CN103061371A - 一种工程机械控制方法、系统及挖掘机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种工程机械控制方法、系统及挖掘机，属于旋转机械技术领域。包括以下步骤，采集工程机械操作装置的操作量并生成对应的目标机械转速信号；生成目标电磁转速信号；根据目标机械转速信号判断电动旋转工作装置的负载转矩方向；判断操作量是否低于一预设操作量，若是则生成第一判定信号，计算目标电磁转速值并判断目标电磁转速值是否低于一预设电磁转速值，若是则生成第二判定信号。本发明通过操作体的操作量生成希望的机械转速，得到希望的电磁转速，并与当前的电磁转速对比判断是否进行控制方法的变更，输出新的电磁转速，使输出的电磁转速生成的电磁力矩足以克服负载转矩，使得电动旋转装置能够在斜坡实现驻留。

Description

一种工程机械控制方法、系统及挖掘机

技术领域

本发明涉及旋转机械技术领域，特别涉及一种工程机械控制方法、系统及挖掘机。

背景技术

随着由液压驱动工作装置或行走装置作业的混合动力装置的发展，，由电动机驱动上平台旋转的混合式工程机械得到了越来越广泛地应用，例如挖掘机和旋挖钻机。

在电动旋转作业中，由于上平台旋转依靠电力驱动，所以即使液压驱动工作装置作业同时进行上平台旋转作业时，上平台的旋转动作不会受到其它工作装置作业的影响，同时在进行旋转制动作业时，电驱动可以回收上平台旋转的势能，作为下次驱动的能量源。因此，相对于液压驱动旋转体旋转，采用电动驱动旋转不仅能够减小控制阀等的浪费，还能回收上平台的动能，从而能效良好。

可是，在上述的感应电机驱动旋转机械中，保持工作装置在斜坡“驻留”是很困难的，因为旋转机械在工作装置受到重力的作用下，势必会带动上车朝势能减小的方向旋转，有可能滑溜运动到最下方的位置，甚至摆动。而异步电机只有在电磁转速与机械转速“异步”（气隙磁场切割转子绕组）时才会生成力矩，因此为了维持机械转速的“零”，电磁转速一定不能为“零”，这时生成的电磁转矩要去平衡负载转矩，使上车维持静止。理论上，根据转速大小，调整电磁转速，“零频”制动是可以实现的，但实际控制中并非如此，图6为转速闭环斜坡制动曲线，为了使机械转速为“零”，控制器不断调节电磁频率时，并不能使机械转速为“零”，主要原因：电磁转速在0转上下波动，励磁电压随之波动，导致转子感应电流方向交变，那么根据公式：

ψ_r=L_m*I_sm/T_r*p+1

其中，转子磁链ψ_r滞后转子电流I_sm时间常数T_r，因此在转子电流交变的过程中，转子磁链ψ_r幅值减小方向交变，导致电机输出力矩减小，同时电磁频率在“零”附近电机力矩进一步降低,进而不能维持机械转速为“零”。

发明内容

为了解决目前电动旋转装置不能在斜坡驻留的问题，现提供了一种电动旋转装置斜坡驻留的控制方法及工程机械。具体技术方案如下：

一种工程机械控制方法，所述工程机械包括电动旋转工作装置及驱动所述电动旋转工作装置的回转电机，包括以下步骤，

S1:采集工程机械操作装置的操作量并生成对应的目标机械转速信号；

S2:从所述回转电机采集所述电动旋转工作装置的当前机械转速信号并计算需达到所述目标机械转速值的电磁转差值，依据所述当前机械转速信号计算当前机械转速值，结合所述电磁转差值及当前机械转速值计算对应所述目标机械转速值的目标电磁转速值，据以生成目标电磁转速信号；

S3:根据所述目标机械转速信号判断所述电动旋转工作装置的负载转矩方向；

S4:判断所述操作量是否低于一预设操作量，若是则生成第一判定信号，而且根据目标电磁转速信号计算目标电磁转速值并判断所述目标电磁转速值是否低于一预设电磁转速值，若是则生成第二判定信号；

S5:在所述第一判定信号及第二判定信号均生成时，输出一预存电磁转速信号以控制所述电动旋转工作装置，所述预存电磁转速信号的转矩方向与所述负载转矩方向相反。

S6：步骤S4中任一个的判断结果若为否时，则输出所述目标电磁转速信号以控制所述电动旋转工作装置。

进一步的，还包括在计算所述电磁转差值后，设定并存储对应的极限转差值，并根据所述电动旋转工作装置当前转速信号实时修正所述极限转差值，以及将通过所述极限转差值限幅后的电磁转差和采集的回转电机速度生成目标电磁转速信号的步骤。

进一步的，还包括根据所述预存电磁转速信号、目标电磁转速信号生成指令至所述回转电机以控制所述电动旋转工作装置的步骤。

一种工程机械控制系统，所述工程机械控制系统包括电动旋转工作装置及及驱动所述电动旋转工作装置的回转电机，其中 ，包括：

目标转速生成机构，用于采集工程机械操作装置的操作量并生成对应的目标机械转速信号；

目标速度判定机构，用于从所述回转电机采集所述电动旋转工作装置的当前转速信号；

目标转速控制机构，用于根据当前转速信号来计算需达到所述目标机械转速值的对应电磁转差值。

电磁转速生成机构，用于根据所述当前机械转速信号计算当前机械转速值，并结合所述电磁转差值、及当前机械转速值以计算对应所述目标机械转速值的目标电磁转速值，据以生成目标电磁转速信号；

机械转速方向判断机构，用于根据所述目标机械转速信号判断所述电动旋转工作装置的负载转矩方向；

控制方法变更机构，用于判断所述操作量是否低于一预设操作量，若是则生成第一判定信号，以及用于根据目标电磁转速信号计算目标电磁转速值并判断所述目标电磁转速值是否低于一预设电磁转速值，若是则生成第二判定信号，在所述第一判定信号及第二判定信号均生成时，输出一预存电磁转速信号以控制所述电动旋转工作装置，所述预存电磁转速信号的转矩方向与所述负载转矩方向相反；若其中任一判断结果为否时，则输出目标电磁转速信号以控制所述电动旋转工作装置。

优选的，还包括：数据存储机构，用于设定并存储对应所述电磁转差值的极限转差值；

转差动态修正机构，用于根据所述电动旋转工作装置当前转速信号实时修正所述极限转差值；

转差限幅机构，用于通过所述极限转差值限幅后的电磁转差值送至所述电磁转速生成机构以计算生成目标电磁转速信号。

优选的，还包括控制指令生成机构，用于根据所述预存电磁转速信号、目标电磁转速信号生成指令至所述回转电机以控制所述电动旋转工作装置的步骤。

优选的，还包括电磁转速数据存储器，用于存储对应所述负载转矩方向个数的转矩方向相反的预存电磁转速信号。

一种挖掘机，包括：

发动机；

驱动电机，同轴连接所述发动机，还连接有一用于提供控制指令的驱动控制器；

液压泵，所述驱动电机同轴连接，用于为所连接的电动旋转工作装置提供液压动力；

回转控制器，与所述驱动控制器相连并连接有回转电机，所述回转控制器与驱动控制器之间接入有电力蓄能装置，用于为所述驱动控制器、驱动电机和回转控制器、回转电机提供能量并积蓄驱动电机、回转电机发出的电能；转速传感器连接所述回转控制器及回转电机，用于侦测转速信号；所述回转控制器还搭载有如权利要求4所述的工程机械控制系统。

优选的，所述回转控制器及驱动控制器为逆变器。

与现有技术相比，上述技术方案提供的工程机械控制方法、系统及挖掘机具有以下优点：通过操作体的操作量生成希望的机械转速，得到希望的电磁转速，并与当前的电磁转速对比判断是否进行控制方法的变更，输出新的电磁转速，使输出的电磁转速生成的电磁力矩足以克服负载转矩，使得电动旋转装置能够在斜坡实现驻留。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例中提供的电动旋转装置整机构成图；

图2是本发明实施例中提供的斜坡驻留的控制方法的控制框图；

图3是本发明实施例中提供的控制方法变更的控制框图；

图4是本发明实施例中提供的斜坡驻留的控制方法的流程图；

图5是未实施本发明实施例中提供的控制方法电动旋转装置在斜坡旋转转速图；

图6是实施本发明实施例中提供的控制方法后电动旋转装置在斜坡旋转转速图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。

本发明实施例提供了一种工程机械控制方法，工程机械包括电动旋转工作装置及驱动电动旋转工作装置的回转电机，包括以下步骤，

S1:采集工程机械操作装置的操作量并生成对应的目标机械转速信号；

S2:从所述回转电机采集所述电动旋转工作装置的当前机械转速信号并计算需达到所述目标机械转速值的电磁转差值，依据所述当前机械转速信号计算当前机械转速值，结合所述电磁转差值及当前机械转速值计算对应所述目标机械转速值的目标电磁转速值，据以生成目标电磁转速信号；

S3:根据所述目标机械转速信号判断所述电动旋转工作装置的负载转矩方向；

S4:判断所述操作量是否低于一预设操作量，若是则生成第一判定信号，而且根据目标电磁转速信号计算目标电磁转速值并判断所述目标电磁转速值是否低于一预设电磁转速值，若是则生成第二判定信号；

S5:在所述第一判定信号及第二判定信号均生成时，输出一预存电磁转速信号以控制所述电动旋转工作装置，所述预存电磁转速信号的转矩方向与所述负载转矩方向相反。

S6：步骤S4中任一个的判断结果若为否时，则输出所述目标电磁转速信号以控制所述电动旋转工作装置。

进一步的，还包括在计算所述电磁转差值后，设定并存储对应的极限转差值，并根据所述电动旋转工作装置当前转速信号实时修正所述极限转差值，以及将通过所述极限转差值限幅后的电磁转差和采集的回转电机速度生成目标电磁转速信号的步骤。

进一步的，还包括根据所述预存电磁转速信号、目标电磁转速信号生成指令至所述回转电机以控制所述电动旋转工作装置的步骤。

本发明实施例还公开了一种工程机械控制系统，工程机械控制系统包括电动旋转工作装置及及驱动所述电动旋转工作装置的回转电机，其中 ，包括：

目标转速生成机构，用于采集工程机械操作装置的操作量并生成对应的目标机械转速信号；

目标速度判定机构，用于从回转电机采集所述电动旋转工作装置的当前转速信号；

目标转速控制机构，用于根据当前转速信号来计算需达到所述目标机械转速值的对应电磁转差值。

电磁转速生成机构，用于根据当前机械转速信号计算当前机械转速值，并结合所述电磁转差值、及当前机械转速值以计算对应所述目标机械转速值的目标电磁转速值，据以生成目标电磁转速信号；

机械转速方向判断机构，用于根据目标机械转速信号判断所述电动旋转工作装置的负载转矩方向；

控制方法变更机构，用于判断所述操作量是否低于一预设操作量，若是则生成第一判定信号，以及用于根据目标电磁转速信号计算目标电磁转速值并判断所述目标电磁转速值是否低于一预设电磁转速值，若是则生成第二判定信号，在所述第一判定信号及第二判定信号均生成时，输出一预存电磁转速信号以控制所述电动旋转工作装置，所述预存电磁转速信号的转矩方向与所述负载转矩方向相反；若其中任一判断结果为否时，则输出目标电磁转速信号以控制所述电动旋转工作装置。

优选的，还包括：

数据存储机构，用于设定并存储对应所述电磁转差值的极限转差值；

转差动态修正机构，用于根据所述电动旋转工作装置当前转速信号实时修正所述极限转差值；

转差限幅机构，用于通过所述极限转差值限幅后的电磁转差值送至所述电磁转速生成机构以计算生成目标电磁转速信号。

优选的，还包括控制指令生成机构，用于根据所述预存电磁转速信号、目标电磁转速信号生成指令至所述回转电机以控制所述电动旋转工作装置的步骤。

优选的，还包括电磁转速数据存储器，用于存储对应所述负载转矩方向个数的转矩方向相反的预存电磁转速信号。

一种挖掘机，包括：

发动机；

驱动电机，同轴连接所述发动机，还连接有一用于提供控制指令的驱动控制器；

液压泵，所述驱动电机同轴连接，用于为所连接的电动旋转工作装置提供液压动力；

回转控制器，与所述驱动控制器相连并连接有回转电机，所述回转控制器与驱动控制器之间接入有电力蓄能装置，用于为所述驱动控制器、驱动电机和回转控制器、回转电机提供能量并积蓄驱动电机、回转电机发出的电能；转速传感器连接所述回转控制器及回转电机，用于侦测转速信号；所述回转控制器还搭载有如权利要求4所述的工程机械控制系统。

优选的，所述回转控制器及驱动控制器为逆变器。

如图1所示，为一种混合动力建筑机械（液压挖掘机）的电动旋转装置整机的主要部分结构图，该混合动力机械主要包括发动机201、泵203、驱动电机202、驱动逆变器204、回转电机206、回转逆变器205、超级电容207、转速传感器208、回转机构209、工作装置（动臂、斗杆、铲斗）和行走装置（左行走、右行走）210。发动机201、泵203、驱动电机202同轴连接，回转电机206与回转机构209机械连接。液压泵203通过配管分别与各个工作装置和行走装置连接，为工作装置和行走装置工作提供液压动力。驱动逆变器204为驱动电机202工作提供控制指令；回转逆变器205为回转电机206工作提供控制指令。回转电机带动回转机构转动，从而使液压挖掘机上部平台转动。超级电容207为驱动逆变器204、驱动电机202和回转逆变器205、回转电机206提供能量，使之电动工作；同时，对驱动电机202、回转电机206发出的电能进行积蓄。转速传感器208将采集的回转电机转速信息反馈给回转逆变器205。

如图2所示，下面对液压挖掘机的回转逆变器205控制结构简单进行说明。

逆变器205控制系统包括：根据操作量的大小生成希望的机械转速的目标转速生成机构301，根据偏差计算需要实现目标转速的电磁转差的目标转速控制机构302，用于限制转差极值的转差限幅机构303，用于实时采集回转电机的速度的目标速度判定机构304，用于生成控制用的电磁转速的电磁转速生成机构305，用于实时修正转差限幅极值的转差动态修正机构306，用于存储电磁转速所对应的极限转差的数据存储机构307，用于实现对控制算法的判断的控制方法变更机构308，用于进行感应电机的控制指令的生成和输出的控制指令生成机构309。

根据手柄310操作量生成希望机械转速，经目标判定机构304采集回转电机转速，由希望的机械转速和回转电机转速通过目标转速控制机构302生成电磁转差，经转差限幅机构303对电磁转差的极值限制处理，再根据处理后的电磁转差和采集的回转电机速度由电磁转速生成机构305生成为达到希望转速所需要的电磁转速，控制方法变更机构309根据电磁转速生成机构305在手柄310操作量之间输出的电磁转速和手柄310操作后生成的希望的电磁转速判断是否进行控制方法的变更。如果之前的电磁转速小于希望的电磁转速，则控制方法的变更，否则，控制方法不变更。机械若需要变更则输出变更后的电磁转速，若不需要变更则输出电磁转速生成机构305输入的电磁转速。

如图3所示，控制方法变更机构308判断是否需要进行控制方法的变更，若不需要控制方法变更则控制指令生成机构308接受电磁转速生成机构305计算电磁转速，并将此转速送入控制指令生成机构309驱动电机旋转；若需要控制方法变更，则需要通过机械转速方向判断机构402识别负载和电磁转速的方向，并调用预存在电磁转速数据存储机构401内需要变更的电磁转速，在新电磁转速生成机构403内生成新的电磁转速，并新生成的电磁转速送入控制指令生成机构309并驱动电机旋转。

其中，负载方向为机械转速的方向，即旋转结构旋转转速的方向；电磁转速方向为机械转速的反方向。关于负载方向的判断和电磁转矩方向的判断，结合图4进行说明如下，负载转矩的方向是使旋转机构势能减小的方向，它必然驱动旋转结构旋转，通过对旋转转速方向的判断就可以知道负载转矩的方向，因此在501内对机械转速的方向进行判断。在进行控制方法的切换点的判断上利用的是手柄301操作后的希望电磁转速和操作前的电磁转速大小进行判断的，此方法不唯一可以根据实际情况切换。在需要进行斜坡制动控制策略时，电磁转速的方向始终保持与机械转速反方向，来实现电磁转矩与负载转矩相平衡。电磁转速的大小根据实际情况确定，但是需确保电磁转速所能生成的电磁转矩足以客服负载转矩。

具体效果参见图5，701是采用该本发明的方法后电磁转速的曲线，702是采用本发明方法后的旋转转速曲线。图6中601是没有实施该方法时电磁转速的曲线，602是没有采用此方法时旋转转速曲线。

（1）.通过对曲线701和曲线601对比可知：在实施本方法后电磁转速较曲线601有较大的跃变这样提高了电机输出转矩。

（2）.通过对曲线702和曲线602对比可知：在实施本方法后旋转转速为“零”而没有实施本方案时旋转转速不为零，因此在实施本方案后实现了旋转装置斜坡驻留。

本发明实施例公开的工程机械控制方法、系统及挖掘机通过对控制方法是否切换进行判断，在不需变更控制方法时输出当前的电磁转速；当需要变更控制方法时，对机械转速方向进行判断，并生成新的电磁转速，进而驱动回转电机旋转。由于电磁转速始终保持与机械转速反相，因此电磁转矩始终克服负载转矩来维持旋转机构的静止状态，而实现电动旋转机构在斜坡驻留。本发明不仅适用于搭载有工作装置，而且适用于感应电机驱动旋转体旋转动作的工程机械。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种工程机械控制方法，所述工程机械包括电动旋转工作装置及驱动所述电动旋转工作装置的回转电机，其特征在于，包括以下步骤，

S1:采集工程机械操作装置的操作量并生成对应的目标机械转速信号；

S2:从所述回转电机采集所述电动旋转工作装置的当前机械转速信号并计算需达到所述目标机械转速值的电磁转差值，依据所述当前机械转速信号计算当前机械转速值，结合所述电磁转差值及当前机械转速值计算对应所述目标机械转速值的目标电磁转速值，据以生成目标电磁转速信号；

S3:根据所述目标机械转速信号判断所述电动旋转工作装置的负载转矩方向；

S4:判断所述操作量是否低于一预设操作量，若是则生成第一判定信号，而且根据目标电磁转速信号计算目标电磁转速值并判断所述目标电磁转速值是否低于一预设电磁转速值，若是则生成第二判定信号；

S5:在所述第一判定信号及第二判定信号均生成时，输出一预存电磁转速信号以控制所述电动旋转工作装置，所述预存电磁转速信号的转矩方向与所述负载转矩方向相反。

S6：步骤S4中任一个的判断结果若为否时，则输出所述目标电磁转速信号以控制所述电动旋转工作装置。

2.根据权利要求1所述的工程机械控制方法，其特征在于，还包括在计算所述电磁转差值后，设定并存储对应的极限转差值，并根据所述电动旋转工作装置当前转速信号实时修正所述极限转差值，以及将通过所述极限转差值限幅后的电磁转差和采集的回转电机速度生成目标电磁转速信号的步骤。

3.根据权利要求1所述的工程机械控制方法，其特征在于，还包括根据所述预存电磁转速信号、目标电磁转速信号生成指令至所述回转电机以控制所述电动旋转工作装置的步骤。

4.一种工程机械控制系统，所述工程机械控制系统包括电动旋转工作装置及及驱动所述电动旋转工作装置的回转电机，其特征在于 ，包括：

目标转速生成机构，用于采集工程机械操作装置的操作量并生成对应的目标机械转速信号；

目标速度判定机构，用于从所述回转电机采集所述电动旋转工作装置的当前转速信号；

目标转速控制机构，用于根据当前转速信号来计算需达到所述目标机械转速值的对应电磁转差值。

电磁转速生成机构，用于根据所述当前机械转速信号计算当前机械转速值，并结合所述电磁转差值、及当前机械转速值以计算对应所述目标机械转速值的目标电磁转速值，据以生成目标电磁转速信号；

机械转速方向判断机构，用于根据所述目标机械转速信号判断所述电动旋转工作装置的负载转矩方向；

控制方法变更机构，用于判断所述操作量是否低于一预设操作量，若是则生成第一判定信号，以及用于根据目标电磁转速信号计算目标电磁转速值并判断所述目标电磁转速值是否低于一预设电磁转速值，若是则生成第二判定信号，在所述第一判定信号及第二判定信号均生成时，输出一预存电磁转速信号以控制所述电动旋转工作装置，所述预存电磁转速信号的转矩方向与所述负载转矩方向相反；若其中任一判断结果为否时，则输出目标电磁转速信号以控制所述电动旋转工作装置。

5.根据权利要求4所述的工程机械控制系统，其特征在于，还包括：

数据存储机构，用于设定并存储对应所述电磁转差值的极限转差值；

转差动态修正机构，用于根据所述电动旋转工作装置当前转速信号实时修正所述极限转差值；

转差限幅机构，用于通过所述极限转差值限幅后的电磁转差值送至所述电磁转速生成机构以计算生成目标电磁转速信号。

6.根据权利要求4所述的工程机械控制系统，其特征在于，还包括控制指令生成机构，用于根据所述预存电磁转速信号、目标电磁转速信号生成指令至所述回转电机以控制所述电动旋转工作装置的步骤。

7.根据权利要求4所述的工程机械控制系统，其特征在于，还包括电磁转速数据存储器，用于存储对应所述负载转矩方向个数的转矩方向相反的预存电磁转速信号。

8.一种挖掘机，其特征在于，包括：

发动机；

驱动电机，同轴连接所述发动机，还连接有一用于提供控制指令的驱动控制器；

液压泵，所述驱动电机同轴连接，用于为所连接的电动旋转工作装置提供液压动力；

回转控制器，与所述驱动控制器相连并连接有回转电机，所述回转控制器与驱动控制器之间接入有电力蓄能装置，用于为所述驱动控制器、驱动电机和回转控制器、回转电机提供能量并积蓄驱动电机、回转电机发出的电能；转速传感器连接所述回转控制器及回转电机，用于侦测转速信号；所述回转控制器还搭载有如权利要求4所述的工程机械控制系统。

9.根据权利要求8所述的挖掘机，其特征在于，所述回转控制器及驱动控制器为逆变器。

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