CN101906796B - 一种并联式混合动力液压挖掘机的主动控制策略 - Google Patents

一种并联式混合动力液压挖掘机的主动控制策略 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种并联式混合动力液压挖掘机的主动控制策略。该主动混合动力控制策略是采集液压系统对实际工况的反馈信号，通过对液压泵所需功率进行预先优化计算，并结合发动机的当前目标转速、超级电容当前电能，综合计算出主驱动电机的发电/电动工况，发电/电动的功率大小和时间，以及计算控制发动机工作到下一功率输出点，并下发液压泵排量比例电磁阀控制量命令。优点是动力匹配及时，挖掘机工作动作反应敏捷，工作性能稳定，并对发动机的控制更加灵活，更省油。

Description

一种并联式混合动力液压挖掘机的主动控制策略
技术领域
本发明涉及一种并联式混合动力液压挖掘机的主动控制策略。
背景技术
并联式混合动力液压挖掘机的动力混合由主驱动电机、发动机、液压泵组成。当液压泵所需要的功率小于发动机的输出功率时，主驱动电机处于发电机状态，将多余的能量转换成电能存储到超级电容内，当液压泵所需要的功率大于发动机的输出功率时，主驱动电机处于电动机状态，与发动机一起提供液压泵的功率。目前，对混合动力液压挖掘机的控制策略有单工作点控制、双工作点控制、基于SOC来判断决策工作点切换的控制等，这些控制策略统称为被动控制策略，即不提前预判驾驶员的操作所对应液压系统动作所需功率，以及采集液压系统对实际工况的反馈信号。这些混合动力液压挖掘机的被动控制策略在实际应用中会造成动力匹配落后于实际功率需求，性能不稳定，挖掘机工作动作滞后。基于改善被动混合动力控制策略的种种缺陷，发明了该主动混合动力控制策略。
发明内容
本发明的目的是提供给并联式混合动力挖掘机的一种主动混合动力控制策略，能实现动力匹配及时，挖掘机工作动作反应敏捷，工作性能稳定，并对发动机的控制更加灵活，更省油。
该主动混合动力控制策略是基于提前预判驾驶员的操作所对应液压系统动作所需功率，以及对采集液压系统对实际工况的反馈信号的闭环控制，通过对液压泵所需功率进行预先优化计算，并结合发动机的当前目标转速、超级电容当前电能，综合计算出主驱动电机的发电/电动工况，发电/电动的功率大小和时间，以及计算控制发动机工作到下一功率输出点，并下发液压泵排量比例电磁阀控制量命令。
该主动混合动力控制策略的主要实现方式如下：
主动混合动力控制策略的输入、输出及控制组件的连接和信号传输方向详见附图1。主动动力混合控制器采集左/右手柄、左/右踏板传来的信号以及超级电容、液压泵压力传感器传来的反馈信号，通过对液压泵所需功率进行预先优化计算，并结合发动机的当前目标转速、超级电容当前电能，经综合计算后，将信号传给主驱动电机、发动机、液压泵，主驱动电机将反馈信号经超级电容传给主动动力混合控制器，液压泵将反馈信号经液压泵压力传感器传给主动动力混合控制器。
传统液压挖掘机的一个工作周期是：放动臂-放斗杆-放产斗-挖土-收产斗-收斗杆-收动臂-回转-放土-再回转，循环下一个工作周期。不同工况，不同的操作员对应工作周期中不同动作所花时间也不相同。工作周期中各动作所对应的液压泵输出功率通过对传统液压挖掘机加装压力和流量传感器器实测获得。
主动混合动力控制策略的预先优化计算数学模型是基于这些实测数据而建立的，具体如下：
1、通过左手柄前后方向操作采集斗杆的收放信号，通过右手柄前后方向操作采集动臂的收放信号，通过右手柄左右方向操作采集产斗的收放信号，根据信号大小查询实测数据库中当前动作所对应的液压泵输出功率，采集液压泵压力反馈信号和超级电容电压信号，估算出整个工作周期的平均功率，计算出主驱动电机的发电/电动工况，发电/电动的功率大小和时间，以及计算控制发动机工作功率输出点，并下发液压泵排量比例电磁阀控制量命令；
2、液压泵的压力反馈信号与手柄信号大小对应的动作快慢相关联，如在某一手柄信号值时，压力反馈值大于实测数据，则设定的功率点偏小，需调大功率点，直至压力反馈值与实测数据大致相当时为止；
3、当一个工作周期完成后，将此工作周期的平均输出功率算出，存入FLASH中，并将最近3个工作周期的平均输出功率取平均值，来判断确定挖掘机当前处于什么工况，作为下一工作周期液压泵所需功率进行预先优化计算的工况。
主动控制策略流程图见附图3。
该主动混合动力控制策略的优点是动力匹配及时，挖掘机工作动作反应敏捷，工作性能稳定，并对发动机的控制更加灵活，更省油。
附图说明
图1是主动混合动力控制策略组成及连接框图。
图2是实测数据库结构表。
图3是主动混合动力控制策略工作流程图。
具体实施方式
主控制器通过CAN总线采集挖掘机的手柄和踏板的控制信号，根据预先建立的数学模型计算出液压泵的理论所需功率；同时，接收液压控制器传输来的液压泵排量和压力信号，计算出液压泵当前实际消耗功率，将这两个功率值进一步优化，得出主动混合动力控制策略的液压泵所需功率。
当液压泵所需功率大于发动机当前转速下的最大功率时，检测超级电容的电量，计算出能提供主驱动电机处于电动机状态下的功率与时间，匹配出发动机新的转速(升转速，升功率)，并控制发动机工作到新的功率点。
当液压泵所需功率小于发动机当前转速下的最大功率时，检测超级电容的电量，计算主驱动电机处于发电机状态下的功率与充满电时间，匹配出发动机新的转速(降转速，降功率)，并控制发动机工作到新的功率点。
主动混合动力控制策略工作过程如下：
1、主动动力混合控制器通过CAN总线接收左右手柄和左右踏板输出的控制信号，其中左手柄前后方向操作对应斗杆的收放信号，左手柄左右方向操作对应回转平台的左右回转信号，右手柄前后方向操作对应动臂的收放信号，右手柄左右方向操作对应产斗的收放信号，左右踏板的操作分别对应挖掘机的前进、后退和转向。
2、主动动力混合控制器根据这些信号大小和读取的工况信息(工况信息是将最近3个工作周期的平均输出功率取平均值来判断确定挖掘机当前处于什么工况，并存入FLASH中)，在实测数据库中查询当前动作所需的功率值，结合超级电容的电压值(Usoc)和当前工况的平均功率值(PT)，综合运算出主驱动电机功率(PD)，发动机功率(PF)，液压泵功率(PY)。
当Usoc＜(UMAX-UMIN)*80％+UMIN
PF＝PT+P(Usoc)
PY＝Pt
PD＝PY-PF
当Usoc＞＝(UMAX-UMIN)*80％+UMIN
PF＝PT
PY＝Pt
PD＝PY-PF
式中P(Usoc)表示Usoc对应的超级电容功率，主驱动电机功率PD为正数表示主驱动电机工作在电动工况，主驱动电机功率PD为负数表示主驱动电机工作在发电工况。
3、主动动力混合控制器将综合运算出主驱动电机功率(PD)，发动机功率(PF)，液压泵功率(PY)分别传输给电机驱动器、发动机ECU和液压泵排量比例电磁阀，控制主驱动电机，发动机，液压泵工作在相对应的功率。
4、主动动力混合控制器采集液压泵压力反馈信号，在不同挖掘机工况下手柄信号大小对应的液压泵压力反馈信号不同，如果在某一手柄信号值时，压力反馈值与实测数据库中对应值不同，则在实测数据库中查询此手柄信号值在所有工况下的压力反馈实测数，匹配出与之相当的数据对应的工况(平均功率)，根据新的平均功率重新算出主驱动电机功率(PD)，发动机功率(PF)，液压泵功率(PY)。

Claims (2)

1.一种并联式混合动力液压挖掘机的主动控制策略，其特征在于主动动力混合控制器采集左右手柄、左右踏板传来的信号以及超级电容、液压泵压力传感器传来的反馈信号，通过对液压泵所需功率进行预先优化计算，并结合发动机的当前目标转速、超级电容当前电能，经综合计算后，将信号传给主驱动电机、发动机、液压泵，主驱动电机将反馈信号经超级电容传给主动动力混合控制器，液压泵将反馈信号经液压泵压力传感器传给主动动力混合控制器，主动混合动力控制策略工作过程如下：
(1)、主动动力混合控制器通过CAN总线接收左右手柄和左右踏板输出的控制信号，其中左手柄前后方向操作对应斗杆的收放信号，左手柄左右方向操作对应回转平台的左右回转信号，右手柄前后方向操作对应动臂的收放信号，右手柄左右方向操作对应产斗的收放信号，左右踏板的操作分别对应挖掘机的前进、后退和转向；
(2)、主动动力混合控制器根据这些信号大小和读取的工况信息，工况信息是将最近3个工作周期的平均输出功率取平均值来判断确定挖掘机当前处于什么工况，并存入FLASH中，在实测数据库中查询当前动作所需的功率值，结合超级电容的电压值(Usoc)和当前工况的平均功率值(PT)，综合运算出主驱动电机功率(PD)，发动机功率(PF)，液压泵功率(PY)；
当Usoc＜(UMAX-UMIN)*80％+UMIN
PF＝PT+P(Usoc)
PY＝Pt
PD＝PY-PF
当Usoc＞＝(UMAX-UMIN)*80％+UMIN
PF＝PT
PY＝Pt
PD＝PY-PF
式中P(Usoc)表示Usoc对应的超级电容功率，主驱动电机功率PD为正数表示主驱动电机工作在电动工况，主驱动电机功率PD为负数表示主驱动电机工作在发电工况；
(3)、主动动力混合控制器将综合运算出主驱动电机功率PD，发动机功率PF，液压泵功率PY分别传输给电机驱动器、发动机ECU和液压泵排量比例电磁阀，控制主驱动电机，发动机，液压泵工作在相对应的功率；
(4)、主动动力混合控制器采集液压泵压力反馈信号，在不同挖掘机工况下手柄信号大小对应的液压泵压力反馈信号不同，如果在某一手柄信号值时，压力反馈值与实测数据库中对应值不同，则在实测数据库中查询此手柄信号值在所有工况下的压力反馈实测数，匹配出与之相当的数据对应的工况，即平均功率，根据新的平均功率重新算出主驱动电机功率PD，发动机功率PF，液压泵功率PY。
2.根据权利要求1所述的一种并联式混合动力液压挖掘机的主动控制策略，其特征在于主动混合动力控制策略的预先优化计算数学模型是基于这些实测数据而建立的，具体如下：
(1)、通过左手柄前后方向操作采集斗杆的收放信号，通过右手柄前后方向操作采集动臂的收放信号，通过右手柄左右方向操作采集产斗的收放信号，根据信号大小查询实测数据库中当前动作所对应的液压泵输出功率，采集液压泵压力反馈信号和超级电容电压信号，估算出整个工作周期的平均功率，计算出主驱动电机的发电/电动工况，发电/电动的功率大小和时间，以及计算控制发动机工作功率输出点，并下发液压泵排量比例电磁阀控制量命令；
(2)、液压泵的压力反馈信号与手柄信号大小对应的动作快慢相关联，如在某一手柄信号值时，压力反馈值大于实测数据，则设定的功率点偏小，需调大功率点，直至压力反馈值与实测数据大致相当时为止；
(3)、当一个工作周期完成后，将此工作周期的平均输出功率算出，存入FLASH中，并将最近3个工作周期的平均输出功率取平均值，来判断确定挖掘机当前处于什么工况，作为下一工作周期液压泵所需功率进行预先优化计算的工况。
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