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基于变转速控制电动挖掘机正流量系统研究
来源：985论文网 添加时间：2019-12-29 11:06
第 1 章 绪论
1.1 研究背景及意义
随着工业经济快速发展和社会不断进步，越来越多的资源被不断开发和利用，能源危机成为了当今世界面临的不可避免的问题，因此，节能环保越来越被重视。我国作为世界上最大的发展中国家，同样也面临能源危机。近年相关研究数据表明，新发现储油地的进程相对缓慢，而且石油的消耗量呈现出较高的增长率；如果石油的消耗量按照现在的发展趋势来计算的话，那么世界上的石油资源也只能用到 2038 年。中国 2017 年全年进口量达到创纪录的 4.619 亿吨，连续第二年成为全球最大原油进口国，石油问题相对发达国家更为突出。随着我国资源消耗量不断增加，环境污染问题严重，保护环境成为促进国家发展的要务之一。中共中央提出“十三五”时期经济社会发展的主要目标和基本理念是实现“生态环境质量总体改善”，节约资源，提高燃料利用效率，减少碳排放量，改善环境。
3.1.1 控制策略总体方案 ............................... 32
3.1.2 正流量系统控制规则 ............................... 32
第 4 章 基于电机过载运行时间的恒功率模式控制策略 ................................. 49
4.1 永磁同步电机过载特性分析 ......................... 49
4.2 恒功率控制策略 .......................... 50
4.2.1 挖掘机典型工况负载分析 ............................. 50
4.2.2 恒功率控制策略结构 ............................ 51
第 5 章 试验研究 ....................................... 59
5.1 正流量系统试验平台搭建 ................................... 59
5.1.1 试验平台工作原理 ................................ 59
5.1.2 测控系统设计 .................................. 60
第 5 章 试验研究
5.1 正流量系统试验平台搭建
搭建基于变转速定排量的电动挖掘机正流量系统试验平台，对本文所提出的正流量液压系统和恒功率模式控制策略的操控性和节能性进行研究。
5.1.1 试验平台工作原理
为验证基于变转速控制正流量系统的操控性和节能性，搭建了如图 5.1 所示试验平台。整个试验平台由三部分组成，分别是：变转速动力系统、节流调速系统和测控系统。变转速动力系统包括动力电机、主泵和先导泵，动力电机驱动双泵供油。节流调速系统包括先导比例减压阀和多路阀，根据控制信号控制进入执行器的流量，调节执行器的运行速度。测控系统包括工控机、NI-PCI6259 采集板、变频器、电控手柄、多种传感器和相应的线束，主要作用是对系统的相关参数进行采集和处理，并对变转速系统和模拟加载的比例溢流阀进行控制。
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第 6 章 总结与展望
6.1 总结
论文的主要研究工作如下：
（1）对基于变转速定排量控制的电动挖掘机正流量系统进行结构方案设计 首先对传统液压挖掘机的机械结构及工作原理进行了分析和阐述，接着对液压挖掘机的液压系统及工作原理进行了分析，对比了传统液压挖掘机和电动挖掘机的区别，并着重研究了电动挖掘机动力系统的工作原理及分类。在此基础上分析了常用电机的特点并对电动挖掘机的电机进行了选型，接着确定了动力源的组合方案，选择了永磁同步电机和定量泵作为动力源。最后提出了基于变转速控制定排量的电动挖掘机正流量系统的结构方案，并对动力系统中动力电机和液压泵进行了参数设计，为接下来的研究奠定了基础。
（2）基于变转速定排量控制正流量系统的控制策略研究
充分发挥动力电机优良的调速性能，提出了变转速定排量的正流量系统的控制策略。研究了电控手柄控制信号与多路阀流量之间的关系，提出了基于电控手柄信号的流量预估方法，有利于实现系统的流量匹配。在 AMESim 仿真软件中搭建了正流量系统仿真模型，与传统定转速定排量节流调速系统进行了对比仿真研究，通过对仿真结果分析，验证了该控制策略的操控性和节能性。
（3）基于电机超载运行时间的恒功率控制策略
针对电动挖掘机运行过程中负载波动大且具有周期性的特点，通过对电机超载特性进行研究，确定了电机超载倍数与运行时间的关系，充分发挥电机的超载能力，提出了一种基于电机超载运行时间的恒功率控制策略。使用 AMESim仿真软件对正流量系统恒功率控制策略进行动态仿真分析，验证了正流量系统操控性和节能性。
1.1 研究背景及意义
随着工业经济快速发展和社会不断进步，越来越多的资源被不断开发和利用，能源危机成为了当今世界面临的不可避免的问题，因此，节能环保越来越被重视。我国作为世界上最大的发展中国家，同样也面临能源危机。近年相关研究数据表明，新发现储油地的进程相对缓慢，而且石油的消耗量呈现出较高的增长率；如果石油的消耗量按照现在的发展趋势来计算的话，那么世界上的石油资源也只能用到 2038 年。中国 2017 年全年进口量达到创纪录的 4.619 亿吨，连续第二年成为全球最大原油进口国，石油问题相对发达国家更为突出。随着我国资源消耗量不断增加，环境污染问题严重，保护环境成为促进国家发展的要务之一。中共中央提出“十三五”时期经济社会发展的主要目标和基本理念是实现“生态环境质量总体改善”，节约资源，提高燃料利用效率，减少碳排放量，改善环境。
据统计 2018 年全年所纳入统计的 26 家制造主机的企业，共计销售各类挖掘机械产品 20.34 万台[1]，挖掘机保有量持续增加，为我国节能减排工作带来了巨大的挑战。传统的柴油挖掘机，挖掘工况复杂，负载不断变化，使得发动机无法时刻工作在燃油高效区，燃油利用率较低，造成大量的能量浪费和污染排放，传统挖掘机运行过程中，发动机输出功率无法适应负载，导致挖掘机液压系统中存在大量的节流损失、溢流能量损失和管路的阻尼网络损失，动力传输环节的能量损失较大，挖掘机总体的能量利用率不高。传统柴油挖掘机操控性差，噪声大，排放高，不适合在城市、工厂等人员较多的场合使用。
混合动力技术应用在挖掘机上，具有一定的节能效果。油电混合技术可以利用辅助电力驱动单元与发动机一起驱动液压系统运行，通过功率匹配，使柴油发动机运行在高效工作点上，提高燃油利用率。但是装机成本高，挖掘机工作环境恶劣，各个能量传输环节的效率和辅助储能单元的寿命难以得到保证。油液混合动力驱动技术，是利用蓄能器等储能单元对挖掘机能量进行回收、释放来辅助驱动液压系统。但是各元件存在参数无法匹配、操控性差等问题，使得油液混合技术也无法得到推广。混合动力技术虽然提高了燃油利用率，但是使用柴油驱动，
3.1 基于变转速的正流量系统控制策略 ................................ 31
发动机固有的能量转化率低、噪声大、震动大、污染排放等问题依然无法解决。
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1.2 液压挖掘机动力源节能技术国内外研究现状
1.2.1 混合动力技术国内外研究现状
混合动力技术是区别于传统能源车辆驱动的一种新能源驱动技术，指的是采用两种及以上动力源为系统提供动力。现有的混合动力系统多以发动机作为主动力源，混合动力驱动时不同动力源配合使用，可以发挥出各自的优势以弥补各自的不足。混合动力良好的节能效果，为传统柴油驱动工程机械的大发展开创了一个新的领域。国内外众多科研单位以及专家学者对混合动力在工程机械上的应用展开研究。
1.2.1.1 混合动力的结构研究
2.2 关键参数设计
2.2.1 挖掘机液压系统工作原理
传统挖掘机采用发动机作为动力源进行驱动，发动机通过柴油燃烧产生的能量转化为机械能驱动液压系统。液压系统将液压能转化为机械能驱动执行器。
图 2.7 为挖掘机结构组成示意图，由图可得，挖掘机液压系统主要由以下四部分组成，分别是能源装置、执行装置、控制调节装置和辅助装置。能源装置是进行能量转换的装置，主要由发动机或者电机和液压泵组成，为液压系统提供动力；执行装置负责将液压能转换为机械能，主要包括回转马达、行走马达、铲斗油缸、动臂油缸、斗杆油缸、推土油缸等；控制调节装置主要包括多路阀、减压阀、节流阀、溢流阀等控制阀，主要作用是对挖掘机液压系统的工作进行控制；辅助装置包括油箱、过滤器、油管等，对液压系统的正常运行也起到了重要作用[65]。
根据各执行器在运行过程中对进入各执行器的流量和功率进行计算，对整机运行时所需的功率进行估算，对动力单元进行参数设计。
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第 3 章 基于变转速控制的正流量系统控制策略 ............................. 31
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1.2 液压挖掘机动力源节能技术国内外研究现状
1.2.1 混合动力技术国内外研究现状
混合动力技术是区别于传统能源车辆驱动的一种新能源驱动技术，指的是采用两种及以上动力源为系统提供动力。现有的混合动力系统多以发动机作为主动力源，混合动力驱动时不同动力源配合使用，可以发挥出各自的优势以弥补各自的不足。混合动力良好的节能效果，为传统柴油驱动工程机械的大发展开创了一个新的领域。国内外众多科研单位以及专家学者对混合动力在工程机械上的应用展开研究。
1.2.1.1 混合动力的结构研究
混合动力液压挖掘机可以分为串联式、并联式和混联式[1, 2]。串联式混合动力具有结构和控制方式简单的特点，发动机带动发电机发电，因此发动机可以以最佳工作点运行，缺点是能量转换复杂，造成较大的能量转换损失[3]。并联式混合动力结构采用的是发动机为主、电动机为辅，两种驱动方式串联共同驱动液压泵工作，优点是能量转换损失小，但是发动机转速难以稳定在最佳工作点运行，造成发动机效率降低[4]。混联式混合动力结合了前两种方式的优点，能量转化损失少，并且能够实现发动机与电动机同时驱动，缺点是结构复杂，控制难度大。
2011 年北京 BICES 工程机械展上，神户制钢推出了一款混合动力挖掘机-SK80H。如图 1.1 所示，该机型在液压驱动系统上采用了并联式混合动力系统，回转系统上采用了串联式混合动力系统[5, 6]。辅助驱动电机采用三相交流同步型永磁电机，储能单元采用了镍氢电池[7, 8]。无负载或轻负载时所剩余的发动机输出和停止回转时的惯性动能转换成电能，储存到电池中，载负载工况下，通过发电兼电动机，发动机输出上补充来自电池的输出。通过这种驱动方式，大概节省了 40%的燃油[9]。
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第 2 章 正流量系统方案研究与参数设计
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第 2 章 正流量系统方案研究与参数设计
2.1 电动液压挖掘机总体方案研究
传统液压挖掘机采用发动机作为动力系统驱动装置，在工作过程中排放高、噪声大且燃油效率低。针对这些不足，采用动力电机作为动力系统的驱动装置，提高整机效率的同时实现零排放和低噪声。
传统液压挖掘机采用发动机作为动力系统驱动装置，在工作过程中排放高、噪声大且燃油效率低。针对这些不足，采用动力电机作为动力系统的驱动装置，提高整机效率的同时实现零排放和低噪声。
2.1.1 电动液压挖掘机系统基本组成
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（1）供电方式
电动挖掘机用动力电机取代发动机，实现电能与液压能的转换。供电方式主要分为四种类型：电池型挖掘机、移动电源车型挖掘机、电缆型挖掘机和混合供电型挖掘机。
电池型挖掘机，如图 2.1（a）所示，将动力电池组安装在挖掘机上对挖掘机进行供电，通过电机控制器驱动电机工作。
移动电源车型挖掘机，如图 2.1（b）所示，将动力电池和电池管理系统安装在移动电源车上，通过电缆连接挖掘机进行供电。
电缆型挖掘机，如图 2.1（c）所示，该方式是利用电缆连接电网和挖掘机，过电网为挖掘机供电。
混合供电型挖掘机，如图 2.1（d）所示，兼具将电池供电与电缆供电两种供电方式，通过其中任意一种供电方式为挖掘机提供电能。
电动挖掘机用动力电机取代发动机，实现电能与液压能的转换。供电方式主要分为四种类型：电池型挖掘机、移动电源车型挖掘机、电缆型挖掘机和混合供电型挖掘机。
电池型挖掘机，如图 2.1（a）所示，将动力电池组安装在挖掘机上对挖掘机进行供电，通过电机控制器驱动电机工作。
移动电源车型挖掘机，如图 2.1（b）所示，将动力电池和电池管理系统安装在移动电源车上，通过电缆连接挖掘机进行供电。
电缆型挖掘机，如图 2.1（c）所示，该方式是利用电缆连接电网和挖掘机，过电网为挖掘机供电。
混合供电型挖掘机，如图 2.1（d）所示，兼具将电池供电与电缆供电两种供电方式，通过其中任意一种供电方式为挖掘机提供电能。
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2.2 关键参数设计
2.2.1 挖掘机液压系统工作原理
传统挖掘机采用发动机作为动力源进行驱动，发动机通过柴油燃烧产生的能量转化为机械能驱动液压系统。液压系统将液压能转化为机械能驱动执行器。
图 2.7 为挖掘机结构组成示意图，由图可得，挖掘机液压系统主要由以下四部分组成，分别是能源装置、执行装置、控制调节装置和辅助装置。能源装置是进行能量转换的装置，主要由发动机或者电机和液压泵组成，为液压系统提供动力；执行装置负责将液压能转换为机械能，主要包括回转马达、行走马达、铲斗油缸、动臂油缸、斗杆油缸、推土油缸等；控制调节装置主要包括多路阀、减压阀、节流阀、溢流阀等控制阀，主要作用是对挖掘机液压系统的工作进行控制；辅助装置包括油箱、过滤器、油管等，对液压系统的正常运行也起到了重要作用[65]。
根据各执行器在运行过程中对进入各执行器的流量和功率进行计算，对整机运行时所需的功率进行估算，对动力单元进行参数设计。
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第 3 章 基于变转速控制的正流量系统控制策略 ............................. 31
3.1.1 控制策略总体方案 ............................... 32
3.1.2 正流量系统控制规则 ............................... 32
第 4 章 基于电机过载运行时间的恒功率模式控制策略 ................................. 49
4.1 永磁同步电机过载特性分析 ......................... 49
4.2 恒功率控制策略 .......................... 50
4.2.1 挖掘机典型工况负载分析 ............................. 50
4.2.2 恒功率控制策略结构 ............................ 51
第 5 章 试验研究 ....................................... 59
5.1 正流量系统试验平台搭建 ................................... 59
5.1.1 试验平台工作原理 ................................ 59
5.1.2 测控系统设计 .................................. 60
第 5 章 试验研究
5.1 正流量系统试验平台搭建
搭建基于变转速定排量的电动挖掘机正流量系统试验平台，对本文所提出的正流量液压系统和恒功率模式控制策略的操控性和节能性进行研究。
5.1.1 试验平台工作原理
为验证基于变转速控制正流量系统的操控性和节能性，搭建了如图 5.1 所示试验平台。整个试验平台由三部分组成，分别是：变转速动力系统、节流调速系统和测控系统。变转速动力系统包括动力电机、主泵和先导泵，动力电机驱动双泵供油。节流调速系统包括先导比例减压阀和多路阀，根据控制信号控制进入执行器的流量，调节执行器的运行速度。测控系统包括工控机、NI-PCI6259 采集板、变频器、电控手柄、多种传感器和相应的线束，主要作用是对系统的相关参数进行采集和处理，并对变转速系统和模拟加载的比例溢流阀进行控制。
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第 6 章 总结与展望
6.1 总结
论文的主要研究工作如下：
（1）对基于变转速定排量控制的电动挖掘机正流量系统进行结构方案设计 首先对传统液压挖掘机的机械结构及工作原理进行了分析和阐述，接着对液压挖掘机的液压系统及工作原理进行了分析，对比了传统液压挖掘机和电动挖掘机的区别，并着重研究了电动挖掘机动力系统的工作原理及分类。在此基础上分析了常用电机的特点并对电动挖掘机的电机进行了选型，接着确定了动力源的组合方案，选择了永磁同步电机和定量泵作为动力源。最后提出了基于变转速控制定排量的电动挖掘机正流量系统的结构方案，并对动力系统中动力电机和液压泵进行了参数设计，为接下来的研究奠定了基础。
（2）基于变转速定排量控制正流量系统的控制策略研究
充分发挥动力电机优良的调速性能，提出了变转速定排量的正流量系统的控制策略。研究了电控手柄控制信号与多路阀流量之间的关系，提出了基于电控手柄信号的流量预估方法，有利于实现系统的流量匹配。在 AMESim 仿真软件中搭建了正流量系统仿真模型，与传统定转速定排量节流调速系统进行了对比仿真研究，通过对仿真结果分析，验证了该控制策略的操控性和节能性。
（3）基于电机超载运行时间的恒功率控制策略
针对电动挖掘机运行过程中负载波动大且具有周期性的特点，通过对电机超载特性进行研究，确定了电机超载倍数与运行时间的关系，充分发挥电机的超载能力，提出了一种基于电机超载运行时间的恒功率控制策略。使用 AMESim仿真软件对正流量系统恒功率控制策略进行动态仿真分析，验证了正流量系统操控性和节能性。
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