电动轮自卸车发展历程正文.doc

湖南科技大学大学本科生毕业设计（论文）第一章 绪 论1.1 电动轮自卸车发展历程1959年，美国尤尼特里格公司首次将一辆载重为68t的矿用汽车改装成电传动汽车。1963年开始，该公司批量生产M85型77t电动轮汽车。电动轮自卸车的开发应归功于美国GE公司在1968年推出了电动轮这一结构，也就是将电动机，传动系统和制动器融为一体。由于电动轮为一整体，既可在车上维修也可整体拆换，使用维修均很方便，从而大大推动了大型电动轮自卸车的发展。1990年，全世界矿用运输汽车的年产量首次突破600辆大关。1996年达到顶峰，接近800辆。从那以后，由于受全球铜矿和金矿命运的影响，需求量有所下降。 1998年订货量减少到了600辆左右。1990年，154190t级的运输汽车占订货量的绝大部分，而220t级却不足当年运输汽车订货量的15，到了1997年，220t（包括290t级930E型）运输汽车占当年订货量的40以上。1998年，这个数字接近了50。在良好的维修保养，定期大修和经常更换主要零部 件的情况下，这些运输汽车的正常工作寿命大约为6万多小时。到目前为止，全球电动轮自卸车的总量已超过2万台1。特别是今年湘电集团刚刚研制成功了交交驱动的300t具有自主知识产权的“先锋号”电动轮自卸车，该自卸车将今年在7月份运往内蒙古准格尔旗大型露天煤矿。它的顺利下线标志着中国大型电动轮自卸车装备长期依赖进口的局面被打破。 以往电动轮自卸车的市场仅被5家生产制造商瓜分。卡特彼勒公司进入运输汽车市场较晚，但由于其采取了积极的开发新 产品的竞争策略，却占据了运输汽车市场的主要份额。小松采矿系统公司排行第二。这两大运输汽车制造巨商近几年的销售量约占矿用汽车市场销售总量的3/4。其他运输汽车生产厂家，包括尤克利德日立公司，尤尼特里格公司等，竞争余下的市场份额。但现在随着我国在电动轮自卸车方面的研究，特别是湘电集团的研究，已经慢慢赶上发达国家，甚至也能在市场占有一席之地。1.2 电动轮自卸车的发展趋势重型电动轮自卸车以其效率高、运量大、经济性好而成为年开采量千万吨级以上露天矿山、大型水利建设工程的理想运输工具。目前，分布在我国冶金、煤炭行业与大型水利建设工程。电动轮自卸车的开发，应归功于美国GE公司在1968年推出了电动轮这一结构，也就是将电动轮、传动系统和制动系统融为一体。由于电动轮为一整体，既可以在车上维修也可整体拆换，使用维修均很方便，从而大大地推动了电动轮自卸车的发展2。随着大型车用柴油机的问世，大型传动系统的发展和大型车用轮胎的制造，自卸车由过去的100T增大到现在的300T，加上大型挖掘机的配套，使矿山的开采效率大大提高，人员逐渐减少。微机控制系统的应用己不局限于电传动系统的控制而延伸到柴油机的喷油控制等其它部分，如康明斯和底特律的柴油机都配有电子喷油装置，从而保证了准确的喷油，增加了可靠性，改善了与传动系统的功率匹配、提高了燃油经济性、降低了烟度值等，并增加了保护和故障显示等功能。在有些车的减速和制动控制系统中也采用了微机控制，如卡特彼勒自动减速控制装置和湘潭电机厂的自动恒速下坡装置等。矿山的运输管理系统和某些厂家推出的设备还可以通过卫星通信及时的了解到机车在现场的运行情况。综合国内外长期以来的生产状况和用户对产品的需求状况，可以总结出重型矿用电动轮自卸车的发展趋势主要体现在四个方面3:大型化;计算机控制和大量新的电控元器件的使用;整车性能和工作可靠性的提高;交一直传动逐步被交-交流传动方式取代。1.3 大型电动轮自卸车的各部分结构功能大型矿用电动轮自卸车的传动方式现在一般都是采用交交传动，即交流驱动型。由柴油发动机带动交流发电机发电，将交流发电机发出的交流电整流和滤波后，用逆变器把直流电转换成可调交流电，供给驱动电动机。驱动电动机经轮边减速器驱动车轮。电动轮驱动方式舍弃了传统的离合器、减速器、传动桥等机械传动部件，使效率提高，并具有更灵活的行驶驱动特性。（1）发动机绝大多数矿用电动轮自卸车的发动机采用Cummins 公司的K系列柴油机或DDC 公司的149系列柴油机，也有少数采用NTU 公司396系列柴油机和Caterpillar 公司的D35系列柴油机。为了增加柴油机发动机的输出功率，许多制造厂都采用了废气涡轮增压和中冷等技术，各公司柴油机的大修保证期一般都在10000h以上。除149系列柴油机为二冲程外，其它均为四冲程柴油机。149系列柴油机历史最长，早期的矿用电动轮自卸车都采用此种柴油发动机；K系列柴油机投放市场后由于油耗低（218.4g/kwh）,在80年代占有60%的市场份额。（2）电动机国内大多的矿用电动轮自卸车的交流电动机采用大连电机厂的YVP系列交流变频电机或湘潭电机厂的YQ系列交流变频电机。这两种系列的电机能全面保证交流电机+变频器的最佳运行特性，并且该系列变频电机具有调速范围广、噪音低、振动小、效率高、启动转矩大等特点，能够保证电机长时间低速或高速运行。还能够配合V/F控制或矢量控制等各种变频器使用。（3）液压系统大型电动轮自卸车的液压系统有两种形式：常流式和常压式。液压油泵一般采用双联叶片泵，转向系统均采用动力转向，举升系统采用倒置式双缸三级双向左右油缸，外置于车架两侧。举升时转向油泵所产生的液压油也输入举升缸内，以缩短车斗举升时间。（4）制动系统电动轮自卸车的制动系统分为电制动和机械制动。电制动一般在车速5km/h以上工况下使用，并有多级扩展制动。电制动主要起减速作用，特别是用于重载下坡时的车速控制，其原理是将牵引电动机转换成发动机，将自卸车的动能转换成电能，通过制动电阻栅转变成热能消耗在大气中。制动电阻栅的冷却方法有两种：一种是自然通风冷却；另一种是强迫通风冷却。强迫通风冷却所用通风机的电机采用直流电机，其能源也来源于电制动所产生的电能，即把通风机电机的输入端固定在制动电阻的抽头上（电机的另一端接地），这样通风机的通风量自动地随电制动功率的增大而增大，从而保证制动电阻栅不会因电制动功率过大而烧坏。机械制动又分为工作制动、停车制动、紧急制动和制动锁定四种。制动器型式主要有气顶油鼓式和全液压盘式制动器具有体积小、结构简单、制动响应快、制动性能稳定等优点，缺点是制动盘热容量较小、制动效能低，在同尺寸下盘式制动器所产生的制动力比鼓式制动器所产生的制动力小。（5）电传动系统电传动系统是由主发动机、交流驱动电机和电气控制三大部分组成。电传动系统要满足“恒功控制”要求，即在牵引工况下，保证同步发动机的输出功率与柴油机的负载能力相匹配。恒功控制是通过调节励磁来实现的。早期的励磁调节采用开环调节，从70年代开始大都采用死循环调节。死循环调节可大大提高恒功调制的精度。另外，电传动系统应能限制发电机的最大电流（对应最大牵引力）和最大电压（对应最大车速），以保证交流驱动电机不会因过压或过流而损坏。（6）减速机构 矿用自卸车的减速机构属于驱动部分。而驱动部分位于传动系统的末端，主要包括主减速器、差速器、半轴和轮边减速器组成，其作用：一是将万向传动装置传来的发动机转矩通过主减速器、差速器、半轴和轮边减速器等传到驱动轮，实现降低转速、增大转矩的作用；二是通过主减速器伞齿轮副改变转矩的传递方向；三是通过差速器实现两侧车轮的差速作用，保证内、外侧车轮以不同转速转向。矿用自卸车驱动桥减速机构通常分为两级。通常将第一级齿轮减速机构称为主减速器；第二级减速机构称为轮边减速器。采用轮边减速器的目的是为了提高矿用自卸车的驱动力，以满足或修正整个传动系统驱动力的匹配4。（7）轮胎大型矿用电动轮自卸车均采用无内胎充气轮胎。这种轮胎具有气密性好、散热快、结构简单、使用寿命长等特点。无内胎充气轮胎接帘线结构可分为斜交轮胎和子午线轮胎两种。子午线轮胎在轮胎的地面附着能力、滚动阻力、承载能力、使用寿命等方面都优于斜交轮胎。1.4 内容框架本论文共分为五章。第一章为绪论，主要介绍了电动轮自卸车发展历程和趋势以及现如今交流驱动型大型电动轮自卸车的结构组成及功能。第二章主要是从控制器的选择，传动方式的分析和传动策略的分析来构建系统的总体方案。第三章主要是首先构建出系统的总体硬件组成，然后再对应的设计系统的主电路和控制电路的结构框图。第四章是主电路设计，包括主电路工作原理图以及原理论述、器件选型、参数计算及制动电路的设计等内容。第五章是控制电路设计，包括控制原理图以及原理论述、器件选型、器件功能说明和控制电路电源设计以及主控板的设计等内容。最后给出了整篇论文的总结，包括整篇论文详细的写作内容和对该课题发展前景和趋势的展望。第二章 系统总体设计方案2.1 控制器的选择和比较分析2.1.1 系统控制的工作要求随着经济增长对原矿产品的需求增加，工业中对大型电动轮自卸车这一运输工具也提出了更高的要求，这些要求主要体现在对吨位和整车稳定性的提高。在吨位扩展方面，显然交流异步电动机的电动轮可以取代传统直流电动机的电动轮而起到功率扩展作用。另外，交流变频调速技术在近年来的普遍应用和飞速发展，交流传动系统的运行性能己被提升到另一高度。所以就需要交交型电动轮自卸车能在各个方面满足现在矿用电机车的要求。首先车载控制工作在-3040环境下，控制精度3S5S，并要求符合IE60077牵引电力设备规则。它主要完成电动机的开关逻辑控制、电动车牵引与制动过程的发电机和电动机的自动励磁调节以及故障信号的实时采集。然后要求电机的转矩脉动尽可能达到最小，另外，由于电压源逆变器在母线电压波动范围大的情况下工作，为保障系统稳定运行，还必须考虑母线电压的利用率问题，使其尽可能高。最后要求保证设备的安全运行、系统的稳定运行以及系统应具有较强的鲁棒性。所以对主控制器的选择就显得相当重要。 2.1.2 控制器的比较分析根据系统的设计要求，控制器的核心CPU选用TMS320F2812型芯片。结合一下几个方面的原因选取了DSP的TMS320F2812型芯片作为主控制器。首先分析选DSP的原因，主要对三种常规控制器进行分析，其中包括单片机、数字信号处理器（DSP）和工业控制计算机。其中单片机的资源（硬件和软件）都已经远远不能满足现代大型电动轮自卸车的系统控制要求，例如对于MCS-51单片机的硬件资源中中断处理能力有限，只有5个中断源，即2个外部中断、2个定时器/计数器中断、1个串行口中断，即使为52单片机也只有6个中断源5，都是远远不能满足系统的要求，并且其输入输出口的位数也远不能满足要求。而对于工业控制计算机虽说软硬件资源都符合要求，但是相比于数字信号处理器而言最大的缺点是太昂贵，而且体积太大，造成资源浪费，不是最佳选择。而相对而言，数字信号处理器不仅软硬件资源能满足要求，而且价格和体积适中，是最佳选择。再选DSP的型号，经过分析选用了TI公司的TMS320F2812芯片。主要有一下几个原因：其一，该芯片的性能强大，不仅系统资源能满足系统设计控制的要求，而且能进行扩展。其二，该款芯片是市面上能够轻易购买的，价格适中，是DSP控制领域的一款主打产品，兼容性强，配套文字数据和软件丰富，易于控制及调试。2.2 TMS320F2812 DSP简介与单片机相比，DSP器件具有较高的集成度。DSP具有更快的CPU，更大容量的存储器，内置有波特率发生器和FIFO缓冲器。提高高速、同步串口和标准异步串口。有的片内集成了A/D和采样/保持电路，可提供PWM输出。DSP器件采用改进的哈佛结构，具有独立的程序和数据空间，允许同时存储程序和数据。内置高速的硬件乘法器，增强的多级流水线，使DSP器件具有高速的数据运算能力。TMS320F2812数字信号处理器是在F24X的基础上开发的高性能定点芯片。先进的内部和外设结构使得该处理器特别适合电机及其它运动控制运用，能够真正的实现单片控制器。F2812采用32bit操作，大大提高了处理能力，主要特点如下6：（1） 150MHz的主频。低电压模式设计（1.8V时为135MHZ,1.9V时为150MHz）；（2）支持JTAG接口；（3）该芯片CPU为高性能32位CPU；（4）芯片内部集成了大容量的片内存储单元，分别是128K16的FLASH存储单元,4K16的ROM；（5）3个32位的CPU定时器；（6）专用的电机控制外设（包含事件管理模块EVA、EVB）。（7）扩展了高级的仿真特性；支持C,C+以及汇编连接；CCS开发环境；DSP/BIOS；JTAG口连接目标板。（8）TMS320F2812 DSP芯片具有丰富的中断及外围接口。（9）丰富的外部接口；方便的时钟和系统控制；丰富的中断资源（外设中断扩展模块可以支持45个外部中断）；可扩展串行口外设：16路12位精度的A/D转换通道；共有56个通用外部I/O引脚。此外，其还具有工作方式灵活，保密性好的特征。拥有128位的密码保护；具有多种节电模式：-40到85的工作环境。2.3 电动轮自卸车传动系统比较分析2.3.1 自卸车交一交传动系统与交一直传动系统的比较电传动矿用车按其电力性质分为三种:首先是采用直流发电机驱动直流电动机，简称直一直方式，早期的电传动方式主要采用该方式，现已淘汰;另一种是交流发电机发出的交流电经硅整流后带动直流电动机，简称为交一直方式，目前国内生产的大型电动轮自卸车基本上都采用这种方式;第三种就是交流发电机，交流电动机，简称为交一交方式。对于使用交一直传动方式的电动轮自卸车而言，其动力组成通常由一台交流发电机和两台直流电机组成。直流电机是系统主要的控制对象，如车辆在牵引工况下，控制其作直流电动机方式运行，且确保车辆有适当的牵引力;车辆在减速制动工况下，控制其作直流发电机方式运行，并保证车辆有足够的制动力。由于直流电动机具有电刷与换向器，因而必须对其经常进行维修检查，加之电动机受安装环境的限制，还特别存在以下问题:直流电机的最大单机容量相对于交流电机小得多;直流电机由于受换向问题的限制，其电枢电压最高只能到1千伏，而交流电机可达到10千伏;转速在极大程度上受到制约;直流电机的体积和重量与价格比同等容量的交流电机大，成本费大增。另外，矿用车的使用环境较为恶劣，而换向问题是直流电机的主要弱点，其单机容量、超载能力、最高转速和电压等重要指针都受到换向和由它引起的机械强度等问题的限制，时常出现电机拉弧甚至环火障碍;给设备的维修增加了不少困难，降低了设备效率，增加了生产成本，影响了设备的可靠性。随着矿用车向大型化发展，轮电机又面临热负荷的问题，由于电动轮装于车轮的中心，留给电机的空间有限，直流电机已远远赶不上自卸车吨位的增长要求。近20年来，交流变频调速技术得到了迅速的普及和推广，并在电力拖动中逐步占据主导地位。交流变频调速系统中控制对象通常为交流异步电动机。由此，若将交流变频驱动装置取代直流驱动装置后，前面所述的那些因直流电机的自身毛病而带来的问题可大部分获得解决。同时，若控制适当，使用了交流变频调速装置后的电动轮自卸车应该更具有优越性能7:可以使大功率的异步电动机驱动电动轮实现无级调速，且节电效果较好;机车启动电流小，可减少电源设备容量;启动平滑，能消除机械的冲击力;具有保护功能，能降低电机的维修费用。由于交流变频调速技术具有上述特点，因此开始取代直流调速装置，成为电动轮自卸车传动控制的发展方向。2.3.2 电动轮自卸车交流传动系统的控制策略比较分析(1)自卸车交流传动的要求本文研究的电动轮自卸车交流变频调速系统是以交流感应电动机为控制对象的，虽然交流感应电机结构简单、维护容易，广泛适用于环境恶劣的场合。但是，相对于直流电机而言，交流感应电动机的控制要复杂的多。对于电动轮自卸车这一控制系统而言，要求其电机的转矩脉动尽可能达到最小，因此，为电动轮自卸车交流变频调速系统选择好控制策略是十分必要的。(2)电动轮自卸车交流传动装置的组成如图2. 1所示，大型电动轮自卸车传动装置的整体结构中包含的主要部分有:柴油动力源，同步发电机组，三相全桥和逆变电路，以及异步电动机与电动轮组合机组。其中，所有的控制信号(包括柴油机的运行控制和电机运行的变频控制)都是由图2. 1中的传动装置控制机构所发出的7,8。 大功率同步发电机组 三相全桥 不可控整 流器与三相全桥逆变器传动装置控制机构异步电动机与电动轮组合机组康明斯柴油动力机组图2.1 电动轮自卸车交流传动装置的组成结构图(3)交流传动策略比较变压变频标量控制技术早期的异步电机变压变频的基本控制方式是采用恒压频比控制(V/F控制)9。如图2.2所示，其控制原理是:在基频以下采用恒压频比控制，低频时把电压抬高以补偿定子压降;在基频以上则用恒压升频控制，相当于直流电动机的弱磁控制。由于缺乏对转矩的控制，使得系统带载能力差，动态响应慢。尤其在低速时由于定子电阻压降和逆变器互锁时间的影响加剧，使得控制性能更差，并可能产生振荡和不稳定现象。但由于该方法实现简单，仍被广泛地应用于风机、水泵等对调速性能要求不高的控制场合。0 fmin frate frequencyVrate VminVoltage rate图2.2 VVVF标量控制原理图矢量控制技术如果能使控制感应电动机像直流电动机控制转矩电流和励磁电流那样，那么就可以很好的控制其转矩10。上世纪70年代西门子工程师首先提出异步电机向量控制理论，以此来解决交流电机转矩控制问题。向量控制实现的基本原理是通过测量和控制异步电动机定子电流向量，根据磁场定向原理分别对异步电动机的励磁电流和转矩电流进行控制，从而达到控制异步电动机转矩的目的。具体是将异步电动机的定子电流向量分解为产生磁场的电流分量(励磁电流)和产生转矩的电流分量(转矩电流)分别加以控制，并同时控制两分量间的幅值和相位，即控制定子电流向量，所以称这种控制方式就是区别于标量控制方式的新方式，称作向量控制。简单的说，向量控制就是将磁链与转矩解耦，然后分别设计两者的调节器，以实现对交流电机的高性能调速。直接转矩控制技术直接转矩控制(简称DTC)，是继向量控制技术之后发展起来的又一种高性能的新型交流调速控制方案11。它是在1985年由德国学者首次提出的，随后日本学者I, Takahashi也提出了类似的控制方案。从式(2.1)中的三相异步电机电磁转矩表达式出发，可以初步了解到直接转矩控制的基本思想。 (2.1) 式(2.1)中代表电磁转矩，和分别代表定子磁链向量和转子磁链量，为以上各式中各种电感合成的结果，表示定子磁链和转子磁链空间电角度。当定子磁链发生变化时，转子磁链向量的变化总是要滞后定子磁链向量的变化。在动态控制中，只要控制的响应时间比转子时间常数快得多，那么在短暂的过程当中，就可以认为转子磁链向量是不变的，进而只要保持定子磁链向量的幅值不变，通过改变，就可以迅速地改变和控制电磁转矩，这就是感应电动机直接转矩控制的实质。矢量控制和直接转矩控制的对比 矢量控制(FOC)与直接转矩控制(DTC)作为当前两种主要的交流电动机变频调速传动策略，在实际中得到了广泛的应用。但对于两者的优缺点以及应用的局限性目前还有许多不同的认识，现将二者在控制性能上的比较总结归纳如下12：表2.1 向量控制和直接转矩控制的性能比较控制性能 向量控制(VC) 直接转矩控制(DTC) 动态响应 好 好转矩脉动 小 大平均转矩可控性 可控 不可控 电流可控性 可控 不可控电流谐波 中等 多固定的开关频率 有 无磁链控制效果 好 低速差调速范围 宽 宽 参数敏感性 中等 低速敏感 通过对VVVF控制技术，向量控制技术和直接转矩控制技术的模拟分析，可以知道相对于VVVF控制技术而言，向量控制技术能够实现对转矩的单独控制，并且相对于直接转矩控制而言，该技术还能使控制系统的转矩输出脉动较小。因此，结合课题研究的具体任务，可确定使用向量控制技术可作为电动轮自卸车交流传动控制系统的控制方式最为适宜。第三章 系统构成3.1 系统组成如图3.1所示，电动轮自卸车传动控制系统的硬件结构主要：有DSP数字调节控制电路，负责数据的接收、处理和控制量的输出。该部分的输入有各种模拟量的采样信号，以及I/O口接收的开关信号等。输入的数据采用向量控制算法由DSP的CPU运算处理后，在其六个PWM口得到可用于电初控制的PWM脉冲信号。PWM脉冲驱动及系统保护电路，其首要功能是将PWM脉冲进行处理使其变成能够驱动功率器件的信号，其次是对系统的保护功能，对于本系统而言涉及的保护功能有过压、欠压保护和过流保护，以及对功率器件的保护。主电路，包含三相全桥整流电路、IGBT逆变电路和制动电路。三相交流电通过其中的三相全桥不可控整流电路后，输出直流电压作为IGBT逆变器的母线电压。电压、电流传感和采样调理电路，负责将系统中的电压和电流信号处理成为能被DSP所接受的电压信号(0+3V)。光电编码器输出的脉冲频率是与电机转子的速度成线性关系的，脉冲信号经测速电路处理后，输入DSP的CAP/QEP引脚，再经合适的算法处理后可得到转子的速度。DSP数字控制电路PWM脉冲驱动及系统保护电路三相桥式整流和IGBT逆变电路M光电编码器速度检测电路控制量给定电路电压和电流采样电路图3.1 电动轮自卸车矢量控制系统的系统结构图3.2 系统主电路组成如图3.2所示，系统的主电路结构主要有：三相全桥不可控整流电路，其功能是将三相交流（220V/50Hz）整成直流输出。其中会有直流部分的电压和电流的检测环节。IGBT逆变电路，其功能是将直流逆变成电压和频率都可调的三相交流，达到对原三相交流电源频率的改变。其中会有逆变后交流部分电压和电流的检测，且包括功率器件的过流、过压和过热保护。保护电路，其中包括电源和整流电路之间的短路、过载和漏电保护以及逆变电路和三相交流电动机之间的过载保护。测速电机，其功能是测量三相交流异步电动机实时的转速，并将其通过光电编码器转换成DSP能够识别的数字信号，再通过DSP里所编写的程序来反馈控制转速，实现转速的闭环控制。三相交流电源（220V/50Hz）短路、过载和漏电保护三相不可控整流电路电压和电流检测IGB逆变电路及保护电路过载保护三相交流异步电动机测速电机图3.2 控制系统主电路框图3.3 系统控制电路组成该控制器的硬件结构框图如图3.3所示。控制器的输入部分有3路脉冲输入模块，34路开关量经输入光电隔离及电平转换后送入DSP处理，14路模拟量经通道切换、放大、滤波和快速A/D转换后输入。输出有经光电隔离及电平转换后的28路开关量和2路PWM方式的模拟量输出模块。TPS1与TPS2两路同步信号输入到同步触发模块，保证了发电机和电动轮的同步工作。控制器设有2个RS485串行通讯口，可保证它与上位机（故障诊断机）进行可靠通信。控制器还带掉电保持的实时日历时钟电路和64Kx8位带掉电保持存取器FM25L256，可实时采集和保存机车运行实时数据和故障数据。电动轮自卸车的硬件控制系统主要由以下几个部分组成，分别是DSP及外围模块（电源模块、模拟量采集模块、开关量输入输出模块和同步信号处理模块）。DSP及外围模块主要是对DSP的电源，工作频率和输入输出方式进行设计。从电源芯片输出1.8V和3.3V，作为DSP的工作电源；20MHz的外部频率经PLL倍频后为100MHz和150MHz作为DSP的工作频率。电源模块主要是对DSP和开关量进行供电，并且在开关量的供电模块设置了一个CMOS开关，以防开机时的不确定状态。模拟量采集模块主要是读入外部的电压电流模拟量，然后再转换为基准电压，输入DSP。开关量输入输出模块主要是采集输入开关量和输出开关量，其中还包括速度量的读入和PWM波的输出。同步信号模块主要是检测发电机发出的三次谐波频率，实现PWM波输出与工作电压同步。通过对可控硅的触发角的大小进行控制来达到控制主回路电流的目的。TPS2PI3AO1DO28AO2TMS320F2812电源管理模块日历时钟电路带掉电保护FMRAM两路RS485A同步信号处理模拟量输入模块模拟量输出模块开关量输入模块开关量输出模块脉冲计数模块DI1DI2DO2DO1TPS1PI2PI1DI34AI14AI2AI1图3.3 控制器硬件系统方框图第四章 系统主电路设计4.1 系统主电路的工作原理本系统的主电路如图4.1所示，主要包含:三相桥式不可控整流电路、制动电路和IGBT全桥逆变电路。其中，TVX，如TV1，表示电压传感器;TAX，如TA1，表示霍尔电流传感器；PVX，如PV1，表示模拟电压表装置; PAX,如PV1，表示模拟电流表装置;QF为快速熔断器；KM1为交流接触器的常开触点；FR为热继电器；H1为白炽灯。 图4.1 控制系统主电路原理图工作原理：如图4.1所示，该系统采用交-直-交方式（VVVF变频或矢量变频），先把工频交流电源通过整流器转换成直流电源，然后再把直流电源转换成频率、电压均可控制的交流电源以供给交流变频电动机。变频器的电路一般由整流、中间直流环节、逆变和控制4个部分组成。整流部分为三相桥式不可控整流器，逆变部分为IGBT三相桥式逆变器，且输出为PWM波形，中间直流环节为滤波、直流储能和缓冲无功功率。系统首先将市电(220V/50Hz)通过三相不可控整流电路整流后，得到220V2.34=514.8V的直流电；再通过电阻和电容组成的滤波网络进行滤波，除去整流不彻底带来的谐波，从而得到更加好的直流，避免谐波对后面电路的影响；然后将无谐波或谐波尽量少的直流通过三相IGBT逆变，其中通过主控器TMS320F2812 DSP所构成的控制电路来控制IGBT的控制角的大小，从而来控制输出的电压，最后将其提供给电动机使用。其中，该电路还包括了许多保护电路和检测电路，主要有过流保护的快速熔断器QF，能在电路短路或过载时迅速切断电路达到为整个电路的保护作用；功率器件（IGBT）的过流、过压和过热保护，即在IGBT的集电极C和发射极E两端并联一个二极管和电阻、电容的串联，组成一个缓冲电路，其作用是抑制电力电子器件即IGBT的内因过电压、du/dt或者过电流和di/dt,减小器件的开关损耗13，在IGBT的下方还加入了过热的常闭触点，为了在IGBT过热时能断开，达到对IGBT的过热保护；电动机的过载保护即使用热继电器的FR来实现，其中还在热继电器上并联了一个电容器，为了减少启动瞬间流过热继电器的启动电流，保证热继电器在电机正常工作过程中过载时才动作，以及使用交流接触器的常开触点放在主电路里达到电气联锁的作用。而检测电路有整流后的电压和电流检测，使用并联的电压传感器TV1和串联的霍尔电流传感器TA4以及模拟电压表PV1和模拟电流表PA4进行检测和测量都反馈给主控制器DSP进行控制，以达到闭环控制；其中还有白炽灯显示其是否在工作；逆变后使用TA1、TA2和TA3的电流传感器分别对其每相进行电流检测，同时使用电压传感器TV2和TV3并联三相中的任意两相进行电压检测都反馈到DSP进行控制，达到电压电流的闭环控制，其中也包括模拟电压电流表进行测量和显示；电动机的测速检测，使用测速发电机TG对三相异步电动机的速度进行检测，将其检测值反馈给DSP进行控制，达到转速的闭环控制。4.2 主电路的器件选型及参数计算（1）断路器如图4.1所示，其中QF为快速断路器，由于电路刚开始接入的是市电220V/50Hz，而对于选择快速熔断器熔体的额定电流时快速熔断器熔体的额定电流是以有效值表示的，而硅整流元件的额定电流却是用平均值来表示的。则熔体额定电流可用下式（4.1）选择： （4.1）式中：为可能使用的最大整流电流；是与整流电路的形式及导电情况有关的系数，而对于保护三相全波硅整流元件，则取0.816。而对于额定电压的选取，首先快速熔断器在分断电流的瞬间，最高电弧电压可达电源电压的1.52倍。因此硅整流元件或晶闸管的反向峰值电压必须大于此电压值才能安全工作，即由下式（4.2）可知： (4.2)式中：是硅整流元件或晶闸管的反向峰值电压；是快速熔断器额定电压；是安全系数，其值一般为1.52.014。所以通过上面的公式计算，得160A, 为560V750V，通过比较选用南京法思特科技有限公司的CR6L-200型号快速熔断器，其中该快速熔断器的额定电压为600V，额定电流为200A，并且性能良好，寿命久等特点。（2）交流接触器如图4.1所示，其中KM为交流接触器的主触点，根据以下基本原则来选取接触器：接触器的额定电压应大于或等于负载额定电压。接触器的励磁线圈额定电压种类与大小相等。接触器主、辅触点数应能满足被控电路的需要。通过以上器件选取的基本原则，系统中采用美誉公司的CJX2系列交流接触器，该器件适用于交流50Hz或60Hz，电压至690V、电流至195A的电路中，供远距离接通与分断电路及频繁起动、控制交流电动机，接触器还可加装积木式辅助触头组、空气延时头、机械联锁机构等附件，组成延时接触器、可逆接触器、星三角起动器，并且可以和热继电器直接插接安装组成电起动器。（3）热继电器如图4.1所示，其中FR为热继电器，选用时热继电器的额定电流原则上应按电动机的额定电流选择。但对于过载能力较差的电动机，其配用的热继电器的额定电流应适当小些，而电动轮自卸车电机的过载能力较强，所以按照前者要求设计，通常选取热继电器的额定电流（实际上是选取热元件的额定电流）为电动机额定电流的60%80%。而电动机的额定电流为217A,涌过比较系统中采用贝恩斯特电气公司的LR2-D3363C型号，该器件正常工作的环境温度-25+55工作极限的环境温度-40+70额定绝缘电压690V。整定电流范围0.1240A。高标准符合IEC60947-4-1,可以在湿热的环境中使用。功能齐全具有过载与缺相保护功能；具有手动/自动复位按钮；具有测试按钮；具有停止按钮。适合于电动机的过载，缺相保护。（4）电压传感器如图4.1所示，其中TV1和TV2为电压传感器，系统中采用保定市霍尔电子有限公司的HEC200-A1产品，该器件的性能特性为：额定输出电流 200A，输出电压：4V、5V，绝缘电压：3KV AC 50Hz使用温度：-10+80，贮存温度：-25+85。可用于测量直流、交流及脉冲电流，原、副边之间高度绝缘。（5）电流传感器如图4.1所示，其中TA1和TA2为电流传感器，通过比较系统选用了北京世特美测控技术有限公司的SE1T霍尔闭环电量电流传感器，其特性有：额定输出：100mA，额定输入：200A，直流12V、15V供电。该型号电流传感器适用AC，DC，脉冲等复杂电流信号的隔离转换，广泛应用于变频器，UPS，伺服控制等系统电流信号的采集和反馈控制，响应时间快，抗干扰能力强。（6）电动机如图4.1所示，对于电力拖动系统电动机的选择，首先的是在各种工作制下电动机功率的选择，同时还要确定电动机种类、型式、额定电压与额定转速。正确选择电动机功率的原则，应当是在电动机能够胜任生产机械负载要求的前提下，最经济最合理地决定电动机功率。其中决定电动机功率的三个因素是电动机的发热、允许过载能力与起动能力，一般情况下，以发热问题最为重要15。选择电动机功率时，除考虑发热外，有时还要考虑电动机的过载能力是否足够，因为各种电动机的短时过载能力都是有限的。校验电动机的过载可按下列条件： (4.3)式中电动机的转矩允许过载倍数； 电动机在工作中承受的最大转矩。对于异步电动机，取决于,其关系为 =(0.80.85) (4.4)式中 异步电动机临界转矩与额定转矩TN的比值，=/;0.80.85考虑电网电压下降引起及下降的系数。对于直流电动机，过载能力受换向所允许的最大电流值的限制。一般Z2型与Z型直流电动机，在额定磁通下，可选为 =1.52 （4.5）对于专为起重机、轧钢机、冶金辅助机械等设计的ZZ型和ZZY型电动机，以及同步电动机，为 =2.53 （4.6）当过载校验不能通过时，则另选过载能力较大的电动机或选功率较大的电动机，来满足过载条件的要求。因此电动轮自卸车所使用的驱动电动机为湘潭电机厂跟电动轮自卸车配套的交流变频牵引电机，型号为YQ-75产品，该矿用交流变频电动机的性能参数有：定额： S2-60min，额定电流：217 A 额定功率：75kW ，额定电压：225 V ， 额定转速：1000 rpm ，额定频率：51 Hz ，最高转速：2260 rpm 功率因素：cos0.94 ，效率：92 ，绝缘等级：F 防护等级：IP44 ，适用电机车：CJY20GR型架线式矿用电机车。（7）测速电机如图4.1所示，TG为测速电机，系统采用杰韦弗公司的永久励磁型的测速电机TYP型号，该测速电机符合IEC国际标准，并且简单可靠。TYP系列永磁同步变频电动机与普通异步变频电动机不同 即一旦频率固定，转速即随频率而恒定不变，电机转速与电源的输出频率保持严格的同步关系，在额定输出范围内，负载的变化不会影响转速的恒定性能，变频器可精确指示电机的转速，也不需要光电编码器进行转速闭环控制，如果附加位置传感器可对电机的转向位置进行严格的定位控制。（8）整流电路如图4.1所示，其中VD1VD6为六个二极管组成了三相全桥不可控整流电路。系统中采用上海晶灿公司的MDS 200A 1600V三相全桥不可控整流器，该器件的常见性能指针有:反向重复峰值电压，1600V;正向峰值电压1.3V;正向平均电流200A 三相交流电通过整流器后输出的电压为:220v2.34 = 514.8V，以此作为电压源逆变器的母线电压输入16。( 9) IGBT全桥逆变电路在图4.1中，V1V6为六个IGBT组成的全桥结构为系统中使用的电压源逆变器。功率器件IGBT选用的是BSM-200-GB-120-DN2，根据该器件的有关参数曲线，取正常的死区延时时间为8 us。 ( 10) IGBT驱动电路本装置中选择Concept公司的2sd315A芯片作为IGBT的驱动器件。该器件的内部结构如图4.2所示，该芯片中实际含有下图所示的两个完全一样的结构。因此，1个2sd315芯片完全可以用来作为上下桥臂中1对IGBT的驱动。LDIGNDIGDIGDViso1Viso2PWMcaculatorVDCGNDVDDDDViso1Viso2辅助电源和信号输入电气隔离辅助电源输出和驱动输出外部器件图4.2 2sd315A的内部结构图2sd315A芯片主要有以下几个优点:只需简单调整MOD脚，就可使该电路在半桥模式或直接模式下运行。该驱动模块的接口非常简单，能处理所有从5V15V电平的逻辑信号.由于输入口内部有施密特触发器，它对输入端信号无特殊的边沿陡度要求，而且状态回馈输出端设计为集电极开路，因此，该电路可以适应任何电平逻辑。由于采用双极性的驱动电压（15V），使得任何厂家的各种级别的IGBT模块都可安全运行;负偏置的使用使得电路的抗干扰能力大大增强，这样就很容易实现IGBT模块的并联。内部电压隔离使得即使是多个驱动模块，也可以共享一个驱动电源，这不但省去了人力和资金，而且电磁干扰程度也大大降低。过流保护能准确无误的动作，且简单易调，同时具有欠压保护功能，并采取与过流保护同样的措施。4.3 制动电路设计随着电力电子技术的不断发展和完善，交流变频调速技术日益显现出优异的控制和调速性能，加上其高效率、易维护的特点，使其在机械设备的调速领域中应用日益广泛。随之而来的制动问题越来越受到人们的关注，在变频调速系统中，异步电机的减速或停止是通过逐渐降低变频器的输出频率来实现的，随着变频器输出频率的降低，电机的同步转速降低，但是由于机械惯性的存在，电机转子的转速不会突变。当同步转速小于转子转速时，电机便处于再生发电状态，从而产生反馈电流。4.3.1 变频器再生运行图4.3所示为变频器再生运行状态，当其运行在II , IV象限时，其转矩方向与旋转方向相反，为再生运转17。由于通用变频器前级多采用不可控二极管整流，逆向功率流流向电网的通道被阻断，少量的再生能量在电动机和变频器中消耗掉，大多数能量会储存到电力电容器中，导致直流环节泵升电压UDC持续升高，若不采取措施，势必会造成变频器过电压保护动作或者主电路器件因过压击穿或烧毁，因此大量的再生能量就必须另寻出路。再生能耗制动单元配合制动电阻可以很好地实现对能量的消耗，达到变频器制动的日的。这种方法具有结构简单，制动方便的特点。图4.3 变频器再生运行状态4.3.2 能耗制动工作方式能耗制动是利用制动电阻将再生能量转换为热量消耗掉的制动方式，制动电阻连接在制动回路上，能量流动的路径是:机械设备的机械能一电动机发电电能一逆变器一直流回路一制动电阻一热能18。 能耗制动单元接线原理如图4.4所示。 图4.4 能耗制动单元接线原理其中的制动电阻与绝缘门双极晶体管IGBT组成的制动单元串联连接，然后并联在直流回路上。这是一种处理再生能量最直接的办法，它是将再生能量通过专门的能耗制动电路消耗在电阻上，转化为热能。制动单元控制目标，使直流电压在允许的范围内波动。当再生发电制动运行时，回馈到直流回路的电能积累在电容器内，导致电容器端直流电压上升，再生发电功率越大，电压上升速度越快，即上升斜率越大。当直流电压上升到制动运行时的电压上限UDH时，制动单元的控制电路使制动开关器件Q1导通，电阻被并联在直流回路上，开始工作。当直流电压下降到制动运行电压下限UDL时，制动单元控制电路使Q1截止，同时电阻被截止能耗制动电路的设计涉及制动电阻阻值、功率、控制方式等几个方而的分析与确定。制动电阻阻值一方而关系到最大制动能力的问题，另一方而涉及到逆变器瞬间电流大小的问题。因此，制动电阻是制动单元的重要参数;制动单元的控制方式则涉及是否能够有效地控制和实现控制过程的问题。4.3.3 制动电阻的计算(1)制动电阻最小值 制动单元由制动电阻和制动功率管组成，构成的制动回路中，其最大电流受功率管Q1最大电流的限制，最小制动电阻: (4.7)一制动运行时，直流电压下限值一制动控制功率管最大工作电流(2)制动电阻最大值根据变频器额定电流计算 再生发电能量流回直流回路时，是通过逆变器的。电阻上流过的瞬间电流，一部分来自逆变器，一部分来自电容器，因此，通过逆变器的电流必然不大于电阻中流过的电流。若电阻上的瞬间电流不超过变频器的额定电流，那么对于变频器来说，肯定是安全的。电阻上的瞬间电流在直流电压处于上限时最大，按照欧姆定律得，制动电阻最大值: （4.8）一制动运行时，直流电压上限值一变频器额定电流根据制动转矩计算制动转矩，可以根据下式计算19,20, (4.9) 一制动转矩(Nm) 一负载转矩(Nm)一电机的飞轮转矩+换算到电机轴上的飞轮转矩(Nm),即一减速前的转速(r/min)一减速后的转速(r/min)一减速时间 在进行电机制动时，电机内部存在一定的损耗，约为额定转矩的18 %22%，若计算出的结果小于0.2范围的话，则不需要外接制动装置。制动电阻可以由下式计算推出: （4.10）一制动转矩(Nm)一电机产生的转矩(Nm)一直流回路电压(V)一减速前的转速(r/min)比较和，取其中的较小值作为。当选择制动电阻时，阻值在和之间进行选取，即: 。(3)制动电阻功率计算制动电阻的工况属于短时工作，即每次通电时间都很短，在通电时间内，其温升远远达不