混合動力挖掘機電機驅動回轉系統(tǒng)的控制及節(jié)能研究.pdf

1、電機驅動回轉系統(tǒng)是混合動力挖掘機進一步節(jié)能減排的有效途徑，對改善挖掘機高能耗、高排放和高污染的現(xiàn)狀具有重要意義。本文提出的電機驅動回轉系統(tǒng)的設計和控制方法還可為其它類型工程機械的類似問題提供參考和借鑒。
　　對于混合動力挖掘機，電機驅動回轉系統(tǒng)的應用改變了原回轉機構的傳動形式和動力系的能量流結構，因此，如何保證優(yōu)良的回轉作業(yè)操作性和回轉復合動作協(xié)調(diào)性是當前制約該技術實際應用的關鍵問題。首先，論文給出電機驅動回轉系統(tǒng)的結構方案，并提

2、出了關鍵元件和單元參數(shù)的等效設計方法;針對回轉操作性控制的難題，論文采用模擬開中心閥控馬達系統(tǒng)的工作原理來設計電機驅動系統(tǒng)控制策略的思路，提出了以電機扭矩控制為內(nèi)環(huán)，以多模式運動控制為外環(huán)的回轉控制方法，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臺的平穩(wěn)運行，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、轉臺慣量變化和外界干擾對轉臺速度的影響，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;針對回轉和機械臂復合動作時，對超級電容的使用產(chǎn)生干涉的問題，研究了回轉復合動作下的能量協(xié)調(diào)管理方法，提出了SOC(state of charge)恒值控制策略，既保證復合動作的協(xié)調(diào)性，又能充分回收轉臺動能。此外，評價了電機驅動回轉系統(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回轉系統(tǒng)的節(jié)能效果。論文提出的電機驅動回轉系統(tǒng)的設計和控制方法，可同時實現(xiàn)良好的回轉

4、操作性、復合動作不干涉以及較明顯的節(jié)能效果，并且加速促進了電機驅動回轉系統(tǒng)在混合動力挖掘機中的實際應用。
　　論文各章內(nèi)容分述如下：
　　第一章論述了當前環(huán)境惡化、能源短缺情況下研究液壓挖掘機高效、節(jié)能回轉驅動系統(tǒng)的重要意義;分析并比較了典型的回轉驅動系統(tǒng)的優(yōu)缺點，概述了回轉系統(tǒng)的平穩(wěn)性控制、操作性控制以及變慣量、強干擾系統(tǒng)速度控制的研究現(xiàn)狀;闡述了電機驅動回轉系統(tǒng)的特點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)結構和參數(shù)設計方面對混合動力挖掘機電機驅動回轉系統(tǒng)進行了研究。首先分析了液壓馬達驅動回轉系統(tǒng)典型的作業(yè)工況和性能要求;提出系統(tǒng)設計的等效替換原則，以使電機驅動回轉系統(tǒng)與開中心閥控馬達系統(tǒng)具有相同的功能和相近的操作性，然后根據(jù)該原則，給出了電機驅動回轉系統(tǒng)的結構方案，采用類比設計法進行關鍵元件和單元的參數(shù)設計。建立了電機驅動回轉系統(tǒng)的模型并進行分析，通過實驗測試了轉臺慣量的變化范圍，

6、為后續(xù)系統(tǒng)控制做準備。
　　第三章主要圍繞電機驅動回轉系統(tǒng)的功能性和操作性控制展開研究，將回轉工況分解成轉臺加速、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行分析，并歸納其運行規(guī)律。提出了以多模式運動控制策略為外環(huán)，以電機扭矩控制為內(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臺的運行平穩(wěn)，提出了平順控制策略。

7、仿真和實驗表明:多模式運行控制策略能獲得與原閥控馬達系統(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臺慣量變化對轉臺轉速的影響以及操作手柄大幅或快速動作，使得轉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到飽和，使轉臺沖擊而導致重物的晃動，因此在目標轉速生成環(huán)節(jié)加入了斜率約束，使其勻速緩變上升;為了消除轉

8、動慣量和外部干擾力矩對轉臺轉速的影響，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行仿真和實驗，結果表明: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臺具有一致的加速感和較好的平穩(wěn)性，不受轉臺慣量變化和外部干擾信號的影響。
　　第五章主要針對回轉復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)在回轉和其他執(zhí)行機構復合動作時，超級電容太淺太滿容易造成復合動作干涉，對此，

9、提出了SOC恒值控制策略。建立20噸挖掘機的仿真模型并進行實驗驗證。通過仿真和實驗比較傳統(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)濟性和復合動作是否干涉方面的差異。仿真結果表明:SOC恒值控制策略具有較好的SOC控制特性，發(fā)動機工作點能自動適應液壓泵和回轉電機負載的變化，也有較好的燃油經(jīng)濟性，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)濟性略差。實驗結果表明:SOC恒值控制策略能使回轉和其他執(zhí)行機

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

11、電機速度較低時降為40％-50％;對電機驅動回轉系統(tǒng)能耗影響最大的因素是轉臺轉角，其次是轉臺慣量;電機驅動回轉系統(tǒng)相對于液壓馬達回轉系統(tǒng)的節(jié)能量隨轉臺轉角、轉臺慣量和發(fā)動機轉速變大而增大;節(jié)能比大約為70％-90％，隨轉臺轉角增大而減小，隨慣量增大而上升。因此可以得出結論，電機驅動回轉系統(tǒng)的節(jié)能效果明顯，相對液壓馬達回轉系統(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)新點進行總結，并對課題后續(xù)的研究工作和方向作了展望