履带爬山机驱动电机及控制技术

  驱动电机是车辆电驱动系统中的关键部件,与普通工业用驱动电机系统不同,车辆驱动电机系统的特点是高性能、高功率密度、高可靠性和良好的环境适应性。履带爬山机对驱动电机系统的技术要求至少包括:(1)额定转速以下为输出大转矩,以满足车辆启动、加速、爬坡、起停等工况的要求;(2)额定转速以上为恒功率运行,以满足车辆越野、高车速等要求;(3)全转速运行范围内的效率优化,以提高车辆的续驶里程;(4)结构坚固、体积小、重量轻、良好的环境适应性和高可靠性。车辆驱动电机可采用直流电机、交流感应电机、开关磁阻电机、交流永磁同步电机。其中,交流永磁同步电机具有较高的功率密度、效率以及宽广的调速范围,极限转速和制动性能均优于其它类型电机,更加适合作为车辆电传动的驱动电机。交流永磁电机结构相对简单,功率密度和效率较高,国内外车用永磁电机多采用轴向磁通结构和径向磁通结构。研究的重点主要在针对车辆特性需求提高转矩特性,减小输出转矩波动,以及扩大恒功率区的转速范围,提高功率密度和效率。因此,需要针对车辆特性要求进行电机优化设计,减小电机损耗,驱动系统采用高效率的控制策略。
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  为提高交流永磁电机的功率密度,径向磁通电机基本采用多极结构或集中式绕组。南洋理工大学G.H.Chen等设计了22极结构的永磁电机,减轻重量、减小体积,具有较高的功率密度。定子采用集中式绕组,减少铜耗。为减轻质量,在不影响电磁结构的情况下,尽可能减小定子磁轭[21]。日本本田汽车电动车辆部门通过磁桥厚度的优化设计,既保证转子机械强度,又有效降低了永磁体的漏磁;对V形磁路永磁体不同夹角方案的进行优化对比分析,确定佳夹角,有效提高了气隙磁密正弦度,减小了谐波损耗;通过采用转子表面凹陷技术减少铁心损耗等。美国SatCon公司的James H. Goldie和Kevin E. Lerow P. E.等人针对电驱动车辆用永磁同步电动机采用双套绕组定子,电机由低速到高速时改变绕组每相串联匝数,既扩大了永磁同步电机的转速范围,又有效利用了控制器的电压,降低了高速时的绕组电流,大幅提高了电机的效率,但也增加了电机制造难度。因此,针对车用高功率密度电机,国内外都在积极进行的关键技术攻关研究。
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  纵观永磁同步电机的控制策略方面国内外做了大量的研究工作。近年来,正朝着智能化的方向发展。新颖非线性控制策略有自抗扰控制、混合滑模控制、模糊神经网络控制、预测控制等,能够改善驱动系统的性能。对于在车辆系统的特殊环境下,负载的突变使得系统的动态性能大受影响,因此需要采用好的控制方法来抑制外部的扰动。采用负载转矩观测器能够有效的解决这一问题,为了提高系统 抗扰动 性能, 采用Luenberger负载转 矩观测器和基 于Kalman 滤波器的负载转矩观测器分别对负载转矩进行观测,并对参考转矩前馈补偿,提高了转速的控制性能。但是在控制策略上并未替代PID控制的思想,且Luenberger和Kalman观测器在实际程序实现中容易造成数据丢失,使得系统不稳定。

  在全维观测器设计方法上,提出一种基于降阶负载扰动观测器的永磁同步电机电流前馈补偿控制方法,获得了较好的转速控制性能。但其状态方程仍以机械转速和负载转矩为状态变量,且运用复杂的迭代运算计算转动惯量来修正负载观测器,计算较为繁琐难以实现。在文献中为了减小负载转矩扰动采用指数趋近方式设计滑模速度控制器,并将观测的负载转矩进行前馈补偿,以克服负载时变对控制性能的影响,但是由于滑模控制开关的切换动作所造成的控制的不连续性,抖振现象无法避免,只能达到减小抖振的目的。采用一种新的负载转矩降阶观测器设计方法,将观测到的负载转矩成比例的前馈补偿,实现滑模抗扰动自适应控制,提高了负载扰动时调速系统的响应时间,然而经实际调速系统测试仍然存在颤振现象。
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  自抗扰控制器通过对系统内部外部扰动的实时估计和补偿,结合非线性控制策略,可以得到更好的动静态性能,具有更强的鲁棒性和适应性。当负载在一个大范围内变化时,通过观测系统负载的突变,根据系统的响应偏差进行补偿,同时考虑转动惯量对ADRC负载转矩观测器的影响,对转动惯量、摩擦力等不确定因素用扩张状态观测器( ESO)进行辨识,结合非线性反馈控制律组合成积分器串联型的系统。 总之,车用驱动永磁驱动电机及其控制技术正朝着满足车辆大功率、高速化、高转矩密度、智能化控制等发展方向要求不断进行技术难点突破。


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