基于电传动拖拉机变流控制单元设计.pdf

基于电传动拖拉机变流控制单元设计陈铁年，王闯，刘佳伟（中车大连电力牵引研发中心有限公司，辽宁 大连 ）摘要：简要介绍了电传动拖拉机的优点，阐述了拖拉机电传系统的主电路拓扑及主要电气参数设计，开发一种基于 硬件架构的变流控制单元，实现了网络通信、核心控制算法、逻辑控制的完全解耦。开发的变流控制单元已完成装车试验及长时间犁地试验，解决了实验过程中两个典型问题。试验结果表明，所开发的变流控制单元可以满足电传动拖拉机控制需求，硬件架构较为先进，性能稳定可靠。关键词：电传动拖拉机；变流器；变流控制单元中图分类号：文献标志码：文章编号：（），（，）：，：；现代农机装备是高端制造业的重点发展领域之一，具有广阔的市场应用前景。拖拉机是一种通用农机技术装备，是实现农业机械化和现代化重要保障。既有的拖拉机产品分传统机械拖拉机和纯电传动拖拉机，两类产品都不同程度存在效率低、能耗高、续航短等问题。随着国家节能环保意识的提高和高端农机装备的发展要求，内燃电传动拖拉机由于其较高的燃油效率和智能化水平，得到越来越广泛的发展。自主设计开发的电传动拖拉机电传动系统变流控制单元，对电传动系统变流控制单元软硬件进行升级换代，提高了控制单元综合性能，开发了先进的控制算法，优化了系统控制策略，提高了传动系统效率，降低了系统故障率。电传动系统概述电传动拖拉机采用牵引变流器、三相异步发电机、三相异步电传动机作为传动系的核心部件，采用柴油机作为动力源，具有防护等级高、能耗低、功率大等优势，系统运行稳定，性能优越 。电传动系统主要由发电机整流器、电动机逆变器、制动单元、降压 模块、励磁电源模块、绝缘检测模块、变流控制单元、驱动板等部分组成。整流、逆变、制动单元驱动信号由变流控制单元通过光纤传递给驱动板，各 故障反馈信号通过光耦隔离传递给变流控制单元。降压 模块、励磁电源模块启停信号均由变流控制单元进行控制。上述主要部件电气参数如表 所示。电传动系统主电路拓扑如图 所示。柴油机在启动后，进入怠速运行状态；当系统接收到牵引发电机启动指令后，由变流器为发电机建立磁场；在柴油机的拖动下，牵引发电机发出三相交流电；发电机侧变流器整流输出恒定的直流电压，提供给牵引逆变器，用于驱动电动机工作。变流控制单元设计变流控制单元相当于电传动系统的心脏，其性能直接决定了电传动拖拉机运行的技术指标及稳定性能。收稿日期：第 卷第 期拖 拉 机 与 农 用 运 输 车 年 月 ，表 主要部件电气参数 三相异步发电机牵引变流器 励磁电源标定功率：标定功率：标定功率：标定电压：输入电压：输入电压：标定转速：中间直流电压：输出电压：图 电传动系统主电路拓扑 变流控制单元硬件设计变流控制单元采用信号母板 子板叠板的结构方式，在保证控制功能的前提下，既有效减小了控制单元体积，又降低了控制单元的制造成本。信号母板用于实现电传动系统整流器、逆变器、制动单元需要采集的模拟量、数字量、速度信号、驱动及反馈信号的采样、滤波等功能；子板采用 硬件架构，用于实现网络通信、柴油机控制、发电机和电传动机矢量控制、故障诊断等功能。其中 采用 公司的 芯片，用于实现网络通信及相关逻辑控制的模拟量、数字量采集及控制；采用 公司的 芯片，用于实现发电机及电传动机矢量控制；采用 公司的 芯片，用于实现用于发电机及电传动机控制需求的模拟量采集及保护、速度信号采集、驱动脉冲信号调制及 反馈信号逻辑处理。变流控制单元硬件架构如图 所示。实际硬件如图 所示。变流控制单元软件设计变流控制单元软件主要由三部分组成。主要用于实现整车网络通信；网络系统采用 协议实现整车网络控制器、控制器、变流器绝缘检测议、显示屏和柴油机控制器之间的相互通信。是美国汽车工程协会（）的推荐标准，用于为中重型道路车辆上电子部件间的通讯提供标准的体系结构，其数据链路层采用基于 技术规格的 的数据通信。主要用于实现发电机及电传动机矢量控制；异步发电机工作在制动状态，以直流母线电压作为外环控制目标。把电图 变流控制单元硬件架构图 图 变流控制单元硬件实物图 陈铁年等：基于电传动拖拉机变流控制单元设计传动机输出功率作为发电机内环控制的前馈补偿，提高响应速度 。主要用于信号采集及故障逻辑处理；通过并行总线接收 的调制算法的比较值，实现脉冲调制，节省 由于调用外设而占用的时间，提高了 用于算法的容量。实现了 速度捕获模块，通过并行总线将速度捕获数值传输给 做运算，得出实时速度，实现精确分类捕获的三种模式：低速、中速、中高速，扩展了速度捕获范围，利于算法的准确控制。试验验证及问题解决设计的变流控制单元已成功应用于 电传动拖拉机的电传动系统中，经过长时间犁地试验出现两个典型问题，分析及解决方案如下。变流控制单元报故障后无法正常启动拖拉机在犁地试验过程中多次出现发电机及电传动机侧过流保护问题，且无法对控制系统进行有效复位，变流器在故障发生后无法再次正常启动，故障时刻变流器母线电压和发电机电流波形图 所示。图 变流器故障时刻母线电压和发电机电流波形图 从图 可以看出，变流器故障时刻，母线电压及发电机电流均出现较大波动，达到了变流控制单元硬件保护值，此时变流控制单元封锁 驱动脉冲是正确的保护逻辑，但封锁 驱动脉冲后，变流控制单元无法再次正常启动，只能通过更换 子板后才能正常启动。该类故障均在拖拉机运行一段时间后出现且无法通过复位重启清除，为死故障，引起该故障原因多样，可分为直接原因和间接原因两大类，分析如图 所示。图 变流控制单元报故障不启动问题鱼骨图 经过故障分析及排查，最终确认由于变流器的蓄电池地与机壳共地，在拖拉机犁地时犁与机壳共地，犁地时变流器内部积累了大量犁与大地摩擦引起的静电，变流控制单元的高压瓷片电容接地方式无法有效泄放积累的静电，最终导致变流控制单元供电系统失效，且在静电没有泄放完前，变流控制单元无法再次正常启动 。将变流控制单元的高压瓷片接地更改成高阻接地，能够有效泄放变流器内部的静电积累，整改后没有再次出现该类故障，保证了拖拉机正常运行。电传动机低转速信号干扰拉机起步时发生抖动，无法停稳，且发生电传动机过流保护故障；坡道起动时，电传动机驱动力给定方向跳变，拖拉机在坡道停车点上下抖动或者发生溜车。电传动机零速附近转速和方向跳变波形如图 所示。拖拉机与农用运输车第 期 年 月图 电传动机零速附近转速和方向跳变波形图 从现场示波器抓取的波形和上位机记录的数据可以看出，转速信号存在较大的毛刺和干扰，引起干扰的原因多样，可分为硬件原因和软件原因两大类，分析如图 所示。经过故障分析及排查，最终确认由于速度信号采样滤波参数设置的不合理是引起该故障的主要原因。在现场拖拉机运行过程中，进行转向滤波参数的调节，逐步调大转向滤波参数，每增大一次便在拖拉机上进行试验，在保证其他运行效果不受影响的情况下，尽量优化滤波参数，保证滤波效果。在电机的算法程序中增加编码器 路信号处理程序，采用 路信号相互对照校正的算法，剔除某一路异常跳变数值，提高系统的抗干扰能力。图 电传动机低转速信号干扰问题鱼骨图 结论装有该变流控制单元的电传动拖拉机犁地图如图 所示。图 电传动拖拉机犁地图 设计的变流控制单元采用较为先进的 硬件架构，实现了网络通信、核心控制算法、逻辑控制的相互独立控制，通过大量的现场犁地试验，发现诸多问题并进行了有效改进，最终在 电传动拖拉机上稳定运行，在能耗、功率、无级调速、远程信息诊断、电气制动等方面相比于传统拖拉机有了质的提升，已具备了批量交付的能力。参考文献：高辉松，朱思洪 电传动拖拉机传动系设计理论与方法研究 南京农业大学学报，（）：王雪迪，杨扬，周鹏 基于电传动拖拉机的异步发电控制技术研究 拖拉机与农业运输车，（）：张亮 电磁兼容（）技术及应用实例详解 北京：电子工业出版社，（编辑张晓超）作者简介：陈铁年（），男，硕士，教授级高级工程师，主要研究方向为轨道交通车辆变流控制单元开发。陈铁年等：基于电传动拖拉机变流控制单元设计