混合動力挖掘機(jī)電機(jī)驅(qū)動回轉(zhuǎn)系統(tǒng)的控制及節(jié)能研究.pdf

1、電機(jī)驅(qū)動回轉(zhuǎn)系統(tǒng)是混合動力挖掘機(jī)進(jìn)一步節(jié)能減排的有效途徑，對改善挖掘機(jī)高能耗、高排放和高污染的現(xiàn)狀具有重要意義。本文提出的電機(jī)驅(qū)動回轉(zhuǎn)系統(tǒng)的設(shè)計和控制方法還可為其它類型工程機(jī)械的類似問題提供參考和借鑒。
　　對于混合動力挖掘機(jī)，電機(jī)驅(qū)動回轉(zhuǎn)系統(tǒng)的應(yīng)用改變了原回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的傳動形式和動力系的能量流結(jié)構(gòu)，因此，如何保證優(yōu)良的回轉(zhuǎn)作業(yè)操作性和回轉(zhuǎn)復(fù)合動作協(xié)調(diào)性是當(dāng)前制約該技術(shù)實(shí)際應(yīng)用的關(guān)鍵問題。首先，論文給出電機(jī)驅(qū)動回轉(zhuǎn)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)方案，并提

2、出了關(guān)鍵元件和單元參數(shù)的等效設(shè)計方法;針對回轉(zhuǎn)操作性控制的難題，論文采用模擬開中心閥控馬達(dá)系統(tǒng)的工作原理來設(shè)計電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)控制策略的思路，提出了以電機(jī)扭矩控制為內(nèi)環(huán)，以多模式運(yùn)動控制為外環(huán)的回轉(zhuǎn)控制方法，從而保證與原系統(tǒng)相同的功能和相似的操作性，為保證模式切換下大慣量轉(zhuǎn)臺的平穩(wěn)運(yùn)行，并提出了平順控制策略;針對斜坡作業(yè)、吊裝作業(yè)等特殊工況下，手柄大幅快速操作、轉(zhuǎn)臺慣量變化和外界干擾對轉(zhuǎn)臺速度的影響，提出了斜率約束+PI+擾動觀測器的速度控

3、制策略，從而保證回轉(zhuǎn)速度的起制動平穩(wěn)以及與操作手柄信號的一致;針對回轉(zhuǎn)和機(jī)械臂復(fù)合動作時，對超級電容的使用產(chǎn)生干涉的問題，研究了回轉(zhuǎn)復(fù)合動作下的能量協(xié)調(diào)管理方法，提出了SOC(state of charge)恒值控制策略，既保證復(fù)合動作的協(xié)調(diào)性，又能充分回收轉(zhuǎn)臺動能。此外，評價了電機(jī)驅(qū)動回轉(zhuǎn)系統(tǒng)的節(jié)能性，研究了影響其能耗的主要因素，并討論了相對于閥控馬達(dá)回轉(zhuǎn)系統(tǒng)的節(jié)能效果。論文提出的電機(jī)驅(qū)動回轉(zhuǎn)系統(tǒng)的設(shè)計和控制方法，可同時實(shí)現(xiàn)良好的回轉(zhuǎn)

4、操作性、復(fù)合動作不干涉以及較明顯的節(jié)能效果，并且加速促進(jìn)了電機(jī)驅(qū)動回轉(zhuǎn)系統(tǒng)在混合動力挖掘機(jī)中的實(shí)際應(yīng)用。
　　論文各章內(nèi)容分述如下：
　　第一章論述了當(dāng)前環(huán)境惡化、能源短缺情況下研究液壓挖掘機(jī)高效、節(jié)能回轉(zhuǎn)驅(qū)動系統(tǒng)的重要意義;分析并比較了典型的回轉(zhuǎn)驅(qū)動系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)，概述了回轉(zhuǎn)系統(tǒng)的平穩(wěn)性控制、操作性控制以及變慣量、強(qiáng)干擾系統(tǒng)速度控制的研究現(xiàn)狀;闡述了電機(jī)驅(qū)動回轉(zhuǎn)系統(tǒng)的特點(diǎn)以及與電動汽車系統(tǒng)的差異，分析了目前該方面研究存在的問

5、題，最后提出了本課題的研究內(nèi)容。
　　第二章從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和參數(shù)設(shè)計方面對混合動力挖掘機(jī)電機(jī)驅(qū)動回轉(zhuǎn)系統(tǒng)進(jìn)行了研究。首先分析了液壓馬達(dá)驅(qū)動回轉(zhuǎn)系統(tǒng)典型的作業(yè)工況和性能要求;提出系統(tǒng)設(shè)計的等效替換原則，以使電機(jī)驅(qū)動回轉(zhuǎn)系統(tǒng)與開中心閥控馬達(dá)系統(tǒng)具有相同的功能和相近的操作性，然后根據(jù)該原則，給出了電機(jī)驅(qū)動回轉(zhuǎn)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)方案，采用類比設(shè)計法進(jìn)行關(guān)鍵元件和單元的參數(shù)設(shè)計。建立了電機(jī)驅(qū)動回轉(zhuǎn)系統(tǒng)的模型并進(jìn)行分析，通過實(shí)驗(yàn)測試了轉(zhuǎn)臺慣量的變化范圍，

6、為后續(xù)系統(tǒng)控制做準(zhǔn)備。
　　第三章主要圍繞電機(jī)驅(qū)動回轉(zhuǎn)系統(tǒng)的功能性和操作性控制展開研究，將回轉(zhuǎn)工況分解成轉(zhuǎn)臺加速、減速、中位保持和怠速停車四種工作模式，給出了模式識別方法。對各模式的工作性能進(jìn)行分析，并歸納其運(yùn)行規(guī)律。提出了以多模式運(yùn)動控制策略為外環(huán)，以電機(jī)扭矩控制為內(nèi)環(huán)的雙環(huán)控制策略框架，并基于加速模式、減速模式和中位保持模式的工作性能，設(shè)計了變系數(shù)比例控制器，此外，為保證模式切換控制下大慣量轉(zhuǎn)臺的運(yùn)行平穩(wěn)，提出了平順控制策略。

7、仿真和實(shí)驗(yàn)表明:多模式運(yùn)行控制策略能獲得與原閥控馬達(dá)系統(tǒng)相同的功能和相近操作性。
　　第四章針對斜坡作業(yè)和吊裝作業(yè)等特殊工況的速度控制展開研究。在斜坡作業(yè)和吊裝作業(yè)工況下，重力在斜坡上的分量引起的干擾力矩和轉(zhuǎn)臺慣量變化對轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)速的影響以及操作手柄大幅或快速動作，使得轉(zhuǎn)速控制的操控性變差。操作手柄大幅或快速動作，容易引起控制器快速達(dá)到飽和，使轉(zhuǎn)臺沖擊而導(dǎo)致重物的晃動，因此在目標(biāo)轉(zhuǎn)速生成環(huán)節(jié)加入了斜率約束，使其勻速緩變上升;為了消除轉(zhuǎn)

8、動慣量和外部干擾力矩對轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)速的影響，采用PI控制+擾動觀測器策略。在不同慣量和干擾力矩的情況下分別進(jìn)行仿真和實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明:在同樣的手柄信號作用下，斜率約束+PI控制+擾動觀測器控制策略使得轉(zhuǎn)臺具有一致的加速感和較好的平穩(wěn)性，不受轉(zhuǎn)臺慣量變化和外部干擾信號的影響。
　　第五章主要針對回轉(zhuǎn)復(fù)合動作下的能量管理展開研究。分析了動力系統(tǒng)的動態(tài)特性和能量流，發(fā)現(xiàn)在回轉(zhuǎn)和其他執(zhí)行機(jī)構(gòu)復(fù)合動作時，超級電容太淺太滿容易造成復(fù)合動作干涉，對此，

9、提出了SOC恒值控制策略。建立20噸挖掘機(jī)的仿真模型并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。通過仿真和實(shí)驗(yàn)比較傳統(tǒng)的恒溫器式控制策略和SOC恒值控制策略在SOC控制、燃油經(jīng)濟(jì)性和復(fù)合動作是否干涉方面的差異。仿真結(jié)果表明:SOC恒值控制策略具有較好的SOC控制特性，發(fā)動機(jī)工作點(diǎn)能自動適應(yīng)液壓泵和回轉(zhuǎn)電機(jī)負(fù)載的變化，也有較好的燃油經(jīng)濟(jì)性，而恒溫器式控制策略造成超級電容頻繁深度充放電，效率變低，因而燃油經(jīng)濟(jì)性略差。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:SOC恒值控制策略能使回轉(zhuǎn)和其他執(zhí)行機(jī)

10、構(gòu)的復(fù)合動作互不干涉，而對于恒溫器式控制策略，容易使發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速大幅降低而不穩(wěn)定。
　　第六章主要研究電機(jī)驅(qū)動回轉(zhuǎn)系統(tǒng)的節(jié)能性。首先分析了電機(jī)驅(qū)動回轉(zhuǎn)系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)換過程和各元件的效率，并得到影響能耗的的四個關(guān)鍵因素:轉(zhuǎn)臺慣量、驅(qū)動效率、制動回收率和最大轉(zhuǎn)速，對驅(qū)動效率和制動回收率影響最大的是電機(jī)的高效區(qū)范圍以及電機(jī)的使用扭矩。建立了回轉(zhuǎn)系統(tǒng)的效率模型并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。研究表明:驅(qū)動效率和制動回收率最高時大部分工況下約為70％-80％，

11、電機(jī)速度較低時降為40％-50％;對電機(jī)驅(qū)動回轉(zhuǎn)系統(tǒng)能耗影響最大的因素是轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)角，其次是轉(zhuǎn)臺慣量;電機(jī)驅(qū)動回轉(zhuǎn)系統(tǒng)相對于液壓馬達(dá)回轉(zhuǎn)系統(tǒng)的節(jié)能量隨轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)角、轉(zhuǎn)臺慣量和發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速變大而增大;節(jié)能比大約為70％-90％，隨轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)角增大而減小，隨慣量增大而上升。因此可以得出結(jié)論，電機(jī)驅(qū)動回轉(zhuǎn)系統(tǒng)的節(jié)能效果明顯，相對液壓馬達(dá)回轉(zhuǎn)系統(tǒng)只占其能耗的一小部分。
　　第七章對論文的主要研究工作和創(chuàng)新點(diǎn)進(jìn)行總結(jié)，并對課題后續(xù)的研究工作和方向作了展望