CN103882901B

CN103882901B - 挖掘机回转制动能量回收控制方法

Info

Publication number: CN103882901B
Application number: CN201410087883.4A
Authority: CN
Inventors: 何清华; 刘昌盛; 张大庆; 唐中勇; 龚俊
Original assignee: Sunward Intelligent Equipment Co Ltd
Current assignee: Sunward Intelligent Equipment Co Ltd
Priority date: 2014-03-11
Filing date: 2014-03-11
Publication date: 2016-01-20
Anticipated expiration: 2034-03-11
Also published as: CN103882901A

Abstract

本发明公开了一种挖掘机回转制动能量回收控制方法，通过在上车回转平台回转启动时，电机控制器收到指令使电机处于电动状态，驱动具有发电功能的电机达到一定工作转速。上车平台回转制动时，电机控制器向电机施加反向转矩信号，回转马达出油口液压油推动回收马达，由于电机已经具有了一定的转速，从而能够迅速响应回收马达扭矩进行发电并储存，从而降低回转马达制动口压力减少溢流损失，同时提高电机最大转速延长发电时间，实现最大化高效回转制动能量回收。

Description

挖掘机回转制动能量回收控制方法

技术领域

本发明涉及一种挖掘机回转制动能量回收控制方法。

背景技术

随着能源短缺与环境污染的问题日趋严重，研究工程机械的节能减排与新能源开发成为各大生产厂家迫在眉睫的现实问题。而液压挖掘机由于数量多、耗油高、排放差，已成为人们关注的主要对象。

液压挖掘机由于其工作的高效性和可靠性被广泛应用于建筑施工行业，在其典型定点挖掘回转卸土工况下，一次挖掘工作循环中存在两次回转两次制动。其中回转动能全部转化为热能损失，同时引起液压油温升高，降低液压***的使用寿命。若能将这部分能量进行有效回收并再利用，可提高挖掘机的能量利用率，从而降低能耗与排放，具有较高的经济价值和社会意义。

近些年来，国内外许多厂家对挖掘机的能量回收进行了不同程度和不同方法的研究。

在液压挖掘机回转制动能量回收方面，对上车平台运动状态判断上有采用基于回转马达进/出口压差来识别回转启动加速和减速制动过程的方法，但该方法需在回转马达制动口压力建立后才能判断，相较于上车平台实际回转运动状态存在一定滞后，将影响运动周期较短的回转制动工况的能量回收效果。同样，在通过电机发电来回收回转制动能量时，以往的方法是判断上车平台回转处于制动状态后***才发出指令启动电机工作，并未考虑电机由静止状态转为发电工作状态的过程(转速从零提升到高效工作转速区域)，与回转制动实际状态的滞后也大大降低了能量回收效率。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种高效的挖掘机回转制动能量回收控制方法，在挖掘机上车回转平台回转工况下，该方法能最大化高效回收回转制动能量并转化为电能进行储存，可以降低动力***的能量损失，提高了能量回收效率，实现挖掘机节能减排的目的。

一种挖掘机回转制动能量回收控制方法，采用挖掘机能量回收***，所述挖掘机能量回收***包括发动机1、液压泵3、多路阀4、臂油缸8、回转马达5和整机控制器14，驱动电机2与所述的液压泵3传动连接；所述的臂油缸8的无杆腔油口与所述的多路阀之间设有第一电磁换向阀9，所述的第一电磁换向阀9出口连接回收液压马达11的入口；所述的回收液压马达11与具有发电功能的回收电机10传动连接，所述的驱动电机2和所述的具有发电功能的回收电机10通过电机控制器12与电储能元件13电相连，所述回转马达5的进油口与出油口之间并联有单向阀6，单向阀6后连接第一电磁阀7，第一电磁阀7与回收液压马达11油路相连；所述的回转马达5并联有单向阀6；

控制方法包括以下步骤：

步骤1：设定电储能元件正常工作时电荷状态SOC的上限SOC_max与下限SOC_min；；

步骤2：挖掘机上车回转平台进入回转工况，检测电储能元件SOC值，当SOC<SOC_max时，进入步骤3；否则，重复步骤2；

步骤3：利用整机控制器14通过压力传感器采集回转先导手柄输出的先导压力，当回转先导手柄输出的先导压力在设定的ΔT时间内呈递增变化时，启动具有发电功能的电机10，并使具有发电功能的回收电机10的转速稳定在设定的第一转速，进入步骤4，否则，返回步骤2；

步骤4：当回转先导手柄输出的先导压力在设定的ΔT时间内呈递减变化时，第一电磁换向阀9开启，挖掘机能量回收***开始进行能量回收，进入步骤5，否则，重复步骤4；

步骤5：整机控制器发出指令由电机控制器向具有发电功能的回收电机10施加方向转矩信号，通过与回收电机同轴相联的回收马达作用于回转马达，完成上车回转平台制动，同时具有发电功能的回收电机10向电储能元件充电，完成发电储存的回转制动能量回收，返回步骤2。

所述电储能元件正常工作时电荷状态SOC的上限SOC_max与下限SOC_min分别为0.4和0.8。

用于判断回转先导手柄输出的先导压力在设定的时间ΔT变化情况的时间ΔT为10ms-20ms。

所述电储能元件为超级电容。

所述步骤5中整机控制器发出指令由电机控制器向具有发电功能的回收电机10施加方向转矩信号T_m是按照以下公式进行计算获得：

T_{m} = \frac{P \cdot V_{r}}{2 π} (1 + \frac{J_{r} V_{r}}{J_{s} V_{s}}) + \frac{J_{r} V_{r}}{J_{s} V_{s}} T_{f s} - T_{f r}

其中，P为制动过程中回转马达制动口的压力，通过压力传感器采集获得；V_s为回转马达的额定排量；V_r为回收马达的额定排量；J_s为上车回转平台作用在回转马达上的转动惯量；J_r为回收马达及电机作用在回收马达上的转动惯量；T_fs为制动过程中上车回转平台作用在回转马达上的阻力矩；T_fr为制动过程中回收马达和回收电机作用在回收马达上的阻力矩；Q_s为制动过程中回转马达的额定输出流量；Q_r为制动过程中回收马达的额定输入流量；ω_s为回转马达的额定角速度；ω_r为回收马达的额定角速度；

J_s、J_r、T_fs和T_fr的计算方法均属于现有技术。

T_m的计算公式是通过上车回转平台、回转马达、回收马达与回收电机组成的多惯量***力矩平衡方程组进行推导获得，多惯量***力矩平衡方程如下：

\{\begin{matrix} - \frac{P \cdot V_{s}}{2 π} - T_{f s} = J_{s} \cdot \frac{{dω}_{s}}{d t} \\ - T_{m} + \frac{P \cdot V_{r}}{2 π} - T_{f r} = J_{r} \cdot \frac{{dω}_{r}}{d t} \\ Q_{r} = Q_{s} \\ \frac{{dω}_{r}}{d t} \cdot V_{r} = \frac{{dω}_{s}}{d t} \cdot V_{s} \end{matrix}

在能量回收***控制中，当回转马达制动口压力逐渐增大，则整机控制器在回收电机反馈其当前转速n的基础上，计算并发出相应的制动转矩指令，通过电机控制器来调节回收电机的输入电流大小和方向来输出对应转矩。

有益效果

本发明与背景技术相比，具有以下优点：

1、在上车回转平台回转启动时，电机控制器收到指令使电机处于电动状态，驱动具有发电功能的电机达到一定工作转速。上车回转平台回转制动时，电机控制器向电机施加反向转矩信号，回转马达出油口液压油推动回收马达，由于电机已经具有了一定的转速，从而能够迅速响应回收马达扭矩进行发电并储存，从而降低回转马达制动口压力减少溢流损失，同时提高电机最大转速延长发电时间，实现最大化高效回转制动能量回收。

2、为了避免因电机转速过高造成回转马达制动口压力不足出现吸空，或电机转速过低造成回转马达制动口压力出现溢流损失，电机最大转速需根据回转工况得到有效控制。整机控制器采集获取回转平台转速，通过平台转速比计算出回转马达的转速，再根据回转马达排量和回收马达排量计算得到电储能元件驱动电机应达到的能量回收待机最大转速，整机控制器发送给电机控制器来控制电机的转速。

附图说明

图1为本发明的挖掘机回转制动能量回收控制方法的流程图；

图2为本发明的回转先导压力与回转手柄操纵杆行程的对应关系图；

图3为本发明所述方法的控制对象挖掘机能量回收***的结构框图；

图4为上车回转平台回转工作模式切换识别示意图。

具体实施方式

下面将结合附图和实施例对本发明做进一步的说明。

如图1所示，为本发明的回转制动能量回收控制流程图，一种挖掘机回转制动能量回收控制方法，采用挖掘机能量回收***，所述挖掘机能量回收***包括发动机1、液压泵3、多路阀4、臂油缸8、回转马达5和整机控制器14，驱动电机2与所述的液压泵3传动连接；所述的臂油缸8的无杆腔油口与所述的多路阀之间设有第一电磁换向阀9，所述的第一电磁换向阀9出口连接回收液压马达11的入口；所述的回收液压马达11与具有发电功能的回收电机10传动连接，所述的驱动电机2和所述的具有发电功能的回收电机10通过电机控制器12与电储能元件13电相连，所述回转马达5的进油口与出油口之间并联有单向阀6，单向阀6后连接第一电磁阀7，第一电磁阀7与回收液压马达11油路相连；所述的回转马达5并联有单向阀6；

控制方法包括以下步骤：

步骤3：利用整机控制器14通过压力传感器采集回转先导手柄输出的先导压力，当回转先导手柄输出的先导压力在设定的ΔT时间内呈递增变化时，启动具有发电功能的电机(10)，并使具有发电功能的回收电机10的转速稳定在设定的第一转速，进入步骤4，否则，返回步骤2；

所述电储能元件为超级电容。

T_{m} = \frac{P \cdot V_{r}}{2 π} (1 + \frac{J_{r} V_{r}}{J_{s} V_{s}}) + \frac{J_{r} V_{r}}{J_{s} V_{s}} T_{f s} - T_{f r}

J_s、J_r、T_fs和T_fr的计算方法均属于现有技术。

\{\begin{matrix} - \frac{P \cdot V_{s}}{2 π} - T_{f s} = J_{s} \cdot \frac{{dω}_{s}}{d t} \\ - T_{m} + \frac{P \cdot V_{r}}{2 π} - T_{f r} = J_{r} \cdot \frac{{dω}_{r}}{d t} \\ Q_{r} = Q_{s} \\ \frac{{dω}_{r}}{d t} \cdot V_{r} = \frac{{dω}_{s}}{d t} \cdot V_{s} \end{matrix}

挖掘机操作手通过调节回转先导手柄操纵杆控制挖掘机做出回转启动、制动动作，回转操纵杆的倾斜量与回转先导压力大小关系如附图2所示，分为三个过程：

阶段一输出曲线A～B段，操纵杆稍微倾斜时，回转手柄控制阀阀柱与阀口是负开口方式即阀柱完全遮住阀口，并有余量，手柄控制阀阀柱仍完全切断先导泵与回转阀联先导油口之间的油路，回转阀联先导油口与回油腔液压油箱相通，压力为零。

阶段二输出曲线C～D段，当操纵杆再度倾斜一定角度，手柄控制阀阀口打开，先导泵出油口与工作腔相通，回转阀联阀先导油口开始产生压力。随着回转手柄操纵杆倾斜角度增大，阀口通流面积加大，回转先导油口压力逐渐提高，回转阀联先导压力与回转手柄操作杆的行程呈一定的比例关系输出。

阶段三输出曲线E～F段，当手柄控制阀阀柱移动至最大行程时，回转阀联先导口压力与先导泵输出压力相等，这时即使操纵杆继续倾斜，回转阀联先导油口压力也不再增加。

根据以上，随着挖掘机操作手调节回转手柄操纵杆，挖掘机上车平台的回转启动、制动状态与回转先导手柄输出压力的递增、递减趋势呈对应关系，因此可以根据回转阀联C～D段先导油口压力的变化趋势来判断挖掘机回转运动状态。

回转工作模式切换时刻的识别的有效性验证：

图4中分别为回转先导手柄输出的先导压力曲线和电磁换向阀的通断信号，1表示电磁换向阀即回转制动能量回收阀打开，接通原回转***与能量回收***的油路；0表示电磁换向阀关闭，断开原回转***与能量回收***的联接。从图中可以看出，在先导压力从3.5MPa减小至2MPa左右，整机控制器就判断出回转***即将进入制动状态。说明采用回转手柄先导压力变化趋势能够准确、快速地识别回转***运动状态的切换。

其中，挖掘机能量回收***的结构示意图如图3所示，发动机1、驱动电机2、液压泵3机械传动连接；回收液压马达11与具有发电功能的回收电机10机械传动连接；液压泵3与多路阀4的油路相通；多路阀4与回转回路、臂油缸8的油路相通；臂油缸8的无杆腔油口与多路阀4之间连接有第一电磁换向阀9；在回转回路中，与回转马达5并联的另外一条支路上接有单向阀6，单向阀6连接有第一电磁阀7；第一电磁换向阀9和第一电磁阀7的出口连接回收液压马达11的入口，驱动电机2和具有发电功能的回收电机10通过电机控制器12与电储能元件13电相连，电储能元件13为超级电容或蓄电池，整机控制器14上设有压力反馈信号输入接口，压力反馈信号输入接口与回转马达5的左右油口、回收液压马达11的油口和臂油缸8的信号输出端相接，整机控制器14与发动机1、液压泵3、电储能元件13、电机控制器12、第一电磁阀7和第一电磁换向阀9电相连。整机控制器14从回转马达5、回收液压马达11和臂油缸8等液压执行机构接受信号，向发动机1、液压泵3、电储能元件13、电机控制器12以及第一电磁阀7和第一电磁换向阀9发送控制指令。

工作原理如下：

整机控制器14通过对臂油缸8与回转马达5输出的压力信号进行采集和数据处理，获得负载压力；向发动机1、液压泵3、第一电磁阀7、第一电磁换向阀9发送控制指令从而控制发动机1的工作模式、液压泵3的排量、第一电磁阀7和第一电磁换向阀9的工位。电机控制器12通过接收整机控制器14传输过来的信号，向驱动电机2、具有发电功能的回收电机10发出控制指令从而控制驱动电机2和具有发电功能的回收电机10的模式。

具体控制如下：

1)、如图3所示，臂油缸8的无杆腔接第一电磁换向阀9，第一电磁换向阀9的油口还分别连接多路阀4和回收液压马达11。动臂上升时，整机控制器14控制第一电磁换向阀9工作在上位，则上升阶段，液压油从第一电磁换向阀9进入无杆腔。动臂下降时，整机控制器14控制第一电磁换向阀9工作在下位，臂油缸8的液压油通过第一电磁换向阀9进入回收液压马达11，把动臂下降的势能转化为回收液压马达11的液压能，回收液压马达11带动具有发电功能的回收电机10工作，此时具有发电功能的回收电机10工作在发电状态，将回收液压马达11的液压能转化为电能，通过电机控制器12储存在电储能元件13，电储能元件13处于充电状态。

2)、如图3所示，回转马达5的进出油口分别并联连接单向阀6，单向阀6后连接第一电磁阀7，第一电磁阀7与回收液压马达11油路相连。在上车平台回转制动时，整机控制器14控制第一电磁阀7工作在下位，因上车回转平台转动惯量造成的回转马达5高压腔液压油通过第一电磁阀7进入回收液压马达11带动其转动；同时，整机控制器14向电机控制器12发送信号，使电机控制器12控制具有发电功能的回收电机10工作在发电状态，电机控制器12中的变频模块将具有发电功能的回收电机10生成的三相交流电能整流转换为直流电能储存进电储能元件13，电储能元件13处于充电状态。

3)、液压泵3由发动机1和驱动电机2组成的***共同驱动。发动机1在某一模式下时，发动机1提供某一恒定功率，当负载功率大于发动机1的调定功率时，电机控制器12控制电机2工作在电动状态，液压泵3由发动机1和电机2共同驱动，电储能元件13处于放电状态；当发动机1自身调定功率能满足负载功率需求时，电机控制器12控制驱动电机2工作在随动状态，发动机1单独驱动液压泵3，电储能元件13处于不工作状态。

Claims

1.一种挖掘机回转制动能量回收控制方法，其特征在于，采用挖掘机能量回收***，所述挖掘机能量回收***包括发动机(1)、液压泵(3)、多路阀(4)、臂油缸(8)、回转马达(5)和整机控制器(14)，驱动电机(2)与所述的液压泵(3)传动连接；所述的臂油缸(8)的无杆腔油口与所述的多路阀之间设有第一电磁换向阀(9)，所述的第一电磁换向阀(9)出口连接回收液压马达(11)的入口；所述的回收液压马达(11)与具有发电功能的回收电机(10)传动连接，所述的驱动电机(2)和所述的具有发电功能的回收电机(10)通过电机控制器(12)与电储能元件(13)电相连，所述回转马达(5)的进油口与出油口之间并联有单向阀(6)，单向阀(6)后连接第一电磁阀(7)，第一电磁阀(7)与回收液压马达(11)油路相连；所述的回转马达(5)并联有单向阀(6)；

控制方法包括以下步骤：

步骤1：设定电储能元件正常工作时电荷状态SOC的上限SOC_max与下限SOC_min；

步骤3：利用整机控制器(14)通过压力传感器采集回转先导手柄输出的先导压力，当回转先导手柄输出的先导压力在设定的ΔT时间内呈递增变化时，启动具有发电功能的电机(10)，并使具有发电功能的回收电机(10)的转速稳定在设定的第一转速，进入步骤4，否则，返回步骤2；

步骤4：当回转先导手柄输出的先导压力在设定的ΔT时间内呈递减变化时，第一电磁换向阀(9)开启，挖掘机能量回收***开始进行能量回收，进入步骤5，否则，重复步骤4；

步骤5：整机控制器发出指令由电机控制器向具有发电功能的回收电机(10)施加方向转矩信号，通过与回收电机同轴相联的回收马达作用于回转马达，完成上车回转平台制动，同时具有发电功能的回收电机(10)向电储能元件充电，完成发电储存的回转制动能量回收，返回步骤2。

2.根据权利要求1所述的挖掘机回转制动能量回收控制方法，其特征在于，所述电储能元件正常工作时电荷状态SOC的上限SOC_max与下限SOC_min分别为0.4和0.8。

3.根据权利要求2所述的挖掘机回转制动能量回收控制方法，其特征在于，用于判断回转先导手柄输出的先导压力在设定的时间ΔT变化情况的时间ΔT为10ms-20ms。

4.根据权利要求1-3任一项所述的挖掘机回转制动能量回收控制方法，其特征在于，所述电储能元件为超级电容。

5.根据权利要求4所述的挖掘机回转制动能量回收控制方法，其特征在于，所述步骤5中整机控制器发出指令由电机控制器向具有发电功能的回收电机(10)施加方向转矩信号T_m是按照以下公式进行计算获得：

T_{m} = \frac{P \cdot V_{r}}{2 π} (1 + \frac{J_{r} V_{r}}{J_{s} V_{s}}) + \frac{J_{r} V_{r}}{J_{s} V_{s}} T_{f s} - T_{f r}

其中，P为制动过程中回转马达制动口的压力，通过压力传感器采集获得；V_s为回转马达的额定排量；V_r为回收马达的额定排量；J_s为上车回转作用在回转马达上的转动惯量；J_r为回收马达及电机作用在回收马达上的转动惯量；T_fs为制动过程中上车回转平台作用在回转马达上的阻力矩；T_fr为制动过程中回收马达和回收电机作用在回收马达上的阻力矩；Q_s为制动过程中回转马达的额定输出流量；Q_r为制动过程中回收马达的额定输入流量；ω_s为回转马达的额定角速度；ω_r为回收马达的额定角速度。