混合动力挖掘机电动回转系统速度控制研究.pdf
第3 7 卷第4 期 2 0 2 0 年4 月 机电 工 程 J o u m a l0 fM e c h a n i c a l &E l e c t r i c a lE n 舀n e e r i n g V 0 1 .3 7N o .4 A ”2 0 2 0 D O I 1 0 .3 9 6 9 /j .i s s n .1 0 0 1 4 5 5 1 .2 0 2 0 .0 4 .0 2 0 混合动力挖掘机电动回转系统速度控制研究木 韩素贤1 ,姚洪孙,时盛志3 1 .包头职业技术学院电气工程系,内蒙古包头0 1 4 0 3 0 ;2 .杭州西湖新能源科技有限公司, 浙江杭州3 1 0 0 1 2 ;3 .宁夏和宁化学有限公司,宁夏银川7 5 1 4 0 0 摘要针对挖掘机回转平台转动惯量大、变化范围宽且外界干扰力矩较大,易造成速度波动的问题,对2 0t 混合动力挖掘机电驱动 回转系统速度控制进行了研究。建立了其数学模型,提出了比例积分 P I 扰动观测器补偿的速度控制方案,并设计了扰动观测 器和P I 控制系数;在转台最大和最小惯量,且施加阶跃干扰力矩的情况下,对P I D O B 方案以及P I 控制方案进行了仿真对比。仿 真结果表明该回转系统在采用P I 控制之外增加D O B 环节后,使转台惯量变化对转速超调量的影响从3 .1 %下降到1 %,外部干扰 对转速波动的影响从1 .3 %下降到0 .1 %;扰动观测器环节减小了惯量变化对转速超调的影响,增强了速度控制的抗干扰能力,改 善了回转作业的操作性。 关键词混合动力挖掘机;电动回转系统;速度控制;扰动观测器 中图分类号T P 2 7 3 ;T D 4 2 2 .2 文献标识码A 文章编号1 0 0 1 4 5 5 1 2 0 2 0 0 4 一0 4 4 6 0 5 S p e e dc o n t r o lo fe l e c t r i cd r i V es w i n gs y s t e mi nh y b r i de x c a V a t o r H A NS u .x i a n l ,Y A OH o n 9 2 ,S H IS h e n g .z h i 3 1 .D e p a r t m e n to fE l e c t r i c a lE n g i n e e r i n g ,B a o t o uV o c a t i o n a l T e c h n i c a lC o l l e g e ,B a o t o u0 1 4 0 3 0 ,C h i n a ; 2 .H a n 铲h o uW e s k l a k eN e wE n e I | g ,T e c h n o l o g yC o .,L t d .,H a n g z h o u3 1 0 0 1 2 ,C h i n a ; 3 .N i n g x i aH e n i n gC h e m i c a lC o .,L t d .,Y i n g c h u a n7 51 4 0 0 ,C h i n a A b s t r a c t A i m i n ga tt h er o t a r ys p e e dn u c t u a t i o no ft h ee x c a v a t o ru p p e rp l a t f o 彻c a u s e db yt h el a r g ea n dv a r i a b l es w i n gi n e r t i aa n dt h el a r g e d i s t u r b a n c et o r q u e ,t h es p e e dc o n t r o lo fe l e c t r i cd r i v es w i n gs y s t e mo fa2 0 - t o ne x c a v a t o ru p p e rp l a Ⅱb 瑚w a si n v e s t i g a t e d .T h em a t h e m a “c m o d e lo ft h es w i n gs y s t e mw a sb u i l ta n da n a l y z e d .T h eP Ip l u sd i s t u r b a n c eo b s e r v e rc o n t r o ls c h e m ew a sp r e s e n t e da n dt h ed i s t u r b 卸c eo b s e n r - e rw a sd e s i g n e d .T h es i m u l a t i o nw a sp e r f b 册e da tt h ec o n d i t i o no ft h em a x i m u m ,m i n i m u ms w i n gi n e r t i aa n dt h es t e pd i s t u r b a n c et o r I l l e . T h es i m u l a t i o nr e s u l t si n d i c a t et h a t t h es c h e m eo fd i s t u r b a n c eo b s e r v e rm a k e st h ei m p a c to fi n e r t i av a r i a t i o no fp l a d b r I T Io nm t a r y8 p e e dn u c t u a t i o nd m pf r o m3 .1 %t o1 %,a n dt h ei m p a c to fe x t e m a ld i s t u r b a n c eo nr o t a r ys p e e dn u c t u a t i o nd m pf I D m1 .3 %t o0 .1 %.T h e r e f o r e ,t h e i m p a c to fi n e n i av a d a t i o no fp l a t f b mo nm t a r ys p e e di sd e c r e a s e d ,t h ea b i l i t yo fa n t i d i s t u r b a n c ei se n h a n c e da n dt h eo p e r a b i l i t yo ft h es w i n g s y s t e mi si m p m v e dt h r o u g ht h ed i s t u r b a n c eo b s e r v e r . K e yw o r d s h y b r i dp o w e re x c a v a t o r ;e l e c t r i cd r i v es w i n gs y s t e m ;s p e e dc o n t r o l ;d i s t u r b a n c eo b s e n r e r D O B 严重,各行各业都对产品在节能减排方面提出了严苛要 0 引言求。工程机械在能耗和排放方面的问题尤为突出,尤其 是液压挖掘机,其工况复杂、载荷波动剧烈,从而导致油 近年来,随着全球气候变暖、环境恶化等问题日益 耗高、排放差等问题。因此,各大工程机械生产商和研 收稿日期2 0 1 9 一0 7 2 4 基金项目浙江省博士后科研项目择优资助项目 浙人社发[ 2 0 1 7 ] 7 l 号 作者简介韩素贤 1 9 8 4 一 ,女,内蒙古化德人,硕士研究生,主要从事新能源和电力自动化方面的研究。E m a i l h s x s s z 1 6 3 .c o m 。 通信联系人姚洪,男,博士后,高级工程师。E m a i l y a o h o n 9 7 9 0 l h o t m a i l .c o m 万方数据 第4 期韩素贤,等混合动力挖掘机电动回转系统速度控制研究4 4 7 究机构提出了混合动力类型的挖掘机u 引。例如,日本 K O M A 鹏u 公司已经研发出了混合动力液压挖掘机”j 。 混合动力挖掘机采用发动机和电动机两种动力源 并行驱动液压泵,虽然液压泵载荷波动剧烈,但电动机 对液压泵负载进行“削峰填谷”式的补偿,使得发动机 工作点运行平稳,并且始终处于高效区,因此具有一定 的节能效果。此外,混合动力系统以超级电容为辅助 动力源,因此采用电机替代液压马达来驱动回转平台 成为另一可行的节能方案。因为电机驱动的效率比阀 控马达系统传动效率高,而且在转台减速时可以通过 电机制动使转台动能得以回馈,混合动力挖掘机转台 回转采用电机驱动方案能进一步提高系统效率∞引。 挖掘机作业时,回转动作频繁,起制动时间短,单次 回转作业时间只有几秒,因此,电驱动回转系统必须满 足速度控制响应快、超调量小以及运行平稳的要求。但 是转台的转动惯量随挖掘机姿态不同以及铲斗中物料 量的多少而大范围变化;此外,在斜坡作业时,转台重力 在斜坡上的分量产生的干扰扭矩大,这些因素易造成回 转速度波动,不利于保证回转的操控『生和舒适性。 挖掘机电机驱动回转系统的文献报道较少,文献 [ 7 9 ] 对电机驱动回转系统设计、建模和参数选择方 面作了介绍。但挖掘机电动回转系统的本质是变参 数、强干扰的电机速度控制问题,这方面的研究报道较 多。J I NK _ 1 叫采用了滑模控制方案来解决了挖掘机回 转系统变参数引起的转速振动的问题;陆豪⋯1 采用了 u 综合鲁棒控制方法来解决电机驱动大惯量低刚度负 载的位置控制问题;针对三轴飞行仿真转台模型参数 变化、外部扰动和摩擦非线性的问题,王卫红【1 刮提出 了前馈控制 自适应增益调整的方法,实现了高精度 转速控制;Y A OB [ 1 列提出了非线性自适应鲁棒控制算 法来解决直线电机精密运动控制中变参数、非线性摩擦 力、未建模动态和饱和非线性等问题。以上文献中的控 制策略都能很好地解决电机驱动系统的大惯量、变参数 和强扰动问题,但需要大量计算,对控制器硬件的性能 要求较高。 笔者在文献[ 1 4 ] 中给出了电机驱动回转系统的 结构和控制框架,并对系统的节能效果作了评价,但是 速度控制仅采用了P I 调节器,并未作深入研究。 本文针对变参数、强干扰速度问题,提出基于扰动 观测器 D O B 的控制策略,并且该算法计算简单,适 合在挖掘机普通性能控制器上实现。 1 系统结构 电机驱动回转系统由回转平台、目标转速信号单 元、电机控制单元、制动单元、系统监控单元组成,如图 1 所示。 图1混合动力挖掘机回转系统结构图 回转平台由永磁同步电机通过行星减速器直接驱 动;制动单元包括制动油缸、电磁阀和制动器,制动单 元的作用是在转台停止旋转时,锁住转台以防受到外 界干扰力矩的作用而自由旋转,从而造成危险。目标 转速信号单元包括压力传感器、操作手柄、齿轮泵及液 压油箱,压力传感器安装在操作手柄先导阀的出口处, 检测先导压力并由控制器转换成对应的电机目标转 速,用于转台速度控制。电机控制单元包括永磁同步 电机及控制器、编码器和超级电容,超级电容通过电机 控制器连接到永磁同步电机,电机驱动转台旋转时,工 作在电动模式,由超级电容向电机供电;当转台减速或 制动时,电机工作在发电模式,把转台动能转化为电能 向超级电容充电。系统监控单元主要是通过C A N 总 线网络把主控制器、电机控制器和超级电容单元连接 起来,以实现系统参数的监测与控制。 2 系统建模 2 .1 转台 %一B ∞一山一t t 警m 1 式中r 。一减速器输出扭矩;B 一阻尼比;.,_ 回转部 分的等效惯量,文献[ 1 5 ] 通过试验测试所得电机侧等 效惯量变化范围0 .8k g m 2 2 .2k g m 2 ;d ∞/d £一转台 的加速度;瓦一转台传动系统所受的等效摩擦阻力矩; t 一干扰力矩,包括转台在斜坡上,由重力产生的干 扰力矩和铲斗与外部环境作用产生的力矩。 2 .2 减速器 r 。 i % 2 万方数据 4 4 8 机电 工 程第3 7 卷 式中%一电机输出轴上的驱动转矩;i 一减速器传 动比。 2 .3 电机 永磁同步电机采用矢量控制方式,电机扭矩控制 系统结构如图2 所示。 图2永磁同步电机扭矩控制系统结构图 该系统实时检测三相电流i 。、屯和i 。,经C 1 a r k 变换 将其从三相静止坐标系变换到两相静止坐标系,再与 转子位置结合,经过P a r k 变换从两相静止坐标系变换 到两相旋转坐标系交直轴电流i 如和i 。。;交、直轴参考 电流屯与i 。与坐标变换得到的电流进行比较,采用 屯 0 的控制方式,再经过P I 调节器,交直轴控制电流 匕和i 。,结合转子角位置进行反P a r k 和C l a r k 反变换 得到M 扑H 6 和u 。,再经过S V P W M 模块调制为6 路开关 信号,从而控制三相逆变器的开通与关断。 采用以上的控制方式后,定子电流中只有交轴分 量,且定子磁动势空间矢量与永磁体磁场空间矢量正 交,电机稳态输出转矩与定子电流成正比,且扭矩响应 时间只有几毫秒,所以相对于转台的大惯性时间常数, 可以忽略电机的扭矩响应的动态过程。将电机扭矩环 视为比例环节,得到电机扭矩简化模型式为 % 矗i 。 3 式中%一电机的输出转矩;矗一比例系数;i 。一直轴 控制电流。 2 .4系统模型 电机驱动回转系统的模型为 丁E i B ∞一.,c c J t t l ,∞ 4 该模型为变参数系统,令 咒 知 瓦 t 5 式中乃一系统的外部干扰力矩。 3 控制策略 转台转速采用转速.转矩双闭环控制方案,系统结 构框图如图3 所示。 图3 转速双环控制方案 图3 中外环为转速控制环,内环为电机扭矩控制 环,因此本文的重点是对速度控制器K 进行研究。 转速闭环控制实现对目标转速的跟踪,为使速度 控制而不受转台惯量变化和外部干扰转矩的影响,笔 者提出采用扰动观测器 D O B 来抑制这些因素对转 速的影响。文献[ 1 6 ] 指出扰动观测器能有效解决干 扰和模型参数不确定性等问题,提高系统的鲁棒性,被 广泛应用到速度、位置控制系统中。 采用D O B 补偿的速度控制方案如图4 所示。 图4 基于扰动观测器的速度控制 图4 中虚线框内为扰动观测器 D O B 。因此, 控制器设计主要包括扰动观测器 D O B 和主控制器K 的设计。 3 .1 扰动观测器设计 本研究将图4 中主控制器之外的部分单独分析, 并将系统模型做等价变换,扰动观测器等价变换图如 图5 所示 其中虚线框内是扰动观测器结构图 。 图5 扰动观测器等价变换 咒,一主控制器的输出转矩;死一干扰转矩;f 一测量干扰;妒一 模型参数变化引起的干扰转矩;丸一补偿转矩;Q 一滤波环节 扰动观测器的基本思想是根据各种扰动对转速 的影响,估算出一项补偿转矩,并前馈至电机输出转矩 端,从而达到消除外部干扰对转速产生影响的目的。具 体过程为∞经过转台模型的逆向环节估算,并与当前 实际输出转矩比较,经过环节Q 得到氕。P 。是系统名 义模型,如下式所示 P 。 万b 6 万方数据 第4 期 韩素贤,等混合动力挖掘机电动回转系统速度控制研究4 4 9 式中.,。一名义转动惯量;日。一名义阻尼比。 实际系统中,在参数变化及外部干扰的作用下,能 否通过预估的y 来抵消的关键在于扰动观测器中Q 的 设计,具体说明如下 将实际模转化成下式 p 一上一L 一一1 。如 曰 .,。一△I , s 日。一△日 一 ,7 、 .,。s B 。一 △如 △B V7 并引入亭测量干扰信号,则可得到下式 ∞2 ∥面t e r 1 一Q ’了南瓦 1 1 一Q ’万商9 一孵 P n k 1 一Q P 。咒 1 一Q P 。9 一Q 亭 8 对式 8 进行分析希望通过设计Q s ,使得乃 和妒对输出没有影响;而参数变化以及外部干扰都属 于低频信号,为了对低频信号充分抑制,在低频段希望 Q s 一1 ;而测量噪声} 大多处于高频段,为了对高频 噪音能很好抑制,则p s 一O ,则可以得到理想的模 型,如下式所示 ∞一P 。丁r e f 9 因此,滤波器Q s 设计为 1 低通滤波器,低频 段近似于1 ,消除控制对象模型摄动及外部干扰的影 响; 2 高频段,Q s 接近于0 ,达到抑制高频测量噪 声的目的; 3 间常数T 是能影响扰动观测器动态性 能,因此T 的具体值需要试验比较。 按照以上设计原则,所设计的p s 为 1 Q s 2 赢 1 0 3 .2主控制器 扰动观测器的引入并不影响系统的传递函数,因 此可以按名义系统来设计主控制器K 。主控制器K 采 用P I 控制,取等效惯量中间值得到系统模型,采用极 点配置法得到主控制器系数P 0 .2 ,, 0 .0 1 。 4 仿真分析 为验证以上所提出控制方案的可行性,笔者搭建 M a t l a b /s i m u l i n k 仿真系统,对比P I 控制和P I 控制 D O B 补偿两种方案在转速控制方面的性能差别。仿真条 件为., 0 .8k g m 2 和., 2 .2k g m 2 两种惯量,阶跃干扰 1 0 0N m ,目标转速设为先匀加速、再匀速、最后匀减速, 加减速时间均为3s ,转台目标转速为9 .3 7 5r /m i n 。 仿真结果如图6 所示。 时间∥s时问,/s a P I 控制方案下转速转矩曲线 b P H D O B 控制方案下转速转矩曲线 图6不同惯量和阶跃干扰下速度扭矩曲线 图6 中 1 P I 控制。转台实际转速能跟踪目标转速,但惯 量变化对转速超调量影响较大,惯量‘, 2 .2k g m 2 和 I , 0 .8k g m 2 时超调量分别为4 .1 %和1 .O %,惯量变 化对超调量的影响为3 .1 %,这是由于模型参数变化 所导致的;在阶跃干扰下转速有明显波动,惯量I , 万方数据 4 5 0 - 机电工程第3 7 卷 2 .2k g m 2 和‘, 0 .8k g m 2 时,干扰扭矩为1 0 0N m 不 变,转速波动量分别为3 .2 %和1 .9 %,干扰量对转速 波动的影响1 .3 %。因此,采用单一P I 控制器,系统转 速不稳定,影响转台的操控和舒适性。 2 P I D O B 控制。转台转速跟踪目标转速,惯量 变化对转速超调量影响较小,惯量., 2 .2k g m 2 和 ., 0 .8k g m 2 时超调量分别为2 .6 %和1 .6 %,惯量变 化对超调量的影响为1 .0 %,这主要取决于P I 调节器 参数的选择;惯量., 2 .2k g m 2 和I , O .8k g m 2 时,干 扰扭矩为1 0 0N m 不变,转速波动量分别为1 .2 %和 1 .1 %,外部干扰对转速波动的影响为0 .1 %。 相对于P I 控制,转速波动明显减弱,这是由于 D O B 环节感知实际模型参数相对于名义模型的变化 和外部干扰,产生了补偿作用,从而使得转台转速比较 一致,系统具有较好的操控和舒适性。 5 结束语 采用电机替代液压马达驱动挖掘机回转平台是混 合动力挖掘机的一项有效节能措施,但是由于转台惯 量大、变化范围大,且受到外界干扰力矩时转速波动明 显,容易影响回转作业的操作性,针对该问题,本文建 立了系统模型,测试了转台等效惯量的变化范围,提出 了P I 扰动观测器的控制方案,搭建了系统仿真模 型,在最大和最小等效惯量时,并施加阶跃干扰力矩的 情况下,对回转速度控制系统仿真。 仿真结果表明采用P I 控制,转台实际转速能跟 踪目标转速,但是惯量变化对转速超调量影响较大,并 且干扰作用下转速波动明显,而P I D O B 控制中, D O B 环节感知实际模型参数相对于名义模型的变化 以及外部干扰,产生了补偿作用,使转台惯量变化对转 速超调量的影响从3 .1 %下降到l %,外部干扰对转速 波动的影响从1 .3 %下降到0 .1 %。 因此,扰动观测器环节减小了惯量变化对转速超 调的影响,增强了速度控制的抗干扰能力,改善了回转 作业的操作性,并且该控制策略结构简单,容易在挖掘 机普通性能控制器上实现。 参考文献 R e f e r e n c e s [ 1 ] M A s A Y u K IK .T h ed e v e l o p m e n to fa n8t o nc l a s sh y b r i d h y d r a u l i ce x c a v a t o rs K 8 0 H [ J ] .K o B E L c oT e c h n o I o g y R e v i e w ,2 0 1 3 ,3 1 1 6 - 1 1 . [ 2 ] M A N A B UE ,S E U II ,S H I N Y AI ,e ta 1 .A d o p t j o no fe l e c . t f j c a £i o na n dh y b r i d “V e { b rm o r ee n e r g y e Ⅱj c i e n tc o n s t m c t i o nm a c h i n e r y [ J ] .碰t a c l I iR e 、r i e w ,2 0 1 3 ,6 2 2 1 1 8 .1 2 2 . [ 3 ] I N 0 u EH .I n t m d u c t i o n0 fP Q 0 0 - 8h y b 蒯h y d r a l d i ce x c a v a t o r [ J ] .Ⅺ孙n r I 踟删c a lR e p o r t ,2 0 0 8 ,5 4 1 6 1 1 - 6 . [ 4 ] I N 0 u EH ,Y O s H I D AH .D e v e I o p m e n to fh y b r i dh y d r a u I i c e x c a v a t o r s 『J ] . I n t e m a t i o n a lJ 加m a lo fA u t o m a t i o n T e c h n o l o 留,2 0 1 2 ,1 6 4 5 1 6 - 5 2 0 . [ 5 ] w A N GQF ,z H A N GYT ,x I A OQ .E v a l u a t i o nf o re n e r g y s a V i n ge f f b c ta n ds i m u l a t i o nr e s e a r c ho ne n e r g ys a V i n go fh y - d r a u l i cs y s t e mi nh y b r i dc o n s t m c t i o nm a c h i n e r y [ J ] .c h i . n 鹤eJ 伽m a Io fM e c h a I I i c a IE n g i n e e r i n g ,2 0 0 5 ,4 l 1 2 1 3 5 .1 4 0 . [ 6 ] z H A N GYT ,w A N GQF ,x I A 0Q .s i m u l a t i o nr e s e a r c ho n e n e l l 盱s a v i n go fh y d r a u l i cs y s t e mi nh y 妯dc o n s £n 】c t i o nm a - c h i n e r y [ c ] .P m c e e d i n g so ft h eS i x t hI n t e m a t i o n a lc o n f e 卜 e n c eo nF l u i dP o w e r7 r m n s m i s s i o na n dC o n t m l ,H a n g z h o u I C F P .2 0 0 5 . [ 7 ]邢树鑫,林明智,戴群亮.混合动力挖掘机回转系统设计 [ J ] .工程机械,2 0 1 0 ,4 1 1 2 3 8 4 0 . [ 8 ]成凯,张俊,王鹏宇,等.混合动力挖掘机回转系统仿 真模型的建立与分析[ J ] .建筑机械,2 0 1 1 6 8 1 8 6 . [ 9 ] 郭浩,王辉,吴轩,等.混合动力挖掘机电回转系统 储能容量的优化配置[ J ] .中国机械工程,2 0 1 6 ,2 7 1 2 1 5 7 2 .1 5 7 8 . [ 1 0 ]J I NK ,P A R KT ,L E EH .Ac o n t r 0 1m e t h o dt os u p p r e s st h e s w i n gV i b r a t i o no fah y b r i de x c a V a t o ru s i n gs l i d i n gm o d ea p p r o a c h [ J ] .P m c e e d i n 擎o ft h eI 璐t i t u t i o no fM e c h a n i c a l E n g i n 弛璐,P a nC J 伽功a lo fM e c h a n i c mE n g i n 雌血g S d e n c e ,2 0 1 2 ,2 2 6 5 1 2 3 7 - 1 2 5 3 . [ 1 1 ]陆豪,李运华,田胜利,等.驱动大惯量低刚度负载的 推力矢量控制电动伺服机构的u 综合鲁棒控制[ J ] .机 械工程学报,2 0 1 l ,4 7 2 1 8 0 1 8 8 . [ 1 2 ]王卫红,姚志超,郑连强,等.三轴飞行仿真转台自适应复 合控制方法[ J ] .电机与控制学报.2 0 1 1 ,1 5 9 7 4 - 7 9 . [ 1 3 ] Y A OB .A d v a n c e dm o t i o nc o n t m lf r o mc l a s s i c a lP I Dt o n o n l i n e a ra d 印t i v em b u s tc o n t r o l [ c ] .P r o c e e d i n g so ft h e 11t hI E E EI n t e m a t i o n a lW o r k s h o po nA d v a n c e dM o t i o n C o n t r o l ,N a 昏1 0 k a I E E E ,2 0 1 0 . [ 1 4 ]韩素贤,姚洪,魏毅立.混合动力挖掘机电机驱动回转 系统设计[ J ] .电气传动,2 0 1 8 ,4 8 3 4 7 5 0 . [ 1 5 ]姚洪.混合动力挖掘机电机驱动回转系统的控制及节 能研究[ D ] .杭州浙江大学机械工程学院,2 0 1 5 . [ 1 6 ] 樊玉华.分数阶干扰观测器研究[ D ] .大连大连交通大 学电气信息学院,2 0 0 7 . [ 编辑李辉] 本文引用格式 韩素贤,姚洪,时盛志.混合动力挖掘机电动回转系统速度控制研究[ J ] .机电工程,2 0 2 0 ,3 7 4 4 4 6 4 5 0 . H A NS u x i a n ,Y A 0H o n g ,s H Is h e n g z h i .s p e e dc o n t m lo fe l e c t r i cd r i v es w i n gs y s t e mi nh y b r i de x c a v a t o r [ J ] .J o u m a lo fM e c h a n i c a l &E l e c t r i c a lE n g i n e e n g , 2 0 2 0 ,3 7 4 4 4 6 4 5 0 .机电工程杂志h t t p //w w w .m e e m .c o m .c n 万方数据