CN113404748A - 高效势能回收系统及其控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高效势能回收系统，包括油箱、液压油泵/马达、电机、电源组件、可控单(换)向阀、液压油缸、控制器，所述控制器一侧与电源组件电连接，所述控制器另一侧与电机电连接，所述电机与液压油泵/马达相连接，所述液压油泵/马达一侧与油箱连通，所述液压油泵/马达另一侧通过可控单(换)向阀与所述液压油缸连通；所述控制器通过控制电机来控制系统升降运动。本系统通过控制器直接控制电机实现系统的升降运动，同时能够在符合条件的下降过程中进行势能回收，在不需要平衡压力的情况下也可以避免速差的问题，降低了系统的成本，提高了势能回收的效率而且提高了设备的实用性能。

Description

高效势能回收系统及其控制方法
技术领域
本发明属于机械设备技术领域，涉及能量回收系统，尤其是涉及高效势能回收系统及其控制方法。
背景技术
机械设备中工业车辆(叉车)、挖掘机、装载机、堆高机、高空作业平台等众多起升设备都会利用液压系统驱动其升降部件升降，这些设备都可以利用该液压系统回收升降部件的重力势能，并将该重力势能转换为电能进行储存。
专利号为201911373009.6的中国发明专利，公开了一种高效势能回收系统及其控制方法，包括油箱、第一电源、第一电机、马达、举升油缸和控制器，第一电源为蓄电池，第一电机能够在电动机模式与发电机模式之间转换，举升油缸用于带动升降部件升降；蓄电池与第一电机电连接，第一电机与马达相连接，马达的第一接口与举升油缸通过阀门组件连通，马达的第二接口与油箱连通；阀门组件与举升油缸之间安装有第一压力传感器，马达与阀门组件之间安装有第二压力传感器，第一压力传感器、第二压力传感器、阀门组件和第一电机均与控制器电连接。
上述技术方案通过第一压力传感器和第二压力传感器感测阀门组件上下两侧的压力差，在势能回收之前，需要通过控制，使得阀门组件上下两侧的压力达到一个平衡，以防止出现速差的问题(即阀门组件两侧油液压力相差太大造成的升降部件失速现象)，因此上述技术方案中的第一电机由停机状态切入发电机模式之前，需要先进入电动机模式，并等待一段时间，等到第一压力传感器和第二压力传感器的压力值相等时才能开始势能回收，工作效率有待提高，且设备结构和控制逻辑都相对复杂；并且平衡压力的过程需要消耗能量，这将影响能量回收效率。
此外，为了减小平衡压力过程所消耗的能量，该技术方案还提到一套替代/优选方案，通过增加第二电机、第二电源、泵(泵的排量小于马达的排量)和单向阀，来实现压力的平衡进而避免速差的产生，但是，排量变小意味着平衡压力的过程需要更长时间，而且设备结构将会进一步的复杂化，进而导致设备成本较高，实用性有待提高。
发明内容
本发明的目的是针对上述问题，提供一种高效势能回收系统及其控制方法，不仅结构简单而且克服了现有的技术偏见，通过控制器直接控制电机实现系统的升降运动，同时能够在符合条件的下降过程中进行势能回收，在不需要平衡压力的情况下也可以避免速差的问题，降低了系统的成本，提高了势能回收的效率而且提高了设备的实用性能。
为达到上述目的，本发明采用了下列技术方案：本系统包括油箱、液压油泵/马达、电机、电源组件、可控单(换)向阀、液压油缸、控制器，其特征在于，所述控制器一侧与电源组件电连接，所述控制器另一侧与电机电连接，所述电机与液压油泵/马达相连接，所述液压油泵/马达一侧与油箱连通，所述液压油泵/马达另一侧通过可控单(换)向阀与所述液压油缸连通；
所述电机能够在电动机和发电机模式之间切换；
所述液压油泵/马达能够在油泵和马达模式之间切换；
所述控制器通过控制电机正转运行或反转运行进而控制与液压油缸相连的升降部件作上升运动或者下降运动；
当所述的控制器控制电机转速为零或处于停机状态时，所述的升降部件为悬停状态。
作为优选，所述的控制器能够通过控制电机的正/反转动速度，进而控制升降部件上升运动或下降运动时的速度。
作为优选，所述控制器能够控制电机实现无级调速。
作为优选，所述电机可以3个象限的工况条件下运行：
在符合第1象限(转速n>0,转矩Te>0)或第3象限(转速n<0,转矩Te<0)的工况时，电机运行模式为电动机模式；
在符合第4象限(转速n<0,转矩Te>0)的工况时，电机运行模式为发电机模式；
其中n>0时，电机正转且升降部件向上运动；
其中n<0时，电机反转且升降部件向下运动。
作为优选，所述电机为永磁同步电机或永磁直流无刷电机或交流电机或直流有刷电机或开关磁阻电机。
作为优选，所述电机能够控制液压油泵/马达的运行模式；
当电机在第1象限的工况下运行时，所述的电机正转带动液压油泵/马达正转，液压油向上流通，此时电机为电动机模式，液压油泵/马达为油泵模式；
当电机在第3象限的工况下运行时，所述的电机反转带动液压油泵/马达反转，液压油向下流通，但由于此时转矩Te<0，此时电机仍为电动机模式，液压油泵/马达仍为油泵模式；
当电机在第4象限的工况下运行时，所述的电机反转带动液压油泵/马达反转，液压油向下流通，但由于此时转矩Te>0，此时电机为发电机模式，液压油泵/马达为马达模式。
作为优选，所述液压油泵/马达为柱塞泵或活塞泵或齿轮泵或叶片泵或螺杆泵。
作为优选，所述的可控单(换)向阀为电控单(换)向阀或液控单(换)向阀或电液单(换)向阀。
作为优选，所述电源组件还包括蓄电池，所述蓄电池通过控制器与所述电机电连接。
作为优选，所述电源组件还可以包括超级电容，所述超级电容一侧通过控制器与电机电连接，所述超级电容另一侧通过电源组件内部的电源管理单元与所述蓄电池电连接。
作为优选，还包括溢流阀，所述溢流阀一侧接口与可控单(换)向阀和液压油泵/马达之间的管路连通，所述溢流阀另一侧接口与所述油箱或者外部回收系统连通。
作为优选，还包括防爆阀，所述防爆阀设置于所述可控单(换)向阀和液压油缸之间。
作为优选，还包括人机界面，所述人机界面可以对控制器发送控制指令，控制指令包括升降部件的起升/悬停/下降指令、升降部件的升降速度指令。
作为优选，所述的人机界面包括操作手柄或者旋钮或者按键或者触摸屏。
本方案还包括高效势能回收系统的控制方法，包括以下步骤：
起升时：电源组件通过控制器对电机进行供电，根据人机界面给出的起升指令和速度指令，控制器控制电机按设定的转速正转运行，电机带动液压油泵/马达正转运行(n>0)，此时的电机需要输出正向转矩(Te>0)，在第1象限运行，即电动机模式，此时的液压油泵/马达正转运行，并工作在油泵模式，液压油推升使得液压油缸伸长并带动升降部件上升；
通过控制器的控制，可控单(换)向阀在整个起升过程都处于断电(关闭)状态，即液压油只能单向(向上)流通；上升到预定位置后，控制器控制电机进入停机状态或零速运行状态；
悬停时：通过控制器的控制，可控单(换)向阀继续处于断电(关闭)状态，可控单(换)向阀和液压油缸之间的液压油不会反向回流；电机和液压油泵/马达处于停机状态或零速运行状态，可控单(换)向阀与油箱之间的液压油不会反向回流；换言之，悬停过程中，液压油缸和油箱之间始终充满液压油；
下降时：根据人机界面给出的下降指令，控制器控制可控单(换)向阀通电打开，使得液压油能够通过可控单(换)向阀反向回流；同时，根据人机界面给出的下降指令和速度指令，控制器控制电机立刻动作，按设定的转速反转运行(n<0)；
当重载运行时(升降部件及货物的重力G大于管路阻力及其他等效阻力之和f)，电机需要输出正向转矩(Te>0)，此时电机工作在第4象限，即发电机模式；此时的液压油泵/马达反转运行，并工作在马达模式；电机成为发电机，对电源组件进行充电；
当轻载运行时(升降部件及货物的重力G小于管路阻力及其他等效阻力之和f)，电机需要输出反向转矩(Te<0)，此时电机工作在第3象限，即电动机模式；此时的液压油泵/马达反转运行，并工作在油泵模式。
作为优选，所述的控制器通过控制电机正转(或反转)运行来控制液压油泵/马达正转(或反转)，从而控制升降部件上升(或下降)；
所述的控制器通过控制电机的转速来控制液压油泵/马达的转速，从而控制液压油的排量/流量，进而控制升降部件的上升速度和/或下降速度。
与现有的技术相比，本发明的优点在于：
1.将现有技术所采用的阀门组件(多个阀组成)，替换为单个可控单(换)向阀，结构上更简单。此外，本系统通过控制器直接控制电机实现系统的升降运动，同时利用电机的工作特性能够在符合条件的下降过程中进行势能回收，不需要压力平衡的过程，就能避免“两侧油液压力相差大造成升降部件失速”现象(简称速差问题)，因此，也无需设置用于平衡压力的复杂配套结构，结构上更加简单，设备成本更低，便于推广；
2.对于效率而言，在势能回收过程中，不需要平衡压力的过程，可以直接打开可控单(换)向阀，然后就可以将液压油的势能进行回收，以电能的形式进行储存，设备能量回收效率更高；
3.现有技术在能量回收过程，采用操作手柄调节电机的扭矩(也叫电机转矩)，其隐含意义为能量回收过程，通过手动调节(或配置)电机扭矩来调节电机转速，手动配置的电机扭矩不会自动匹配负载转矩，因此容易出现速度不稳定乃至速度失控；而本发明采用速度闭环控制，因此在能量回收过程，电机转矩会自动跟随负载转矩的变化而变化，以便电机按设定的转速运行，换言之电机转速是可控的、可调的，没有速度失控风险，而且可以通过控制电机转速，让设备运行在能量转换效率最高的工作点(或区间)，进一步提高设备能量回收效率；
并且，本系统通过控制器来控制电机的转速，能够使得操作人员在控制重物稳定起降的情况下控制起降的速度，且速度控制可以无级调控，因此既可以提高系统的工作效率，又可以达到货物在升降过程中运行平稳的效果。
4.此外，通过设置超级电容，在起升过程或者下降过程中，放电电流或充电电流过大时，控制器会优先启动超级电容进行工作，避免蓄电池在过载的情况下进行工作，延长了蓄电池的使用寿命，而此类设备的成本构成中，蓄电池所占比重很大，延长蓄电池的使用寿命具有重大的经济效益。
附图说明
图1是本发明提供的一种高效势能回收系统的示意图。
图2永磁同步电机4象限运行的机械特性曲线。
图3永磁同步电机控制器原理图。
图4液压油的受力分析图
图中，油箱1、液压油泵/马达2、电机3、电源组件4、可控单(换)向阀5、液压油缸6、控制器7、蓄电池8、超级电容9、溢流阀10、人机界面11、防爆阀12。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明专利保护的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“向上”、“向下”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“连接”应做广义理解，例如，可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接连接，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明的描述中，需要说明的是，关于“液压油缸及升降部件下降时，当轻载运行时(升降部件及货物的重力G小于管路阻力及其他等效阻力之和f)，电机工作在第3象限”的描述，并不是指示或暗示本发明所描述的势能回收系统必须满足以下特征：在轻载运行(或空载运行)时，升降部件及货物的重力G小于管路阻力及其他等效阻力之和f。因此不能理解为对本发明的限制。
在本发明的具体实施方式的描述中，需要说明的是，关于“电源组件由蓄电池和超级电容组成”的描述，并不是指示或暗示本发明所描述的电源组件必须包括超级电容，在具体实施例中，电源组件可以不包括超级电容。因此不能理解为对本发明的限制。
在本发明的具体实施方式的描述中，需要说明的是，术语“定量泵”、“变量泵”的定义如下：在本发明中，将“除了调整原动机转速之外，没有其他方法可以调整其流量/排量”的泵，定义为定量泵；将“在原动机转速不变的情况下，可以通过改变变量机构或压缩比等方式改变流量/排量”的泵，定义为变量泵。显然，所述定量泵的泵体结构更为简单，成本更低。
下面通过具体的实施例并结合附图对本发明做进一步的详细描述。
参见图1至图4，本实施例提供了一种高效势能回收系统，包括油箱1、液压油泵/马达2、电机3、电源组件4、可控单(换)向阀5、液压油缸6、控制器7，控制器7一侧与电源组件4电连接，控制器7另一侧与电机3电连接，电机3与液压油泵/马达2相连接，液压油泵/马达2一侧与油箱1连通，液压油泵/马达2另一侧通过可控单(换)向阀5与液压油缸6连通；控制器7通过控制电机3正转运行或反转运行进而控制与液压油缸6相连的升降部件作上升运动或者下降运动；当控制器7控制电机3转速为零或处于停机状态时，升降部件为悬停状态。
其中的电机3能够在电动机和发电机模式之间切换，电机3可以采用永磁同步电机或永磁直流无刷电机或交流电机或直流有刷电机或开关磁阻电机。
作为一种可实施方式，电机3采用永磁同步电机(PMSM)、控制器7的核心功能是永磁同步电机的控制，它采用基于矢量控制(FOC，Field-Oriented Control)的永磁同步电机转速/电流双闭环控制策略。
参见图2，电机3可以在3个象限的工况条件下运行：
在符合第1象限(转速n>0,转矩Te>0)或第3象限(转速n<0,转矩Te<0)的工况时，电机3运行模式为电动机模式；
在符合第4象限(转速n<0,转矩Te>0)的工况时，电机3运行模式为发电机模式；
其中n>0时，电机3正转且升降部件向上运动；
其中n<0时，电机3反转且升降部件向下运动。
其中的液压油泵/马达2能够在油泵和马达模式之间切换，液压油泵/马达2为柱塞泵或活塞泵或齿轮泵或叶片泵或螺杆泵。
进一步地，电机3能够控制液压油泵/马达2的运行模式；
当电机3在第1象限的工况下运行时，电机3正转带动液压油泵/马达2正转，液压油向上流通，此时电机3为电动机模式，液压油泵/马达2为油泵模式；
当电机3在第3象限的条件下运行时，电机3反转带动液压油泵/马达2反转，液压油向下流通，但由于此时转矩Te<0，此时电机3仍为电动机模式，液压油泵/马达2仍为油泵模式；
当电机3在第4象限的条件下运行时，电机3反转带动液压油泵/马达2反转，液压油向下流通，但由于此时转矩Te>0，此时电机3为发电机模式，液压油泵/马达为马达模式。
本系统中的控制器7能够通过控制电机3的正/反转动速度，进而控制升降部件上升运动或下降运动时的速度，且控制器7可以控制电机3进行无级调速。控制器7与人机界面11相连，人机界面11可以对控制器7发送控制指令，控制指令包括升降部件的起升/悬停/下降指令、升降部件的升降速度指令。具体的说，人机界面11包括操作手柄或者旋钮或者按键或者触摸屏。
具体的，作为一种实施方式，所述液压油泵/马达选用定量齿轮泵。所述定量齿轮泵能够在油泵/马达模式之间切换，并且能够通过电机3来改变其转速，进而改变其流量/排量，最终实现升降速度的控制。
其中，可控单(换)向阀5为电控单(换)向阀或液控单(换)向阀或电液单(换)向阀，可控单(换)向阀5能够通过控制让液压油只能单向(向上)流过阀体，也能够通过控制让液压油可以双向流过阀体；液压油缸6伸缩时能够带动升降部件升降。
具体地，作为一种实施方式，所述可控单(换)向阀5选用电控单(换)向阀中的电磁换向阀，具体为二位二通常闭电磁阀。该电磁换向阀(默认)断电时，液压油在阀体内只能单向(向上)流通，即图1所示白色箭头Lf1方向；电磁换向阀通电时，液压油在阀体内可以双向流通。
此外，本系统还包括溢流阀10，溢流阀10一侧接口与可控单(换)向阀5和液压油泵/马达2之间的管路连通，溢流阀10另一侧接口与油箱1或者外部回收系统连通，从而，可利用溢流阀10对势能回收系统进行定压溢流、系统卸荷和安全保护。
在势能回收系统中还包括防爆阀12，防爆阀12设置于可控单(换)向阀5和液压油缸6之间，当防爆阀12背离液压油缸6的一侧的管路出现爆裂/泄漏时，防爆阀12能对管路油液进行限速，起到“避免升降部件失控下降”的应急作用。
本系统中的电源组件4还包括蓄电池8，蓄电池8通过控制器7与电机3电连接。电源组件4还可以包括超级电容9，超级电容9一侧通过控制器7与电机3电连接，超级电容9另一侧通过电源组件4内部的电源管理单元与蓄电池8电连接。
本方案还包括一种高效势能回收系统的控制方法，包括以下步骤：
起升时：电源组件4通过控制器7对电机3进行供电，根据人机界面11给出的起升指令和速度指令，控制器7控制电机3按设定的转速正转运行，电机带动液压油泵/马达2正转运行(n>0)，此时的电机3需要输出正向转矩(Te>0)，在第1象限运行，即电动机模式，此时的液压油泵/马达2正转运行，并工作在油泵模式，液压油推升使得液压油缸6伸长并带动升降部件上升；
通过控制器7的控制，可控单(换)向阀5在整个起升过程都处于断电(关闭)状态，即液压油只能单向(向上)流通；上升到预定位置后，控制器7控制电机3进入停机状态或零速运行状态；
悬停时：通过控制器7的控制，可控单(换)向阀5继续处于断电(关闭)状态,可控单(换)向阀5和液压油缸6之间的液压油不会反向回流；电机3和液压油泵/马达2处于停机状态或零速运行状态，可控单(换)向阀5与油箱1之间的液压油不会反向回流；换言之，悬停过程中，液压油缸6和油箱1之间始终充满液压油；
下降时：根据人机界面11给出的下降指令，控制器7控制可控单(换)向阀5通电打开，使得液压油能够通过可控单(换)向阀5反向回流；同时，根据人机界面11给出的下降指令和速度指令，控制器7控制电机3立刻动作，按设定的转速反转运行(n<0)；
(i)当重载运行时(升降部件及货物的重力G大于管路阻力及其他等效阻力之和f)，电机3需要输出正向转矩(Te>0)，此时电机3工作在第4象限，即发电机模式；此时的液压油泵/马达2反转运行，并工作在马达模式；电机3成为发电机，对电源组件4进行充电；
(ii)当轻载运行时(升降部件及货物的重力G小于管路阻力及其他等效阻力之和f)，电机3需要输出反向转矩(Te<0)，此时电机3工作在第3象限，即电动机模式；此时的液压油泵/马达2反转运行，并工作在油泵模式。
具体地说，控制器7通过控制电机3正转(或反转)运行来控制液压油泵/马达2正转(或反转)，从而控制升降部件上升(或下降)；控制器7通过控制电机3的转速来控制液压油泵/马达2的转速，从而控制液压油的排量/流量，进而控制升降部件的上升速度和/或下降速度。
本方案中的控制器控制永磁同步电机的策略采用速度/电流双闭环控制策略，以下从3个方面阐述其基本原理，分别是：永磁同步电机的数学模型、永磁同步电机控制器的原理框图、势能回收系统在不同工况下的受力分析。
永磁同步电机的数学模型由电压方程、转矩方程、运动方程、电磁功率方程和输入功率方程组成，具体为：
永磁同步电机在dq轴坐标系下的电压方程，可表示为：
Figure BDA0003069954530000121
其中，ud、uq是d轴电压和q轴电压；id、iq是d轴电流和q轴电流；Ld、Lq是d轴电感和q轴电感；Rs是定子相电阻；ωr是转子电角速度；ψf是永磁体励磁磁链；p是微分算子d/dt
永磁同步电机的转矩方程，可表示为：
Te＝np[ψfiq+(Ld-Lq)idiq] (2)
其中，Te是电磁转矩；np是极对数
当id＝0时，转矩方程可以简化为：
Te＝npψfiq＝kTiq (3)
其中，kT是转矩系数，通常可认为是常数，电磁转矩Te与q轴电流iq成正比。
永磁同步电机的运动方程，可表示为：
Figure BDA0003069954530000122
其中，Te、TL分别是电磁转矩和电机负载转矩；J是电机惯量和负载惯量之和；Ω是转子机械角速度，Ω＝ωr/np。
从永磁同步电机的转矩方程和运动方程可知，当电磁转矩Te大于电机负载转矩TL时，电机转速增大；当电磁转矩Te小于电机负载转矩TL时，电机转速减小；通过控制电流iq，就能控制电磁转矩Te，进而控制电机转速增大或转速减小。
永磁同步电机的电磁功率方程，可表示为：
Pem＝TeΩ＝ψfiqωr或
Figure BDA0003069954530000123
永磁同步电机的输入功率方程，可表示为：
Figure BDA0003069954530000124
当电磁功率Pem>0时，永磁同步电机工作在电动机模式；当电磁功率Pem<0时，永磁同步电机工作在发电机模式。当输入功率Pin>0时，电源组件(或蓄电池)对永磁同步电机放电；当输入功率Pin<0时，永磁同步电机对电源组件(或蓄电池)充电。需要说明的是，由于电机存在定子铜损
Figure BDA0003069954530000131
永磁同步电机的电动机模式不能完全等效为电源组件的放电模式；永磁同步电机的发电机模式不能完全等效为电源组件的充电模式。通常定子铜损远小于电磁功率，为了简化分析和描述，假定定子铜损等于零，即电磁功率Pem等于电机输入功率Pin。
本方案中的控制器采用基于矢量控制(FOC，Field-Oriented Control)的永磁同步电机速度/电流双闭环控制策略，其基本原理如附图3所示。结合永磁同步电机转矩方程和运动方程，可知速度闭环控制的原理是：人机界面发送的速度指令ωr_ref与电机(实际)转速ωr的差值err_ωr做速度PID控制，速度PID控制器的输出是Q轴电流参考值iq_ref。当ωr_ref>ωr时，速度差值err_ωr>0，速度PID控制器的输出iq_ref将会变大，即通过增大电磁转矩Te，让永磁同步电机加速；当ωr_ref<ωr时，速度差值err_ωr<0，速度PID控制器的输出iq_ref将会变小，即通过减小电磁转矩Te，让永磁同步电机减速；当ωr_ref＝ωr时，速度差值err_ωr＝0，速度PID控制器的输出iq_ref将会保持不变，即电磁转矩Te维持不变，永磁同步电机速度维持不变。电流闭环控制与速度闭环控制的原理类似，都采用PID控制。电流环的控制周期设置为100us，速度环的控制周期设置为1ms。
永磁同步电机速度/电流双闭环调速控制策略，具有调速性能好、动态响应快(电流环带宽可达150～350hz)、速度波动小(速度波动±3％以内)、过渡过程短、速度超调小(10％以内)、速度稳定性好等优点；与传统的比例阀控制液压油流速的控制策略相比，所述策略最显著的优点是动态响应快且稳定性好。
所述势能回收系统在不同工况下的受力分析，需要做如下约定，以便清晰无误的描述液压油的受力分析：
液压油受到3个力的作用，分别是重力G、阻力f和电磁力Fe；永磁同步电机受到3个转矩的作用，分别是电机负载转矩TG、电机负载转矩Tf和电磁转矩Te。通过力和转矩力臂的传递作用，重力G、阻力f和电磁力Fe可以分别等效为电机负载转矩TG、电机负载转矩Tf和电磁转矩Te，并满足：
Figure BDA0003069954530000141
符号G代表液压油缸、升降部件及货物等所有部件的重力之和，重力G的正方向为向下；
符号f代表液压油管路、电磁换向阀、液压油泵/马达、电机等所有部件的等效阻力之和。为了简化分析，电机绕组电阻损耗、电机控制器损耗、电源组件损耗等功率损耗也等效为阻力的一部分。当升降部件上升时，阻力f的方向为向下；当升降部件下降时，阻力f的方向为向上；
符号Fe代表电机电磁转矩等效的力，约定Fe的正方向为向上。
当升降部件匀速运行时(电机稳态运行)，满足以下关系：
Figure BDA0003069954530000142
当升降部件匀速上升(电机转速n>0)时，满足：
Figure BDA0003069954530000143
电机输出功率
Figure BDA0003069954530000144
此时永磁同步电机为电动机模式；忽略定子铜损时，电机输入功率Pin＝Pem>0，此时电源组件对电机放电。
当升降部件匀速下降(电机转速n<0)且轻载运行时，满足：
Figure BDA0003069954530000151
电机输出功率
Figure BDA0003069954530000152
此时永磁同步电机为电动机模式；忽略定子铜损时，电机输入功率Pin＝Pem>0，此时电源组件对电机放电。
当升降部件(匀速)下降(转速n<0)且重载运行时，满足：
Figure BDA0003069954530000153
电机输出功率
Figure BDA0003069954530000154
此时永磁同步电机为发电机模式；忽略定子铜损时，电机输入功率Pin＝Pem<0，此时电机对电源组件充电。
进一步的，根据永磁同步电机的电磁功率方程可知，当电磁转矩Te不变时，永磁同步电机的电磁功率Pem与转速n成正比，当电机处于发电机模式时，通过降低电机的转速，可以降低发电功率，以便蓄电池的充电电流处于合理范围，进而延长蓄电池的使用寿命。
进一步的，将控制器的过流保护(低于溢流阀的溢流保护值)设置为一级过载保护，将溢流阀的定压溢流保护设置为二级过载保护，过流保护值低于定压溢流保护值；当货物超重时控制器过流保护迅速响应并自动停机，从而避免了通过溢流阀溢流泄压来实现过载保护，也避免了长时间溢流产生的能量损失。
本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。
尽管本文较多地使用了液压油泵/马达2、电源组件4、可控单(换)向阀5、人机界面11、防爆阀12等术语，但并不排除使用其它术语的可能性。使用这些术语仅仅是为了更方便地描述和解释本发明的本质，把它们解释成任何一种附加的限制都是与本发明精神相违背的。

Claims (16)

1.一种高效势能回收系统，包括油箱(1)、液压油泵/马达(2)、电机(3)、电源组件(4)、可控单(换)向阀(5)、液压油缸(6)、控制器(7)，其特征在于，所述控制器(7)一侧与电源组件(4)电连接，所述控制器(7)另一侧与电机(3)电连接，所述电机(3)与液压油泵/马达(2)相连接，所述液压油泵/马达(2)一侧与油箱(1)连通，所述液压油泵/马达(2)另一侧通过可控单(换)向阀(5)与所述液压油缸(6)连通；
所述电机(3)能够在电动机和发电机模式之间切换；
所述液压油泵/马达(2)能够在油泵和马达模式之间切换；
所述控制器(7)通过控制电机(3)正转运行或反转运行进而控制与液压油缸(6)相连的升降部件作上升运动或者下降运动；
当所述的控制器(7)控制电机(3)转速为零或处于停机状态时，所述的升降部件为悬停状态。
2.根据权利要求1所述的高效势能回收系统，其特征在于：所述的控制器(7)能够通过控制电机(3)的正/反转动速度，进而控制升降部件上升运动或下降运动时的速度。
3.根据权利要求2所述的高效势能回收系统，其特征在于：所述控制器(7)能够控制电机(3)实现无级调速。
4.根据权利要求1所述的高效势能回收系统，其特征在于：所述电机(3)可以4象限运行；所述的高效势能回收系统运行在不同工况时，所述电机(3)可以在3个象限下运行，具体为：
在符合第1象限(转速n>0,转矩Te>0)或第3象限(转速n<0,转矩Te<0)的工况时，电机(3)运行模式为电动机模式；
在符合第4象限(转速n<0,转矩Te>0)的工况时，电机(3)运行模式为发电机模式；
其中n>0时，电机(3)正转运行；n<0时，电机(3)反转运行。
5.根据权利要求4所述的高效势能回收系统，其特征在于：所述电机(3)为永磁同步电机或永磁直流无刷电机或交流电机或直流有刷电机或开关磁阻电机。
6.根据权利要求4所述的高效势能回收系统，其特征在于：所述电机(3)能够控制液压油泵/马达(2)的运行模式；
当电机(3)在第1象限的工况下运行时，所述的电机(3)正转带动液压油泵/马达(2)正转，液压油向上流通，此时电机(3)为电动机模式，液压油泵/马达(2)为油泵模式；
当电机(3)在第3象限的工况下运行时，所述的电机(3)反转带动液压油泵/马达(2)反转，液压油向下流通，但由于此时转矩Te<0，此时电机(3)仍为电动机模式，液压油泵/马达(2)仍为油泵模式；
当电机(3)在第4象限的工况下运行时，所述的电机(3)反转带动液压油泵/马达(2)反转，液压油向下流通，但由于此时转矩Te>0，此时电机(3)为发电机模式,液压油泵/马达(2)为马达模式。
7.根据权利要求6所述的高效势能回收系统，其特征在于：所述液压油泵/马达(2)为柱塞泵或活塞泵或齿轮泵或叶片泵或螺杆泵。
8.根据权利要求1所述的高效势能回收系统，其特征在于：所述的可控单(换)向阀(5)为电控单(换)向阀或液控单(换)向阀或电液单(换)向阀。
9.根据权利要求1所述的高效势能回收系统，其特征在于：所述电源组件(4)还包括蓄电池(8)，所述蓄电池(8)通过控制器(7)与所述电机(3)电连接。
10.根据权利要求9所述的高效势能回收系统，其特征在于：所述电源组件(4)还包括超级电容(9)，所述超级电容(9)一侧通过控制器(7)与电机(3)电连接，所述超级电容(9)另一侧通过电源组件(4)内部的电源管理单元与所述蓄电池(8)电连接。
11.根据权利要求1所述的高效势能回收系统，其特征在于：还包括溢流阀(10)，所述溢流阀(10)一侧接口与可控单(换)向阀(5)和液压油泵/马达(2)之间的管路连通，所述溢流阀(10)另一侧接口与所述油箱(1)或者外部回收系统连通。
12.根据权利要求1所述的高效势能回收系统，其特征在于：还包括防爆阀(12)，所述防爆阀(12)设置于所述可控单(换)向阀(5)和液压油缸(6)之间。
13.根据权利要求1所述的高效势能回收系统，其特征在于：还包括人机界面(11)，所述人机界面(11)可以对控制器(7)发送控制指令，控制指令包括升降部件的起升/悬停/下降指令、升降部件的升降速度指令。
14.根据权利要求1所述的高效势能回收系统，其特征在于：所述的人机界面(11)包括操作手柄或者旋钮或者按键或者触摸屏。
15.根据权利要求1-14中任意一项所述的高效势能回收系统的控制方法，包括以下步骤：
起升时：电源组件(4)通过控制器(7)对电机(3)进行供电，根据人机界面(11)给出的起升指令和速度指令，控制器(7)控制电机(3)按设定的转速正转运行，电机带动液压油泵/马达(2)正转运行(n>0)，此时的电机(3)需要输出正向转矩(Te>0)，在第1象限运行，即电动机模式，此时的液压油泵/马达(2)正转运行，并工作在油泵模式，液压油推升使得液压油缸(6)伸长并带动升降部件上升；
通过控制器(7)的控制，可控单(换)向阀(5)在整个起升过程都处于断电(关闭)状态，即液压油只能单向(向上)流通；上升到预定位置后，控制器(7)控制电机(3)进入停机状态或零速运行状态；
悬停时：通过控制器(7)的控制，可控单(换)向阀(5)继续处于断电(关闭)状态，可控单(换)向阀(5)和液压油缸(6)之间的液压油不会反向回流；电机(3)和液压油泵/马达(2)处于停机状态或零速运行状态，可控单(换)向阀(5)与油箱(1)之间的液压油不会反向回流；换言之，悬停过程中，液压油缸(6)和油箱(1)之间始终充满液压油；
下降时：根据人机界面(11)给出的下降指令，控制器(7)控制可控单(换)向阀(5)通电打开，使得液压油能够通过可控单(换)向阀(5)反向回流；同时，根据人机界面(11)给出的下降指令和速度指令，控制器(7)控制电机(3)立刻动作，按设定的转速反转运行(n<0)；
当重载运行时(升降部件及货物的重力G大于管路阻力及其他等效阻力之和f)，电机(3)需要输出正向转矩(Te>0)，此时电机(3)工作在第4象限，即发电机模式；此时的液压油泵/马达(2)反转运行，并工作在马达模式；电机(3)成为发电机，对电源组件(4)进行充电；
当轻载运行时(升降部件及货物的重力G小于管路阻力及其他等效阻力之和f)，电机(3)需要输出反向转矩(Te<0)，此时电机(3)工作在第3象限，即电动机模式；此时的液压油泵/马达(2)反转运行，并工作在油泵模式。
16.根据权利要求15所述的高效势能回收系统的控制方法，其特征在于：
所述的控制器(7)通过控制电机(3)正转(或反转)运行来控制液压油泵/马达(2)正转(或反转)，从而控制升降部件上升(或下降)；
所述的控制器(7)通过控制电机(3)的转速来控制液压油泵/马达(2)的转速，从而控制液压油的排量/流量，进而控制升降部件的上升速度和/或下降速度。
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