工程机械电力驱动系统及其线控技术分析

工程机械电力驱动系统及其线控技术分析

柳佳呈 宋向前 刘振傲 杨洋 赵春晖

东北电力大学

摘要：在工程机械领域，较为常见的驱动系统主要包括以下三类，即：液力传动、液压传动以及电力传动，通过对三种驱动系统进行比较分析，发现电力传动系统在工程机械领域中具有一定的优越性。根据驱动电机类型的不同，又可以将电力驱动系统氛围多种形式，笔者对四种不同驱动电机的控制技术进行了阐述，并对工程机械线控技术进行了介绍，旨在为我国工程机械的发展做出一定贡献。

关键词：工程机械；电力驱动系统；线控技术

一、引言

工程机械驱动技术经过多年的发展，主要形式包括电力驱动技术以及液力机械驱动技术。不同于传统的机械传动及液力机械传动技术，液压传动技术展现出了一定的优越性，如：操作及布局更为灵活。发动机在运行过程中，可以为传动系统提供一定的牵引力，从而满足作业对负荷的需求。但发动机由于长时间处于工作状态，对于设备可靠性的需求大幅度增加，且发动机在运转过程中会产生一定的污染，传动效率较低。电力传动即借助于电动机驱动车辆行走，通过对电子系统的参数进行调整，从而影响电动机的转速及转向，使用效率较广，体现出了绿色环保的理念，已经成为了未来工程机械发展的重要方向。

二、不同驱动电机的控制技术

（一）直流电机驱动系统

在直流电机驱动系统中，通常选用琼斯斩波器作为电机的控制器，通过对脉冲接通时间与脉冲周期的比值进行调整，从而对电压及电流进行调整。一方面，斩波器可以用于控制电机的电枢电压，另一方面也可以对励磁绕组电压进行调整，实现恒功率弱磁调速。

（二）交流感应电机驱动系统

在交流感应电机驱动系统中，呈现出了如下的特点：强耦合、多变量、非线性。磁通的形成取决于定子电流以及转子电流。转子电流则是由转速、定子电流等决定，不能直接对转子电流进行控制。为实现对交流感应电机驱动系统的控制，常采用VVVF以及FOC两种方案。其中VVVF的控制原理如下：对控制电机的电压及供电频率进行相应的调整，改变电机的转速，进一步满足作业的负载需求。FOC则是借助于磁场定向矢量变换方法的方法，对电机的转速进行控制。相较于VVVF控制技术，FOC控制技术的适用范围更广，这也是交流感应电机驱动系统中最为常用的控制技术。

（三）开关磁阻电力驱动技术

在开关磁阻电力驱动技术中，具有较多的可控参数，因此，开关磁阻电力驱动技术相较于其他驱动技术，调速范围更宽。

（四）永磁同步电机驱动系统

永磁同步电机驱动系统具有较强的可靠性，可以有效地保证工程机械设备的正常运转，此外，由于永磁同步电机的气隙较小，使得电枢磁动势对主极磁场基波的影响大幅度增加，从而保证电机的恒速运转。永磁同步电机的控制常采用自我控制的方式。

三、永磁无刷直流电机工作原理和机械特性

（一）永磁无刷直流电机工作原理

永磁无刷直流电机作为一种新型的直流电机，主要由驱动器和电机主体组成，其中驱动器作为永磁无刷直流电机的核心器件，主要负责的任务如下：接受电机的启动、停止和制动；接受位置传感器信号和正/反转信号，用来控制逆变桥各功率管的通断，产生连续转矩；接受速度指令和速度反馈信号，用来控制和调整转速，提供保护和显示。电机主体组要负责提供对称的交变矩形波。永磁无刷直流电机从结构上看是一个定转子倒置的直流电机，直流电机的电枢绕组在转子上，永磁体在定子上，通过电刷和换向器完成相绕组电流转换，电机的相绕组换向是位置传感器和电子控制器的功率开关来完成。

（二）永磁无刷直流电机的机械特性

当无刷直流电机的负载处于稳定状态时，电机工作时所产生的输出转矩依赖于负载，电机的转速主要受绕组两端的电压所控制。为实现对转速的控制，通常采用PWM控制方式，通过对PWM信号的占空比进行调整。若维持电压处于不变的情况，随着负载的增大，将会导致电机输出转速的下降，当输出转矩增大到与负载相匹配的状况后，永磁无刷直流电机将达到新的工作点。在这种情况下，电机的输出转速明显小于为变化之前的转速，为实现电机达到要求的转速，则需要增大绕组上的电压。载减小时的情况类似，只是新的稳定输出转速会比初始时大；如想得到最初规定的速度，则应减小绕组上的电压。

四、工程机械线控技术及仿真

控制系统作为工程机械领域中不可分割的一部分，直接影响了整个系统的鲁棒性。随着控制系统技术以及控制方法的不断发展，对于线控技术提出了更高的需求。近年来，工程机械呈现出复杂化的趋势，涉及的范围、工程技术的难度都有所提升，通过提取受控对象而获取数学模型具有一定的难度，通常需要为模型构建设置一定的理想化条件。基于上述操作所得到的控制器往往并不能满足实际工作的需求，与预期的控制效果存在较大的差距。半实物仿真的发展可以有效的减小误差，被广泛运用于复杂系统的设计中。半实物仿真主要包括以下几部分：主控计算机、A/D接口、D/A接口、控制原型机等。半实物仿真是对实际过程的仿真，可以有效的缩短设计周期，提升设计的可靠性与精确性。现场总线组网的智能信息化装备系统可以划分为以下几个部分：工作装置管理系统、底盘管理系统、驾驶室控制管理系统以及能源管理系统。其中盘底管理系统的主要作用是控制机械的正常行动，使该机械可以较快的适应不同的地面环境。

五、结束语

工程机械对于我国基础建设起到了不可言喻的作用，随着近年来施工项目规模的逐步扩大，对于工程机械也提出了更高的需求，工程机械不仅仅需要实现集成化及智能控制，还需要更为高效的完成各项任务。电力传动技术作为工程机械驱动系统的重要组成部分，贴合了我国节能减排的理念，并且可以有效的提升整个机械工程的效率，已经成为了未来工程机械发展的重要方向。但就目前来看，我国的工程机械电力驱动系统仍是相对落后，存在着诸多问题，进一步导致电力驱动系统无法达到预期的目标。但笔者认为，随着工程电力驱动系统的逐步完善，在未来的工程机械领域将发挥举足轻重的作用。

参考文献

[1] 王庆伟, 王建广. 工程机械液压系统故障诊断及维修技术分析[J]. 建筑工程技术与设计, 2018, 000(005):3103.

[2] 周圣焱. 纯电驱动工程机械主驱电机控制系统研究[D]. 2019.

[3] 彭益武. 电力驱动系统电气工程与自动化控制的PLC应用[J]. 舰船科学技术, 2019(20).

[4] 周圣焱. 纯电驱动工程机械主驱电机控制系统研究[D]. 2019.

作者简介：

柳佳呈（1998-），男，汉族，籍贯：黑龙省大庆市，东北电力大学本科生，能源与动力工程专业；
宋向前（1999-），男，汉族，籍贯：陕西省咸阳市，东北电力大学专科生，机电一体化专业；
刘振傲（1999-），男，汉族，籍贯：吉林省长春市，东北电力大学专科生，机电一体化专业；
杨洋（2001-），男，汉族，籍贯：吉林省榆树市，东北电力大学本科生，能源与动力工程专业；
赵春晖（2000-），男，汉族，籍贯：吉林省舒兰市，东北电力大学本科生，能源与动力工程专业。