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

贾培奇赵园园毕伟

（邢台职业技术学院河北邢台054035）

摘要：随着功能的不断被完善，现代的工程机械的结构越来越复杂，购买的成本也随之越来越高。因此掌握工程机械的技术应用，使机械一直处于良好的技术层面上，提高施工的经济效益，延长机械的使用寿命等都成为了十分迫切的问题。电力传动在工程应用中相对于液力传动、液压传动等传统的传动方式来讲具有更大的优势。根据驱动系统的电机类型不同，可以包括交流驱动、直流驱动、交变驱动等多种不同的形式，对直流电机、交流感应电机、永磁同步电机、开关磁阻电机的多种控制方法进行研究分析。本文简要介绍永磁无刷直流电机的工作原理以及其机械特性，并且根据此特性提出工程机械驱动控制系统的半实物仿真的模型，对多种模块不同的功能以及实现的原理方法和形式做出了详细分析。

关键词：工程机械；电力驱动系统；线控技术

随着科技进步和时代发展的要求，工程机械不仅仅要做到工程化和集成需要以及智能控制，更需要能够组成基于网络化的智能化机群能够协同处理控制系统，以此来获得项目施工带来的高效性和低耗性。工程机械的核心技术有机械设计及其计算机辅助设计技术，液压传动及其液压控制技术，强度刚度分析技术三种。而工程机械驱动系统也有一定的发展历史，最初主要是采用机械传动和液力机械传动的方式。

一、工程机械电力驱动系统的产生及具体分析

工程机械驱动系统传统的采用机械传动和液力传动等方式，但是现在这几种传统的传动方式渐渐出现了一些比较明显的弊端，因此液压和电力传动的方式渐渐出现在人们面前，出现在工程机械行走驱动装置中。相对于原来的传统方式来讲，液压传动的主要优点是它在调节上具有便利性，在布局上具有一定的灵活性。发动机在某个转速下工作时，传统的驱动系统都能够产生较大的牵引力F，而且传动驱动系统能够适应各种作业状态下的负荷，所以能在相当大的转速范围内便利的获得各种优化的动力传动特性。但是这种的维护过程比较复杂，维护过程中要求较为严格，不容易进行检修。电子调节系统具有以下几种优点，即可以提高发动机的效率并由此降低耗油量，可以提高处理的效率，可以降低机械的损失，可以提高可变的压缩比等，通过电子调节系统调节电动机轴的转速以及其转向，达到布局简单、调速范围广、效率高、可以回收的特点，这是工程机械发展的必然趋势。

工程机械的电力驱动系统可以按驱动电机的形式分为直流电机驱动系统、交流感应电机驱动系统、开关磁阻电机驱动系统、永磁同步电机驱动系统。直流发电机的工作原理就是把电枢线圈中感应的交变电动势配合电刷的换向作用使之从电刷端引出时变为直流电动势。直流电动机的导体受力方向用左手定则确定，这一对电磁力形成了作用于电枢上的一个力矩，这种力矩在旋转电机里称为电磁转矩。转矩的方向是逆时针方向，如果此电磁转矩能够克服电枢上的阻转矩（例如由摩擦引起的阻转矩以及其它负载转矩），电枢就能按逆时针方向旋转起来。电机一般使用的是有刷直流电机，而电机的控制器一般采用斩波控制器来进行控制。斩波控制器主要适用于电机调速控制，尤其适用于蓄电池电机车控制器调速。交流感应电机也是较早用于电动汽车驱动的一种电机，它的调控技术比较成熟，，具有结构简单、体积小、质量小、成本低、运行可靠、噪声低、转速计线高和不用位置传感器等优点。但因转速控制范围小、转矩特性不理想，不适合频繁启动、频繁加减速。电机采用交流感应电机所构成的交流感应电机驱动系统是一个强耦合多变量的不是线性的系统，刺桐是由定子电流和动子电流共同建立的。下图为琼斯斩波器控制的电路。

VVVF控制的主要思想原理为为了满足负载的要求通过协调控制电机电压的供电频率从而调节好电机的转速。而采用开关磁阻电机驱动系统时，所需要掌控的范围比较独特，要由更多的可控参数、比较高的参考范围以及较为宽的转速取值区间。由于现在的电机车大部分采用的是直流电机驱动，存在维护的工作量大、维护所用的费用较高、能源损耗大等缺点，致使电动机车使用的效率低下。由此永磁同步电动机及其控制技术渐渐被广泛使用，使用永磁体取代了传统的电激磁磁极，简化了原有的结构，去除了转子的滑环、电刷，真正实现了无刷结构，省掉了激磁直流电源，减小了转子的体积。在交流驱动中永磁同步电动机结构简单、工作可靠、效率高、体积小质量轻，尤其一个最佳的优点就是维修方便，所以此技术已经在多方面进行应用。

二、永磁无刷直流电机

随着人们生活水平的逐渐提高，选择家用电器的要求也逐渐增多，其中就有精度、性能、自动化程度、功能以及功耗等。永磁无刷直流电机既具有交流电机的结构简单、运行可靠、维护方便等优点又具有直流电机那样良好的调速特性，因此已经广泛应用于各种调速驱动场合上。MOTOROLA第二代电机控制专用芯片的出现给永磁无刷直流电机的调控装置的设计带来了极大的便利，这些芯片的控制性能较强，保护的功能也有着完善能力，工作性能比较稳定，组成系统的外围电路简单，并且抗干扰能力强，尤其是适应于工作环境恶劣，对控制器功能、体积、性价比有严格要求的地方。

MC33035是MOTORLORA公司研制的第二代无刷直流电机控制专用集成电路，加上一片MC3309电子测速器将无刷直流电动机的转子位置信号进行F/V转换，形成相对应的转速闭环调节系统。从电机转子位置检测器送来的三相位置检测信号一方面送入MC33035，经芯片内部编码电路结合正反转控制端、制动控制端、电流检测端、起停控制端等控制逻辑信号的状态。经过一定的运算以后，产生逆变器三相上、下桥臂开关器件的六路原始控制信号。永磁无刷直流电机主要由驱动器和电机组成的，驱动器由电子器件和集成电路等构成，驱动器所产生的功能是三种接受，第一个接受为可以接受电机的启动、制动或者停止，第二个接受为可以接受传感器所产生的信号以及带来的正信号和反信号，以此来控制逆变桥各功率管的开通与断开，第三个接受为接受产生的速度指令和速度反馈回的信号。通过永磁体的N-S转换使位置传感器产生相位变化为120°的U、V、W方波产生的有效的六种状态编码信号为101、100、110、010、011、001。通过逻辑组件处理产生六种导通方式即T1-T4导通、T1-T6导通、T3-T6导通、T3-T2导通、T5-T2导通、T5-T4导通，即转子每转过一对N-S极的同时，T1-T6功率管开始依次导通。

三、工程机械线控技术

随着控制系统的广泛应用和新型方法的出现，许多离线仿真不能满足工作需要，所以要提出受控对象的数学模型，根据它的数学模型设计出相应的控制器。按照不同类型可以将现场总线组网的智能信息化装备系统分成四个不同的独立部分，即工作装置管理系统、底盘管理系统、驾驶室控制管理系统还有能源管理系统。

结语：

综上所述，电力的传动是新兴的通过电动机驱动车辆运的，通过机械电力系统调节以后具有结构简单、工作可靠、效率高、体积小质量轻，维修方便、节能环保等优点，是未来工程机械的发展趋向。

参考文献：

[1]申胜斌.有线控向技术在沁河定向穿越施工中的实践与应用[J].河南水利与南水北调.2015（22）

[2]卞永明，吴昊，宁晓贤，兰皓.工程机械轮边电力驱动线控制动技术研究[J].中国工程机械学报.2011（03）

[3]方桂花，杨雨彦，常福，梁永利.工程车辆线控液压制动系统响应特性研究[J].机械设计与制造.2018（05）

[4]王银泽，李强.超级XY曲线控件在水厂加药实时监控中的应用[J].电工技术.2013（05）

[5]刘建辉，王凤梅，寇雪琴.工程机械的层次模型协同诊断方法[J].计算机测量与控制.2006（08）