摘要:文章介绍了一种电传动自卸车的主发电机控制策略，并从励磁控制系统和同步电机的模型入手，详细地介绍了电参量检测单元、控制单元模型。在电传动自卸车励磁系统情况下，分别对普通PID、非线性PID两种控制方式在阶跃响应和突变负载的情况下进行仿真，对输出的主发电机机端电压进行分析，得出非线性PID控制方式更适用于电传动自卸车主发电机控制的结论。
关键词： 电传动自卸车；励磁控制系统；Matlab仿真
第1章 电传动自卸车电力传动系统
电动轮自卸车是一种专门为大型露天矿设计和生产的运输设备，目前的电动轮自卸车动力总成主要采用“柴油机—电力传动系统”的形式 ，它的基本工作原理如下：蓄电池组为车载大功率柴油发动机提供启动电能，柴油发动机启动后带动主发电机产生三相交流电，实现由机械能到电能的转变；三相电流输入牵引变流器进行整流和控制，再经过主电路电缆传递给后轮的牵引电动机，完成由电能到机械能的转变；最后通过轮边减速器将动力传递给电动轮车轮（通常为后轮）实现动力传递。
电力传动系统是电传动自卸车的核心部分，它作为车辆的动力传递系统主要由主发电机、牵引变流器、动力制动电阻栅、电传动总成、控制柜等组成，它简化了自卸车结构，去掉了繁复的机械变速装置和传动轴，系统的稳定性和传动效率得到较大提升，同时，电力传动系统能够极大改善柴油机的工作状况，使柴油机机械输出功率与主发电机发电功率相匹配，实现车辆牵引性能最优化。
第2章 电传动自卸车主发电机控制方式
电传动自卸车的主发电机是其电力传动系统的主要环节，它与柴油机组成“柴油—发电机”组，将柴油机提供的机械能以电能的形式传递给电动机，实现电力传动。主发电机的控制一直是电传动自卸车控制系统中重要的一个环节，由于电传动自卸车工作环境多变，其电力传动系统是一个具有时变特性、非线性特性、需要快速响应的复杂系统，要在此种特殊工作环境下保证整车电力系统传动安全、经济运行显得尤为困难。
2.1 主发电机励磁控制系统
目前电传动自卸车的主发电机控制主要运用励磁控制方式，已经形成一个励磁控制系统，它由两部分构成：第一部分是向主发电机的励磁绕组提供直流励磁电流的励磁功率单元，它的主要作用是建立一个稳定的直流磁场；另一部分是励磁控制组，这一部分包括励磁调节器等，它可以根据主发电机不同环境下的运行状态，自动调节励磁功率单元输出的励磁电流，从而满足主发电机在各种工况下运行的要求。励磁控制系统结构框图如下：
图2-1 励磁控制系统结构框图
本文就一种电传动自卸车的无刷励磁同步发电机，探究其控制策略。无刷同步励磁发电机的励磁机是一台旋转电枢式发电机，该励磁机的输出电流经过一个三相旋转整流器整流后建立直流磁场，提供主发电机所需要的励磁电源。无刷同步发电机原理框图如下：
图2-2 一种电传动自卸车无刷同步发电机示意图
无刷励磁控制系统的整流装置装在转子上，与转子一同旋转，主励磁机（ACL）输出的三相交流电通过导线直接连接一个二极管整流装置，整流后的直流电传送给发电机转子绕组励磁。由于该二极管为旋转二极管，它可与发电机同轴旋转，因此该系统不需要滑环、电刷等元件。原理图见图2-3。
图2-3 无刷励磁控制系统接线原理
2.2 本文研究的主要内容
本文利用Matlab仿真工具进行模型仿真测试，探究主发电机励磁控制系统性能。主要从以下三个方面入手：
1.以励磁控制系统的数学模型为参考，在Simulink中分别构建电参量采样单元、滤波单元、励磁控制单元等仿真模型，其中，电参量采样单元采用交流采样法进行采样，滤波单元运用一种移动窗口积分求平均值的滤波方法，励磁控制单元建立普通PID控制和非线性PID两种控制方式的模型。
2.依据电传动自卸车主发电机运行参数，修改Simulink中已有的同步电机模型，保证仿真能最大限度接近自卸车主发电机在各种工作状况下运行的真实情况。
3.基于普通PID和非线性PID仿真模型的基础上，建立无刷励磁控制系统的仿真模型，然后在无刷励磁系统下进行阶跃响应和突变负载仿真，并对仿真结果进行归纳总结。
第3章 主发电机励磁控制系统仿真
为了准确建立电传动自卸车主发电机励磁控制系统仿真模型，本文应用Matlab软件中的可视化仿真工具Simulink进行仿真。
3.1 励磁控制系统仿真模型
励磁控制系统模型包括电参量检测单元和励磁控制单元等模型。
3.1.1 电参量检测单元模型
电参量检测单元由采样环节和滤波环节两部分构成，它是励磁控制系统中重要的组成部分，其主要任务是对主发电机的线电压、电流等电参量进行测量和滤波。
电量检测单元交流采样部分模型如下图所示。
图3-1 电参量检测单元交流采样部分模型
滤波环节普遍采用硬件滤波和软件滤波两种方法。硬件滤波是直接由电容或电感组成的电路进行滤波，采用的是模拟方式，在仿真模型中一般用一阶惯性环节进行描述；软件滤波是将采集的电参量用软件编程的方法在单片机或DSP等芯片内部实现，这是一种数字处理方式。
其原理用数学表达式表示如下：
即在固定的(t1，t2)时间段内，函数积分的平均值等于从(o，t2)与(o，t1)函数积分求平均值的差。用窗口积分求平均值法滤波要注意时间段的选取，一般取基频的导数作为判断标准，否则难以达到所需结果。其仿真模型如下：
图3-2 检测单元滤波环节模型
在TransportDelay里设置恰当的延迟时间，本文中周期设置为0.02秒，比例系数P设置为50。
3.1.2 励磁控制单元模型
励磁控制单元作为励磁控制系统的核心部分，其性能好坏直接影响整个励磁控制系统的特性，它根据电参量检测单元反馈的信号，合理分配自卸车励磁功率单元输出的励磁电流，从而调节主发电机的功率。下面给出两种常见的励磁控制算法模型。
（1）普通PID控制方式
普通PID控制是一种线性的工业控制策略，它通过一个控制回路反馈机制，将测量的过程变量与所希望的设定值进行计算，运用比例、积分、微分三个调节器改变参数，从而有效调整两者之间的偏差。其控制原理框图如下：
图3-3 普通PID控制方式原理框图
输入一个
为预先设定值，它与被控对象的检测值
通过一定的运算方式构成控制偏差信号
:
(3-2)
它的输出
是这个偏差信号经过比例、积分、微分的线性组合后的控制结果，表达式为：
(3-3)
它所对应的传递函数表达式如下：
(3-4)
比例系数
的影响：比例控制部分由偏差信号乘以
组成，反映输出随误差值动态变化的情况。当比例系数
增大时，系统响应速度随之加快，此时系统的偏差会降低，系统变得更稳定。然而，如果系统是处于不存在干扰的情况下，此时仅仅使用比例控制的话则调节效果不佳。其次，当比例系数
过于偏小时，系统调节速度变得迟缓，调节效果变差。
积分系数
的影响：积分控制随时间增加而逐渐起作用，作为一个过程控制，它不断对偏差信号进行积累补偿，从而消除系统稳态误差。当积分系数
越大时，积分控制能力越强，系统稳态误差消除速度会更快。系统引入积分控制目的是提高控制精度，但在过程的启动或大幅度增减给定值的短时间内，系统输出会产生很大偏差，造成积分累积，积分项数值很大，从而导致系统较大超调，甚至引起系统的振荡，此时需要调节积分系数
使积分项在大偏差时不起作用，保证系统稳定。
微分系数
的影响：微分控制是一个超前控制，它通过系统参数，对偏差信号进行提前预测，在偏差还没有形成之前，引入一个有效的早期修正信号，消除系统偏差。微分控制用于改善系统的动态性能，选择合适的微分系数
，则系统超调量和调节时间可以显著减少。微分控制会放大噪声干扰，因此过强的增加微分调节作用对系统抗干扰不利。此外，微分控制反应的是误差的变化率，而当输入没有变化时，微分控制输出为零。
普通PID控制广泛用于线性的工业控制系统中，它的控制器一般接受来自变送器的电压信号，将这个电压信号与预定值进行比较产生偏差信号，该偏差信号经过PID运算电路处理后，在由输出电路送出调节信号，以使执行器产生相的应动作。其仿真模型如下：
图3-4 普通PID控制方式模型
（2）非线性PID控制
非线性PID控制是在普通PID控制方式的基础上发展而来的，它的主要特点是在控制过程中，将非线性条件进行划段处理，各段输出分别与此段范围内的理想预定值进行比较运算，再运用普通PID控制方式逐段进行调节，把调节结果输送到一个综合症断装置进行数据对分析处理，最后执行器产生相应动作。
非线性PID控制适用于惯性大，滞后性强的非线性系统。
数学表达式如下：
非线性PID控制方式的仿真模型如下：
图3-5 非线性PID控制方式模型
3.2 同步发电机模型
同步发电机模型选择Matlab的SimPowerSystems模块中的同步发电机模块。其模型如图所示：
图3-6同步发电机模块
模型各输入、输出口介绍：Pm：把柴油发电机的机械功率作为输入量，当电机处于发电状态时，这个输入量为一个正的常量或函数。
Vf：以发电机的励磁电压为输入量，一般是电压调节器输入的，在选择pu (标幺值)模式时，它的输入也为标幺值。
m：它输出的是一个综合22个信号的向量，其中包括发电机转子的转速、定子电流和电压、角速度、转子角偏差、机械角、输出的有功功率、电磁转矩、输出的无功功率等。
A、B、C：三相电压的输出端口。
第4章 主发电机励磁控制系统仿真实验
借鉴文献中对励磁控制系统建模仿真的思想，本文给出了一种电传动自卸车无刷励磁控制系统的模型，并对模型中各环节的参数进行合理的设定，图4-1 为系统仿真原理框图：
图4-1一种电传动自卸车主发电机无刷励磁控制系统原理框图
下面就普通PID控制和非线性PID控制两种情况分别论述，仿真环境及主电机仿真模型参数作如下说明：
主发电机无刷励磁控制系统仿真环境:Matlab 7.0。
主发电机模型:Synchronous Machine Pu Standard(标么值系统同步电机)。
主发电机参数如表4.1所示。
表4.1 主发电机主要技术参数
下面就普通PID控制方式和非线性PID控制方式下的励磁控制系统进行仿真研究。
4.1 普通PID控制方式的仿真实验
普通PID控制方式的仿真模型如图4-2所示。
图4-2 励磁系统在普通PID控制方式下仿真模型
首先根据主发电机参数表计算出普通PID控制模型需要设置的参数为：kp=30；ki =15；kd =0.2。普通PID控制模型接受整定好的电压信号将这个电压信号与预定值进行比较产生偏差信号，进行PID运算。主发电机的励磁电压应为正值，并且需要将调节器的输出限制在一定的范围，从而保证调节阀不处于危险开度，本文加入了一个saturation模块用以实现此功能。
本文从主发电机的阶跃响应、60%负荷运行和满负荷运行三方面进行仿真，力求接近主发电机的实际工作特性。
仿真结果如下图所示：
图4-3 主发电机阶跃响应
图4-4 主发电机60%负荷运行
图4-5 主发电机满负荷运行
表4.2 普通PID控制方式下主发电机端电压数据表
注：仿真参数为kp=30；ki =15；kd =0.2
表4.2列出了三种情况下主发电机端电压的仿真数据，根据仿真图和数据进行分析，可以得出以下结论：
(l)突变负载的容量增大时，普通PID控制的上升时间和调节时间变长，系统响应速度变慢。
(2)在突加负载时，调整时间明显增大，这表明在无刷励磁系统下普通PID控制算法对电机的参数摄动的适应能力不强，所以恢复时间较长。
4.2 非线性PID控制
基于非线性PID的励磁控制系统仿真模型与图4-2相似，只需将图中的PID模块替换成非线性PID模块即可。
仿真结果如下图所示：
图4-6 主发电机阶跃响应
图4-7 主发电机60%负荷运行
图4-8 主发电机满负荷运行
表4.3 在非线性PID控制方式下主发电机端电压数据表
注：仿真参数为kp=30；ki=15；kd=0.2
表4.3列出了三种情况下主发电机端电压的仿真数据，根据仿真图和数据进行分析，同时与普通PID调节相比较，可以得出以下结论：
(l) 在相同条件下，非线性PID控制方式的动态调节效果更好，它的调整速度更快，即调节更迅速，而普通PID控制在静态性能方面更有优势，上升时间更短。
(2)从图中可以看出，相对于普通PID控制，非线性PID控制的机端电压超调量较小，系统平稳性更好。
(3)非线性PID控制方式对控制对象参数摄动的自适应能力更强，更适用于该电传动自卸车主发电机励磁系统。
论文总结
矿用自卸车是目前国内外大型露天矿山普遍采用的高效运输设备，其大型化发展是一个重要的趋势，这将对为整车提供电能的主发电机提出更高的要求，励磁控制系统作为主发电机的控制策略，它的特性好坏将直接影响发电机及整车电力传动系统运行的可靠性和稳定性。本文利用仿真的方式对励磁控制系统进行了研究并给出了相关结论，文章从励磁控制系统和同步电机的模型入手，详细地介绍了电参量检测单元、控制单元模型，在总结普通PID控制方式不足的基础上对比了一种性能优越的非线性PID控制方式。其次，在电传动自卸车励磁系统情况下，分别对普通PID、非线性PID两种控制方式在阶跃响应和突变负载的情况下进行仿真，对主发电机输出的机端电压数据进行分析并得出非线性PID控制方式更适用于该电传动自卸车主发电机控制的结论。
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论文作者:廖建
论文发表刊物:《电力设备》2019年第5期
论文发表时间:2019/7/8
标签：发电机论文; 励磁论文; 电传论文; 模型论文; 控制系统论文; 方式论文; 系统论文; 《电力设备》2019年第5期论文;