大、转速更高的交流传动自卸车［1］。
电动轮自卸车电驱系统由主传动（简称“主传”）系统和辅助传动（简称“辅传”）系统构成。其中，主传系统包括柴油发电机、主传变流器、驱动轮电机和制动电阻；
辅传系统包含制动电阻风机、变流器风机、牵引电机风机和水冷系统水泵。电动轮自卸车正常运行时需要辅传系统为整车提供散热，以保证整车的安全运行。传统电动轮自卸车通过柴油发电机直接驱动散热风机或者通过制动电阻分压向辅传系统提供电源。这类辅传系统的风机一般采用直流风机，然而直流风机故障率高，需要定期维护，这无疑增加了柴油发电机的油耗和系统运行成本。目前牵引系统的控制策略主要有3种，即开环控制、矢量控制和直接转矩控制（direct torque control，DTC）。矢量控制是基于转子磁场定向，其将电机定子电流分解成转矩电流分量和励磁电流分量，以实现解耦控制，并按照线性系统的控制理论方法来设计电流环。而DTC则是基于定子磁链定向，其在定子坐标系下分析电机的数学模型，计算控制电机的磁链和转矩，无需复杂的坐标变换，并按照非线性的控制理论方法来设计控制磁链和转矩以及转矩的阶跃响应时间。因此，DTC较矢量控制更为快速和直接。目前，国内鲜有将DTC技术实际应用于电动轮自卸车领域。文献［2-3］中牵引电机采用矢量控制策略。文献［4-5］对牵引电机DTC策略进行了相关的研究，但未见有实际的装车应用。为此，本文设计了一种主辅一体电动轮矿用自卸车牵引系统。其能充分利用制动运行时回馈到主传中间直流侧的能量，提高了系统能效；
制动运行时，由于利用了制动产生的能量，柴油机可以怠速运行，减少了喷油量，节省了系统运行成本；
风机和水泵采用交流电机，相比传统直流电机，结构简单可靠，显著降低维护工作量。另外，主传牵引控制算法采用DTC算法，使得整车在面对快速牵引转制动、制动转牵引、重载坡起和平直道加速等工况时，都具有快速的转矩响应能力，保证了整车的高性能。
大功率主辅一体交流传动电气系统主电路如图1所示，系统包含主传系统及辅传系统两部分。主传部分通过柴油机励磁控制驱动双绕组无刷励磁同步发电机，输出两路1 140 V三相交流电，并经过不控整流单元（DRU）分别为主传及辅传提供直流电源。直流电源经过2组独立的变压变频（variable voltage and variable frequency，VVVF）变流装置（单相，采用桥臂并联的模式，分别对应INV1~INV6，水冷散热），控制2台大功率异步牵引电机来分别驱动左、右后轮。辅传部分包含一个带隔离变压器（TM1）的DC/DC前端转换单元A1及后端DC/AC逆变控制单元（A2），以驱动制动电阻风机、牵引电机风机、水泵及变流器散热风机等负载；
制动能量一部分为辅传提供能量，另一部分由制动电阻所消耗（Rz1~Rz4）。
图1 主电路拓扑结构Fig1 Main circuit topology
系统控制方案如图2所示。整车传动控制系统包括整车控制单元ACU、主传控制单元DCU1和辅传控制单元DCU2。DCU1和DCU2通过CAN总线与ACU进行通信，并根据ACU指令控制变流器的运行。ACU通过采集司控器、油门踏板和制动踏板等的信号进行整车的牵引、制动和装载等控制。DCU1采集中间电压、输出电流和牵引电机速度信号并接受ACU的指令以实现VVVF控制；
VVVF控制通过DTC算法控制牵引电机按牵引特性曲线运行。发动机控制单元（engine control unit，ECU）进行励磁控制，通过调节励磁电流，输出目标中间电压。DCU2接受ACU指令，以实现制动电阻风机、牵引电机风机、变流器风机和水泵的稳定运行。
图2 系统控制方案Fig.2 System control scheme
主传控制系统主要控制两台大功率异步电机来分别驱动左、右后轮并用DTC算法进行变频调速。DTC是继矢量控制技术之后又一新型的高效变频调速技术。20世纪80年代中期，德国鲁尔大学的M.Depenbrock教授和日本的I.Takahashi教授分别提出了六边形DTC方案和圆形DTC方案［6-7］。
DTC与矢量控制不同，其以定子磁场定向对定子磁链和电磁转矩进行直接控制，而非通过控制电流和磁链等间接控制转矩。这种方法不需要复杂的坐标变换，可以直接在定子坐标系上计算磁链和转矩的大小，并通过磁链和转矩滞环调节直接控制脉宽调制（pulse width modulation，PWM）脉宽来实现系统的高动态性能。基于大功率电动轮自卸车驱动的需求，综合考虑器件的散热，本文采用一种低开关频率（开关频率为500 Hz）下的DTC技术。其在低速段域采用间接定子量控制（indirect stator-quantity control，ISC）的圆形磁链模式；
在高速段域采用十八边形磁链轨迹模式。
2.1 间接定子量控制
基于六边形的DTC技术因系统结构简单、转矩响应快而在大功率牵引系统中得到了广泛应用。低速时，其受定子电阻压降影响比较大，单一的非零矢量不能再保证磁链为六边形且开关频率低而不固定，容易造成大转矩脉动。为此，A.Steimel教授提出了ISC方案［8］，其基于空间矢量脉宽调制（space vector pulse width modulation，SVPWM）算法的圆形磁链DTC技术，将磁链增量的变化转化为电压的变化，使定子磁链沿圆形轨迹运行（图3）。
图3 ISC原理框图Fig.3 ISC control scheme
ISC控制原理为：采样电机电流ia和ib，考虑逆变模型误差并结合高精度电压重构技术，得到重构电压ua、ub和uc；
通过全阶磁链观测器的电机模型，得到定、转子磁链幅值|ψs|、|ψr|和转矩Te，并根据式（1）得到前馈稳态增量角Δθstat；
给定转矩T*e与反馈转矩Te通过PI调节器输出动态增量角Δθdyn，Δθ为定子磁链在一个开关周期的角度增量（Δθ=Δθstat+Δθdyn）；
再根据磁链电压的转化关系，见式（2），得到经SVPMW调制的定子电压Usα和Usβ分量，进而控制磁场绕着圆形磁链轨迹运行。
式中：ωr——电机反馈转速；
Tp——开关周期。
2.2 十八边形直接转矩控制
牵引电机运行在高速段域时，切换到十八边形磁链轨迹（图4）的DTC技术。其在六边形磁链轨迹的基础上，每个顶点根据不同的折角系数内折，变为十八边形。在低开关频率的限制下，十八边形更接近于圆形磁链，能更好地解决六边形磁链控制下5次和7次谐波带来的转矩脉动及电磁噪声问题［9-10］。
图4 十八边形磁链轨迹Fig.4 Octagonal flux trajectory
十八边形磁链轨迹DTC的控制原理如图5所示，采样电机电流ia和ib，结合考虑逆变模型误差的高精度电压重构技术得到的重构电压ua、ub和uc，通过全阶磁链观测器的电机模型得到磁链分量ψsα、ψsβ和转矩Te；
将定子磁链ψsα、ψsβ投影到ψβa、ψβb、ψβc坐标系上与给定磁链进行磁链调节，选择相应的矢量绕着十八边形的磁链轨迹运行；
转矩调节模块根据开关频率限制所调节的转矩容差，在此基础上进行滞环调节，输出相应的零矢量，即S0（0 0 0）或S1（1 1 1），或维持原有的有效矢量，从而达到调节转矩大小的目的。
图5 十八边形磁链轨迹DTC控制原理Fig.5 DTC control scheme of octagonal flux trajectory
2.3 自适应功率控制
整个电动轮自卸车牵引特性的控制包括两方面：柴油机发电（简称“柴发”）系统的功率控制和牵引电机转矩控制。目前，大吨位的电动轮自卸车通过柴油机驱动同轴相连的无刷励磁同步发电机发出三相交流电，经三相不可控全波整流器，输出中间直流电压。牵引电机根据不同中间电压等级，选择合适的功率去输出。自卸车运行过程中，油门踏板频繁变化，导致中间电压处于800~1 900 V范围波动。柴发系统是一个大惯性系统，中间电压调节响应慢，当实际电压未达到目标电压值且中间电压较低时，若后端驱动需要比较大的功率输出，则容易导致直流侧输入过流或电机颠覆保护，因此整个自卸车的牵引控制需要进行功率自适应匹配的控制。
自适应功率控制原理如图6所示，司机通过油门踏板经ECU输出柴油机转速、励磁输出电压、励磁调节电流和转矩给定。由于中间电压随着油门踏板指令而波动，ECU指令发出的转矩需要经过一定的自适应处理。式（3）为不同电压等级下的功率限制曲线，其对不同电压波动下牵引电机额定牵引特性的外包络线进行处理，主要针对牵引特性的恒功区，根据当前的实际电压与标准外包络特性下的额定电压比值来调节功率输出。式（4）为不同电压等级下的转矩限制曲线，其主要针对牵引特性的恒转矩区，根据当前的实际电压与标准外包络特性下的额定电压平方的比值去调节功率输出。式（5）为快速功率变化过程根据实际电压与目标电压的差值做的卸力系数，目标为当实际中间电压小于目标电压（250 V）时的输出转矩为零。对式（3）~式（5）的转矩限制综合取最小值。至此，ECU指令发出的转矩经过自适应控制后，在各种中间电压波动及输出电压响应不及时的工况下，能保证系统稳定可靠地运行。式中：——ECU控制下的输出转矩；
Tg_P_Const——不同电压等级下功率限制后的转矩包络线；
Tg_U_Const——不同电压等级下转矩限制后的转矩包络线；
UN——牵引电机在柴油机额定转速下的额定电压；
Ud*——励磁控制的目标电压；
PN——额定功率；
TN——UN下的转矩包络线；
Ku——实际电压下的卸力系数。
图6 自适应功率控制Fig.6 Adaptive power control
辅传系统前端从主传直流侧取电并将其变换成辅传系统后端可用的中间直流电压，辅传系统后端利用VVVF控制策略控制各类风机和水泵的运行，以提供整车的散热、冷却服务。
3.1 辅传前端控制
辅传主电路拓扑简化示意如图7所示。前端系统通过逆变器1将主传中间直流电压Udc1逆变成三相交流电，然后利用隔离变压器降压并经不控整流器整流成直流电压，最后经电感器和电容器滤波，得到后端系统所需的中间直流电压Udc2。为了稳定后端中间直流电压Udc2，前端系统采用电压闭环控制策略，如图8所示。
图7 辅传主电路简化拓扑结构Fig.7 Simplified topology of auxiliary drive main circuit
图8 辅传前端系统控制原理Fig.8 Control principle of auxiliary drive front-end system
给定中间直流电压与实际采样得到的中间
直流电压Udc2作差，经PI调节输出PWM所需输入量，最终生成6路脉冲以驱动逆变器1输出三相交流电。由于隔离变压器的额定频率为400 Hz，为使逆变器1运行在较低的开关频率下以减小逆变器开关损耗，PWM生成采用方波控制方式。
3.2 辅传后端控制
辅传后端采用电流幅值闭环结合电压开环的控制策略（图9）。后端系统包括2个逆变模块以驱动所有的辅变负载。为了方便描述，图9中用风机代表后端系统所有风机和水泵负载，逆变器2对应图1中的A2模块。
图9 辅传后端系统控制原理Fig.9 Control principle of auxiliary drive back-end system
当风机给定频率f*小于f1时（一般为风机额定频率的60%），风机采取电流幅值闭环控制方式；
当f*不小于f1时，风机采取电压开环控制方式。电流幅值闭环控制阶段，采样得到的三相电流ia、ib和ic经abc/dq变换，得到实际的直轴电流id和交轴电流iq。角度θ*由f*积分得到，参考直轴电流i*d和参考交轴电流i（*q根据风机特性曲线给定）分别与id和iq作差后，经电流调节器PI控制得到直轴电压u*d和交轴电压u*q。之后，经dq/αβ变 换，得 到 参 考 电 压u*α和u*β，并 将 其 作 为SVPWM的输入，输出6路脉冲以驱动逆变器2，从而控制风机运行。电压开环阶段，SVPWM所需的参考电压u*α和u*β直 接 按u*α=U*cos(θ*)和u*β=U*sin(θ*)给定。
为验证所设计的矿用电动轮自卸车主辅一体牵引系统的有效性和实用性，对其进行了地面组合试验和矿山现场试验。组合试验项目参照的标准为GB/T 25117.3—2010《轨道交通机车车辆组合试验第3部分：间接变流器供电的交流电动机及其控制系统的组合试验》，矿山现场试验相关测试结果应满足JB/T 7641.1—1994《电传动矿用自卸车整车技术条件》及该车型技术文件要求。
4.1 地面组合试验
地面系统组合试验采用电机对拖的方式，两台被试电机由两台陪试电机驱动（图10）。被试电机参数如下：功率P=960 kW，极对数pn=3，基波频率f0=37 Hz，定子电阻Rs=0.014 3 Ω，转子电阻Rr=0.011 6 Ω，定子漏磁Les=0.308 5 mH，转子漏磁Ler=0.465 9 mH，电机互感Lm=16.41 mH。被试系统根据实际工况模拟车辆在不同电压等级、不同速度下的牵引和制动特性。
图10 地面组合试验联调Fig.10 Ground combination test
地面联调牵引、制动特性试验结果如图11所示，标准牵引、制动曲线下，牵引、制动转矩精度均高于95%。图12示 出 低 速 段（200 r/min）、给 定 转 矩24 000 N·m、ISC控制下的电机电流波形。图13示出高速段（1 250 r/min）、给定转矩7000 N·m、十八边形磁链轨迹DTC控制下的电机电流波形。可以看出，不同控制模式下，电流运行平稳，电流幅值一致性高。
图11 牵引、制动特性试验数据Fig.11 Test data of traction and braking characteristics
图12 ISC控制波形Fig.12 Waveforms of ISC
图13 十八边形磁链轨迹DTC控制波形Fig.13 Waveforms of DTC with octagonal flux trajectory
4.2 矿山现场试验
装载了中车株洲电力机车研究所有限公司生产的大功率主辅一体牵引系统的电动轮自卸车自投放山西平朔煤矿后，经过牵引、制动特性试验、自负荷试验、恒速下坡试验、坡起试验、带速重投等项点测试，完成了空载、半载和满载的运行考核后，目前已编组且稳定、可靠、无故障地运行了3 571 h，累计31 632.4 km，运输量达1 445 276 t。
图14示出整车满载牵引加速到30 km/h后再制动到零的过程，其整车转矩响应快，加减速均满足要求。图15示出整车满载在坡道起步的波形，满载以最大电流启动，整车不后溜。图16为带速重投的波形，在200 r/min下的带剩磁快速重投，重投启动电流无冲击现象。图17为辅传前端控制的中间电压为625 V的波形，当中间电压Udc1从700 V上升到1 700 V再下降为700 V时，辅传中间电压Udc2一直稳定控制在625 V。图18为辅传后端两个模块输出的电流波形，从电流波形可以看出，后端辅传2个支路的负载控制稳定。由现场所有数据可以看出，各工况下电动轮自卸车均能平稳、可靠地运行。
图14 主传牵引加速到减速过程Fig.14 Acceleration and deceleration process of main traction
图15 主传坡停起步过程Fig.15 Hill stop and start process of main traction
图16 主传带速重投过程Fig.16 Resarting process at running speed of main traction
图17 辅传前端电压控制过程Fig.17 Front-end voltage control process of auxiliary drive
图18 辅传后端负载控制过程Fig.18 Back-end load control process of auxiliary drive
本文针对传统电动轮矿山车辅传系统由柴油机驱动且不能变频调速的问题，研究了一种大型矿用电动轮自卸车主辅一体牵引系统。其通过增加辅传系统，采用电流幅值闭环结合电压开环的控制策略，可以变频驱动牵引电机风机、制动电阻风机、水泵及变流器散热风机等负载，提高了整车的燃油经济性。主传牵引系统控制策略在低速段采用ISC的圆形磁链模式，解决了低速转矩脉动大的问题；
在高速段域采用十八边形的磁链轨迹模式，解决了原六边形磁链轨迹5次和7次谐波带来的转矩脉动及电磁噪声问题；
并针对中间电压波动大的问题，提出了一种功率自适应的控制策略，保证了牵引系统的稳定可靠运行。该主辅一体牵引系统顺利通过了地面组合试验、现场装车验证及编组运行，其高效性、稳定性和可靠性得到了充分验证。大型矿用电动轮矿山车采用此主辅一体牵引系统将成为一种趋势，其具有重大的工程借鉴意义。