混合動(dòng)力挖掘機(jī)回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的控制技術(shù)研究.pdf

1、傳統(tǒng)液壓挖掘機(jī)保有量大、能耗高、排放差，對(duì)節(jié)能減排構(gòu)成了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。同時(shí)，液壓挖掘機(jī)作業(yè)動(dòng)作頻繁、重復(fù)性高，尤其是回轉(zhuǎn)運(yùn)行時(shí)因沒有回收利用而被浪費(fèi)的制動(dòng)能量達(dá)到了總能耗的25％-35％，造成了嚴(yán)重的能量浪費(fèi)和環(huán)境污染。因此，高效回收與利用回轉(zhuǎn)制動(dòng)能量是實(shí)現(xiàn)液壓挖掘機(jī)節(jié)能的重要途徑之一。油電混合動(dòng)力挖掘機(jī)可實(shí)現(xiàn)能量高效回收并改善發(fā)動(dòng)機(jī)燃油經(jīng)濟(jì)性，是目前最主要的挖掘機(jī)節(jié)能減排方式之一，尤其是能夠回收回轉(zhuǎn)制動(dòng)能量的混合動(dòng)力挖掘機(jī)更是得到了許多

2、挖掘機(jī)廠商的重視。因此，研究挖掘機(jī)回轉(zhuǎn)系統(tǒng)的能量回收與利用技術(shù)具有非常重要的意義。
　　本文所指的回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)包括起動(dòng)/發(fā)電一體機(jī)及其控制器、儲(chǔ)能裝置（包括儲(chǔ)能器和雙向DC/DC變換器）、永磁回轉(zhuǎn)電機(jī)及其控制器等單元。由于回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)行工況復(fù)雜、執(zhí)行機(jī)構(gòu)慣性大、起動(dòng)加速和制動(dòng)減速時(shí)間短、以及內(nèi)部動(dòng)力源的多元化等特點(diǎn)，在回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)控制技術(shù)等方面仍存在諸多技術(shù)難題，亟待突破。因此，本文以混合動(dòng)力挖掘機(jī)回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)為研究對(duì)象，尋求能

3、夠兼顧高效回收制動(dòng)能量與操作性能良好的控制方法和能量管理技術(shù)。為回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)控制問(wèn)題提供新的解決思路，解決回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)控制技術(shù)難題，為混合動(dòng)力挖掘機(jī)的示范與推廣提供理論依據(jù)與技術(shù)指導(dǎo)。本文主要研究?jī)?nèi)容和創(chuàng)新點(diǎn)如下:
　　首先分析了混合動(dòng)力挖掘機(jī)能量回收技術(shù)研究的必要性，先后綜述了混合動(dòng)力挖掘機(jī)的發(fā)展現(xiàn)狀、混合動(dòng)力系統(tǒng)用永磁同步電機(jī)控制技術(shù)、雙向DC/DC變換器控制和能量管理技術(shù)的研究現(xiàn)狀。簡(jiǎn)要闡述了本文的技術(shù)路線和主要研究?jī)?nèi)容。<

4、br>　　第二部分，為了兼顧挖掘機(jī)高效回收能量和作業(yè)性能良好的要求，并盡可能少地改造液壓挖掘機(jī)的總體結(jié)構(gòu)，提出了一種基于超級(jí)電容的新型混合動(dòng)力挖掘機(jī)回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，完成了回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)樣機(jī)的研制，并將某型20噸級(jí)液壓挖掘機(jī)改造為混合動(dòng)力挖掘機(jī)樣機(jī)，對(duì)樣機(jī)各個(gè)部件和相關(guān)參數(shù)進(jìn)行了描述，為后續(xù)回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的控制技術(shù)研究奠定了基礎(chǔ)。
　　第三部分，針對(duì)永磁同步電機(jī)發(fā)電運(yùn)行時(shí)，采用傳統(tǒng)矢量控制方法存在控制變量之間強(qiáng)耦合、參數(shù)整定困難、

5、動(dòng)態(tài)控制性能差、功率因素低等問(wèn)題，本文提出了一種基于模型預(yù)測(cè)電流的永磁同步電機(jī)發(fā)電運(yùn)行控制策略。采用了基于模型預(yù)測(cè)電流的永磁同步電機(jī)發(fā)電運(yùn)行控制方法，可提高系統(tǒng)的功率因素和動(dòng)態(tài)響應(yīng)，實(shí)現(xiàn)電壓的穩(wěn)定輸出。同時(shí)，針對(duì)采用預(yù)測(cè)電流方法時(shí)仍存在PWM變流器本身的慣性環(huán)節(jié)和存在相位靜態(tài)誤差，嚴(yán)重影響PWM變流器的功率因數(shù)等問(wèn)題。本文提出了一種改進(jìn)模型預(yù)測(cè)電流控制策略，通過(guò)對(duì)相位靜態(tài)誤差進(jìn)行補(bǔ)償，使交流側(cè)電流相位實(shí)時(shí)跟蹤電機(jī)的電壓相位，利用電機(jī)電壓

6、相位信息的周期性，實(shí)現(xiàn)了對(duì)交流側(cè)輸入電流靜態(tài)相位誤差的補(bǔ)償，解決了采用電相位角簡(jiǎn)化算法無(wú)法進(jìn)行功率因數(shù)角調(diào)節(jié)的問(wèn)題，實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了本文所提方法的有效性。
　　第四部分，針對(duì)回轉(zhuǎn)系統(tǒng)用永磁同步電機(jī)控制采用機(jī)械式位置傳感器檢測(cè)轉(zhuǎn)子位置，存在體積大、成本高、可靠性低、維護(hù)困難等問(wèn)題，一種基于無(wú)位置傳感器的回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)運(yùn)行控制策略，該方法將脈振式高頻信號(hào)注入法與滑模觀測(cè)法進(jìn)行結(jié)合實(shí)現(xiàn)全速域范圍內(nèi)電機(jī)的轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)。同時(shí)，針對(duì)高頻信

7、號(hào)注入法不能準(zhǔn)確可靠地辨識(shí)轉(zhuǎn)子磁極極性的問(wèn)題，將脈振式高頻注入法和脈沖電壓信號(hào)注入法相結(jié)合，先注入高頻信號(hào)識(shí)別轉(zhuǎn)子初始位置，再注入脈沖電壓信號(hào)來(lái)判別轉(zhuǎn)子磁極極性，大幅度提高了轉(zhuǎn)子初始位置估計(jì)的準(zhǔn)確性和可靠性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，與傳統(tǒng)無(wú)位置傳感器控制策略相比，本文所提方法可提高轉(zhuǎn)子位置估計(jì)精度，增強(qiáng)抗干擾能力。
　　第五部分，為了滿足回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)加速起動(dòng)、減速制動(dòng)時(shí)的能量釋放或儲(chǔ)存的控制需求，提出了一種用于交錯(cuò)并聯(lián)雙向DC/DC變換器運(yùn)

8、行在不同模式下的新型控制方法。首先分析了回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)儲(chǔ)能裝置用交錯(cuò)并聯(lián)雙向DC/DC變換器的原理及工作特性，給出了參數(shù)設(shè)計(jì)方法;其次，針對(duì)系統(tǒng)在不同運(yùn)行狀態(tài)下的工作模式，分別建立雙向DC/DC變換器動(dòng)態(tài)小信號(hào)模型，設(shè)計(jì)了相應(yīng)的電壓環(huán)、電流環(huán)控制器;且詳細(xì)闡述了電壓、電流控制器的設(shè)計(jì)流程。實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了所提方法的有效性。
　　第六部分，針對(duì)現(xiàn)有混合動(dòng)力挖掘機(jī)回轉(zhuǎn)系統(tǒng)的運(yùn)行軌跡完全取決于司機(jī)的操縱，沒有綜合考慮能耗、效率等問(wèn)題，本文提

9、出了一種回轉(zhuǎn)系統(tǒng)運(yùn)行軌跡的多目標(biāo)離線優(yōu)化方法，綜合考慮了回轉(zhuǎn)系統(tǒng)運(yùn)行的能耗、準(zhǔn)時(shí)等指標(biāo)，建立了回轉(zhuǎn)系統(tǒng)運(yùn)行軌跡的多目標(biāo)優(yōu)化模型，并采用多目標(biāo)粒子群算法進(jìn)行研究，生成了一條回轉(zhuǎn)系統(tǒng)運(yùn)行軌跡的多目標(biāo)最優(yōu)速度曲線，模擬一臺(tái)20噸的混合動(dòng)力挖掘機(jī)進(jìn)行了重載回轉(zhuǎn)180°、90°等工況實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明與傳統(tǒng)延時(shí)方法相比，該方法大幅度改善回轉(zhuǎn)系統(tǒng)運(yùn)行的能耗、提高運(yùn)行效率。同時(shí)針對(duì)回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中多個(gè)動(dòng)力源協(xié)調(diào)與負(fù)載間的能量分配問(wèn)題，對(duì)回轉(zhuǎn)運(yùn)行過(guò)程中超級(jí)電