纯电驱动工程机械主驱电机控制系统分析

纯电驱动工程机械主驱电机控制系统分析摘要：随着环境污染日益严重和排放标准日趋严格，节能环保成为工程机械发展的主流趋势。纯电驱动工程机械由于采用电机代替传统燃油发动机，具有低噪声、零排放以及高效驱动的优势而成为工程机械行业的重点发展方向。但由于工程机械工作环境恶劣、工况复杂多变，工业变频器及纯电动汽车电机驱动器无法直接移植到工程机械上。因此，根据工程机械的工况特点开展电机控制系统的研究对纯电驱动工程机械的发展具有深远意义。关键词：纯电驱动工程；机械主驱；电机控制系统随着日益严峻的环境恶化及能源危机，节能减排和绿色环保的理念得到越来越多国家的认可和关注。2016年我国发布的“十三五”规划将做好绿色节能机械装备作为技术攻关重点，2019年政府报告更是明确指出“生态环境进一步改善，单位国内生产总值能耗下降3%左右，主要污染物排放量继续下降”。国家对于排放的严格要求以及节能环保的引导为新能源行业的崛起创造了条件。1纯电驱动工程机械发展现状由于工程机械涵盖范围较广，除了行走工程机械外，还包括矿山、起重等行业，工作特点不尽相同。本文主要针对行走工程机械（挖掘机、叉车等）的发展状况进行阐述。近年来，国内外高校、企业均对纯电驱动工程机械展开了较多地研究和开发。国外高校方面，芬兰Lappeenranta理工大学的Minav等针对电动叉车的机械臂势能回收进行了相关研究，对各个能量转换环节进行建模分析，对比不同电机类型及功率对能量回收效率的影响，通过不同功率等级的感应电机结合储能单元进行试验，该试验方案可实现66%的能量回收效率。丹麦Aalborg大学Andersen等提出了一种蓄电池-电机-液压泵的叉车动力系统，试验表明该方案能量回收效率可达40%左右。国内高校方面，同济大学对纯电动叉车的势能回收开展了相关研究。采用阀组控制使液压泵可作为液压马达使用，在机械臂下降时通过液压马达带动电机发电并将回收的能量存储到叉车电源中，最终回收效率可达20%；华侨大学黄伟平等对纯电动工程机械自动怠速系统展开了相关研究，提出了一种新型的自动怠速方法。该方法通过对液压泵及蓄能器的参数优化设计，以保证系统的操控性、节能性以及取消自动怠速时的快速恢复能力为目标，试验结果表明该系统节能效率可达67%。2电动工程机械电机控制策略及仿真研究2.1永磁同步电机矢量控制策略经过将近50年的发展，矢量控制技术日趋成熟并与其他控制方法相结合，衍生出多种高性能控制方法，逐渐成为永磁同步电机驱动的首选方案。随着现代控制理论及智能控制等方法的发展，国内外学者对矢量控制策略展开了大量的研究，矢量控制的发展方向得到了一定的拓展。目前针对矢量控制调节器的设计方法主要有以下几种：（1）PI控制。PI控制因其结构简单、易于控制和可靠性高而广泛应用于工业领域。通过PI控制可改善系统的响应及稳定性，但PI控制通常需要获取系统的相关参数，想要获得较优的控制性能往往需要对模型参数准确的估算。（2）滑模变结构控制滑模变结构控制是一种不连续的控制方法。系统按照设定好的轨迹做小幅、高频运动，具有类似开关量的特性。滑模系统的优点在于滑动模态的设计不受系统参数及外部的扰动影响，具有较好的鲁棒性，抗干扰能力强。（3）模糊控制。模糊控制方法不需要控制对象精确的数学模型，通过模糊推理实现对不确定性对象的有效控制。对于数学模型复杂的永磁同步电机而言，模糊控制最大的优势在于不需要系统模型的参数参与控制。但模糊控制系统难以消除动态误差，很难达到较高的控制精度。2.2控制系统调节器设计

基于滑模转速观测的闭环矢量控制系统采用滑模变结构控制替代转速PI调节器，以提高转速的鲁棒性及抗干扰能力。电流环采用PI调节进行控制，根据电流控制的性能要求，将电流环校正为I型系统，提高电流的响应速度。闭环控制系统一般按照先内环再外环的原则对调节器按要求进行设计。采用滑模变结构控制时电机的转速具有较好的鲁棒特性，由于转速在建立的过程中较为平稳，对液压系统造成的冲击较小，在液压系统负载变化过程中转速能够实现基本无稳态误差，实现较好的操控性能。采用PI控制时，外部负载增大会导致电机转速稳态误差增大，液压系统无法达到目标流量，使执行器的速度减慢，影响系统的操作性。3控制系统硬件电路设计图1为工程机械专用电机控制器的整体驱动方案。电机控制器采用锂电池供电，电池与电机控制器之间通过预充控制器来限制控制器的启动电流，最终通过电机控制器控制电机带动液压泵驱动液压负载。其中BMS、四合一电源、整车控制器、显示屏以及电机控制器等单元通过CAN总线进行通讯，电机运行指令由整车控制器根据驾驶员的意图决策后发送到总线中。图1工程机械主驱电机控制系统整体驱动方案根据电机控制器的驱动要求，在功率主回路部分与传统变频器较大的区别在于工程机械为了满足灵活移动与操作的目的，采用电池供电而非传统的整流系统。控制系统硬件电路采用TMS320F28335作为控制系统的核心，总体方案如图2。矢量控制系统需要对电流、转速及直流母线电压等进行采集和反馈来实现闭环控制，并通过DSP的PWM模块完成SVPWM算法，驱动IGBT带动电机运行。同时系统需要对相关液压参数进行采集与监测，主要包括：泵出口压力、流量、先导阀压力、蓄能器压力等，也可通过DSP驱动相关的液压元件。为了完成与整机其他部件之间的通讯，控制系统设计了CAN总线及串口通讯两种方式。整机各器件之间多采用CAN通讯来完成指令及故障的发送与接收，串口通讯可作为调试使用。故障监测与保护模块可以在必要时封锁PWM信号，防止功率回路发生短路过流等故障。图2控制系统硬件电路总体方案IGBT一后弟涪:液压元件所压手散史.电.宜心*泛中；注新二图2控制系统硬件电路总体方案IGBT一后弟涪:液压元件所压手散史.电.宜心*泛中；注新二通上土:寿玳|申仃规由于DSP的各引脚驱动能力有限，因此需要对DSP进行外围电路的设计。电流及直流母线电压等参数可通过ADC采集模块采集，TMS320F28335中ADC模块的采集电压能力为0-3.3V，因此需要根据传感器的输出类型进行相应的信号处理，将传感器的输出信号调整到ADC的电压承受范围内转速采集为转速闭环的重要环节，转速信号多为旋变或编码脉冲输出。脉冲型信号的处理一般采用光耦隔离驱动，通过光耦隔离去除信号中的高频干扰，并将其调定为系统要求的电压水平输出。液压元件的驱动通常需要较大的驱动功率，DSP的通用I/O口驱动功率无法满足要求，可采用光耦驱动三极管和继电器的方式实现功率放大。经过功率放大后，可通过DSP的通用I/O口控制液压系统中的电磁换向阀等元器件。4结束语传统工程机械存在高能耗、高排放的问题，在节能减排及绿色环保的市场发展环境下，纯电驱动成了工程机械发展的新方向。由于纯电驱动工程机械行业处于刚起步的状态，相关器件配套设施不够完善。当前，电机控制器等部件多是从工业领域或纯电动汽车行业简单改装后移植而来，并不能很好地适应工程机械的负载特性。纯电驱动工程机械以节能环保、低噪声、零排放等优点成为工程机械行业发展的新趋势，但由于纯电驱动工程机械处于刚起步的阶段，目前针对工程机械电机控制器开展的研究较少。纯电驱动工程机械电机控制器又是一个复杂的控制系统，硬件的开发调试周期较长，软件部分需要配合工程机械的工况特点进行设计，因此整体的工作量较大。参考文献陈燎,丁猛,盘朝奉.BP模糊神经网络纯电动汽车电机控制[J].河南科技大学学报(自然科学版)，2016,37(04):32-35.杨瑞锋.基于模糊神经网络的无刷直流