混合動力挖掘機回轉(zhuǎn)驅(qū)動系統(tǒng)的控制技術研究.pdf

1、傳統(tǒng)液壓挖掘機保有量大、能耗高、排放差，對節(jié)能減排構(gòu)成了嚴峻的挑戰(zhàn)。同時，液壓挖掘機作業(yè)動作頻繁、重復性高，尤其是回轉(zhuǎn)運行時因沒有回收利用而被浪費的制動能量達到了總能耗的25％-35％，造成了嚴重的能量浪費和環(huán)境污染。因此，高效回收與利用回轉(zhuǎn)制動能量是實現(xiàn)液壓挖掘機節(jié)能的重要途徑之一。油電混合動力挖掘機可實現(xiàn)能量高效回收并改善發(fā)動機燃油經(jīng)濟性，是目前最主要的挖掘機節(jié)能減排方式之一，尤其是能夠回收回轉(zhuǎn)制動能量的混合動力挖掘機更是得到了許多

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

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

4、br>　　第二部分，為了兼顧挖掘機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的總體結(jié)構(gòu)，提出了一種基于超級電容的新型混合動力挖掘機回轉(zhuǎn)驅(qū)動系統(tǒng)設計方案，完成了回轉(zhuǎn)驅(qū)動系統(tǒng)樣機的研制，并將某型20噸級液壓挖掘機改造為混合動力挖掘機樣機，對樣機各個部件和相關參數(shù)進行了描述，為后續(xù)回轉(zhuǎn)驅(qū)動系統(tǒng)的控制技術研究奠定了基礎。
　　第三部分，針對永磁同步電機發(fā)電運行時，采用傳統(tǒng)矢量控制方法存在控制變量之間強耦合、參數(shù)整定困難、

5、動態(tài)控制性能差、功率因素低等問題，本文提出了一種基于模型預測電流的永磁同步電機發(fā)電運行控制策略。采用了基于模型預測電流的永磁同步電機發(fā)電運行控制方法，可提高系統(tǒng)的功率因素和動態(tài)響應，實現(xiàn)電壓的穩(wěn)定輸出。同時，針對采用預測電流方法時仍存在PWM變流器本身的慣性環(huán)節(jié)和存在相位靜態(tài)誤差，嚴重影響PWM變流器的功率因數(shù)等問題。本文提出了一種改進模型預測電流控制策略，通過對相位靜態(tài)誤差進行補償，使交流側(cè)電流相位實時跟蹤電機的電壓相位，利用電機電壓

6、相位信息的周期性，實現(xiàn)了對交流側(cè)輸入電流靜態(tài)相位誤差的補償，解決了采用電相位角簡化算法無法進行功率因數(shù)角調(diào)節(jié)的問題，實驗結(jié)果驗證了本文所提方法的有效性。
　　第四部分，針對回轉(zhuǎn)系統(tǒng)用永磁同步電機控制采用機械式位置傳感器檢測轉(zhuǎn)子位置，存在體積大、成本高、可靠性低、維護困難等問題，一種基于無位置傳感器的回轉(zhuǎn)驅(qū)動系統(tǒng)電機驅(qū)動運行控制策略，該方法將脈振式高頻信號注入法與滑模觀測法進行結(jié)合實現(xiàn)全速域范圍內(nèi)電機的轉(zhuǎn)子位置檢測。同時，針對高頻信

7、號注入法不能準確可靠地辨識轉(zhuǎn)子磁極極性的問題，將脈振式高頻注入法和脈沖電壓信號注入法相結(jié)合，先注入高頻信號識別轉(zhuǎn)子初始位置，再注入脈沖電壓信號來判別轉(zhuǎn)子磁極極性，大幅度提高了轉(zhuǎn)子初始位置估計的準確性和可靠性。實驗結(jié)果表明，與傳統(tǒng)無位置傳感器控制策略相比，本文所提方法可提高轉(zhuǎn)子位置估計精度，增強抗干擾能力。
　　第五部分，為了滿足回轉(zhuǎn)驅(qū)動系統(tǒng)加速起動、減速制動時的能量釋放或儲存的控制需求，提出了一種用于交錯并聯(lián)雙向DC/DC變換器運

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)動系統(tǒng)儲能裝置用交錯并聯(lián)雙向DC/DC變換器的原理及工作特性，給出了參數(shù)設計方法;其次，針對系統(tǒng)在不同運行狀態(tài)下的工作模式，分別建立雙向DC/DC變換器動態(tài)小信號模型，設計了相應的電壓環(huán)、電流環(huán)控制器;且詳細闡述了電壓、電流控制器的設計流程。實驗結(jié)果驗證了所提方法的有效性。
　　第六部分，針對現(xiàn)有混合動力挖掘機回轉(zhuǎn)系統(tǒng)的運行軌跡完全取決于司機的操縱，沒有綜合考慮能耗、效率等問題，本文提

9、出了一種回轉(zhuǎn)系統(tǒng)運行軌跡的多目標離線優(yōu)化方法，綜合考慮了回轉(zhuǎn)系統(tǒng)運行的能耗、準時等指標，建立了回轉(zhuǎn)系統(tǒng)運行軌跡的多目標優(yōu)化模型，并采用多目標粒子群算法進行研究，生成了一條回轉(zhuǎn)系統(tǒng)運行軌跡的多目標最優(yōu)速度曲線，模擬一臺20噸的混合動力挖掘機進行了重載回轉(zhuǎn)180°、90°等工況實驗，結(jié)果表明與傳統(tǒng)延時方法相比，該方法大幅度改善回轉(zhuǎn)系統(tǒng)運行的能耗、提高運行效率。同時針對回轉(zhuǎn)驅(qū)動系統(tǒng)中多個動力源協(xié)調(diào)與負載間的能量分配問題，對回轉(zhuǎn)運行過程中超級電