韓素賢，姚 洪，時(shí)盛志

(1.包頭職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電氣工程系，內(nèi)蒙古 包頭 014030；2.杭州西湖新能源科技有限公司，浙江 杭州 310012；3.寧夏和寧化學(xué)有限公司，寧夏 銀川 751400)

0 引 言

近年來(lái)，隨著全球氣候變暖、環(huán)境惡化等問題日益嚴(yán)重，各行各業(yè)都對(duì)產(chǎn)品在節(jié)能減排方面提出了嚴(yán)苛要求。工程機(jī)械在能耗和排放方面的問題尤為突出，尤其是液壓挖掘機(jī)，其工況復(fù)雜、載荷波動(dòng)劇烈，從而導(dǎo)致油耗高、排放差等問題。因此，各大工程機(jī)械生產(chǎn)商和研究機(jī)構(gòu)提出了混合動(dòng)力類型的挖掘機(jī)[1-3]。例如，日本KOMATSU公司已經(jīng)研發(fā)出了混合動(dòng)力液壓挖掘機(jī)[4]。

混合動(dòng)力挖掘機(jī)采用發(fā)動(dòng)機(jī)和電動(dòng)機(jī)兩種動(dòng)力源并行驅(qū)動(dòng)液壓泵，雖然液壓泵載荷波動(dòng)劇烈，但電動(dòng)機(jī)對(duì)液壓泵負(fù)載進(jìn)行“削峰填谷”式的補(bǔ)償，使得發(fā)動(dòng)機(jī)工作點(diǎn)運(yùn)行平穩(wěn)，并且始終處于高效區(qū)，因此具有一定的節(jié)能效果。此外，混合動(dòng)力系統(tǒng)以超級(jí)電容為輔助動(dòng)力源，因此采用電機(jī)替代液壓馬達(dá)來(lái)驅(qū)動(dòng)回轉(zhuǎn)平臺(tái)成為另一可行的節(jié)能方案。因?yàn)殡姍C(jī)驅(qū)動(dòng)的效率比閥控馬達(dá)系統(tǒng)傳動(dòng)效率高，而且在轉(zhuǎn)臺(tái)減速時(shí)可以通過電機(jī)制動(dòng)使轉(zhuǎn)臺(tái)動(dòng)能得以回饋，混合動(dòng)力挖掘機(jī)轉(zhuǎn)臺(tái)回轉(zhuǎn)采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)方案能進(jìn)一步提高系統(tǒng)效率[5-6]。

挖掘機(jī)作業(yè)時(shí)，回轉(zhuǎn)動(dòng)作頻繁，起制動(dòng)時(shí)間短，單次回轉(zhuǎn)作業(yè)時(shí)間只有幾秒，因此，電驅(qū)動(dòng)回轉(zhuǎn)系統(tǒng)必須滿足速度控制響應(yīng)快、超調(diào)量小以及運(yùn)行平穩(wěn)的要求。但是轉(zhuǎn)臺(tái)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量隨挖掘機(jī)姿態(tài)不同以及鏟斗中物料量的多少而大范圍變化；此外，在斜坡作業(yè)時(shí)，轉(zhuǎn)臺(tái)重力在斜坡上的分量產(chǎn)生的干擾扭矩大，這些因素易造成回轉(zhuǎn)速度波動(dòng)，不利于保證回轉(zhuǎn)的操控性和舒適性。

挖掘機(jī)電機(jī)驅(qū)動(dòng)回轉(zhuǎn)系統(tǒng)的文獻(xiàn)報(bào)道較少，文獻(xiàn)[7-9]對(duì)電機(jī)驅(qū)動(dòng)回轉(zhuǎn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)、建模和參數(shù)選擇方面作了介紹。但挖掘機(jī)電動(dòng)回轉(zhuǎn)系統(tǒng)的本質(zhì)是變參數(shù)、強(qiáng)干擾的電機(jī)速度控制問題，這方面的研究報(bào)道較多。JIN K[10]采用了滑?？刂品桨竵?lái)解決了挖掘機(jī)回轉(zhuǎn)系統(tǒng)變參數(shù)引起的轉(zhuǎn)速振動(dòng)的問題；陸豪[11]采用了u綜合魯棒控制方法來(lái)解決電機(jī)驅(qū)動(dòng)大慣量低剛度負(fù)載的位置控制問題；針對(duì)三軸飛行仿真轉(zhuǎn)臺(tái)模型參數(shù)變化、外部擾動(dòng)和摩擦非線性的問題，王衛(wèi)紅[12]提出了前饋控制+自適應(yīng)增益調(diào)整的方法，實(shí)現(xiàn)了高精度轉(zhuǎn)速控制；YAO B[13]提出了非線性自適應(yīng)魯棒控制算法來(lái)解決直線電機(jī)精密運(yùn)動(dòng)控制中變參數(shù)、非線性摩擦力、未建模動(dòng)態(tài)和飽和非線性等問題。以上文獻(xiàn)中的控制策略都能很好地解決電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的大慣量、變參數(shù)和強(qiáng)擾動(dòng)問題，但需要大量計(jì)算，對(duì)控制器硬件的性能要求較高。

筆者在文獻(xiàn)[14]中給出了電機(jī)驅(qū)動(dòng)回轉(zhuǎn)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和控制框架，并對(duì)系統(tǒng)的節(jié)能效果作了評(píng)價(jià)，但是速度控制僅采用了PI調(diào)節(jié)器，并未作深入研究。

本文針對(duì)變參數(shù)、強(qiáng)干擾速度問題，提出基于擾動(dòng)觀測(cè)器(DOB)的控制策略，并且該算法計(jì)算簡(jiǎn)單，適合在挖掘機(jī)普通性能控制器上實(shí)現(xiàn)。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

電機(jī)驅(qū)動(dòng)回轉(zhuǎn)系統(tǒng)由回轉(zhuǎn)平臺(tái)、目標(biāo)轉(zhuǎn)速信號(hào)單元、電機(jī)控制單元、制動(dòng)單元、系統(tǒng)監(jiān)控單元組成，如圖1所示。

圖1 混合動(dòng)力挖掘機(jī)回轉(zhuǎn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

回轉(zhuǎn)平臺(tái)由永磁同步電機(jī)通過行星減速器直接驅(qū)動(dòng)；制動(dòng)單元包括制動(dòng)油缸、電磁閥和制動(dòng)器，制動(dòng)單元的作用是在轉(zhuǎn)臺(tái)停止旋轉(zhuǎn)時(shí)，鎖住轉(zhuǎn)臺(tái)以防受到外界干擾力矩的作用而自由旋轉(zhuǎn)，從而造成危險(xiǎn)。目標(biāo)轉(zhuǎn)速信號(hào)單元包括壓力傳感器、操作手柄、齒輪泵及液壓油箱，壓力傳感器安裝在操作手柄先導(dǎo)閥的出口處，檢測(cè)先導(dǎo)壓力并由控制器轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的電機(jī)目標(biāo)轉(zhuǎn)速，用于轉(zhuǎn)臺(tái)速度控制。電機(jī)控制單元包括永磁同步電機(jī)及控制器、編碼器和超級(jí)電容，超級(jí)電容通過電機(jī)控制器連接到永磁同步電機(jī)，電機(jī)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)臺(tái)旋轉(zhuǎn)時(shí)，工作在電動(dòng)模式，由超級(jí)電容向電機(jī)供電；當(dāng)轉(zhuǎn)臺(tái)減速或制動(dòng)時(shí)，電機(jī)工作在發(fā)電模式，把轉(zhuǎn)臺(tái)動(dòng)能轉(zhuǎn)化為電能向超級(jí)電容充電。系統(tǒng)監(jiān)控單元主要是通過CAN總線網(wǎng)絡(luò)把主控制器、電機(jī)控制器和超級(jí)電容單元連接起來(lái)，以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)參數(shù)的監(jiān)測(cè)與控制。

2 系統(tǒng)建模

2.1 轉(zhuǎn)臺(tái)

(1)

式中：TD—減速器輸出扭矩；B—阻尼比；J—回轉(zhuǎn)部分的等效慣量，文獻(xiàn)[15]通過試驗(yàn)測(cè)試所得電機(jī)側(cè)等效慣量變化范圍0.8 kgm2～2.2 kgm2；dω/dt—轉(zhuǎn)臺(tái)的加速度；Tf—轉(zhuǎn)臺(tái)傳動(dòng)系統(tǒng)所受的等效摩擦阻力矩；Tg—干擾力矩，包括轉(zhuǎn)臺(tái)在斜坡上，由重力產(chǎn)生的干擾力矩和鏟斗與外部環(huán)境作用產(chǎn)生的力矩。

2.2 減速器

TD=i·TE

(2)

式中：TE—電機(jī)輸出軸上的驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩；i—減速器傳動(dòng)比。

2.3 電機(jī)

永磁同步電機(jī)采用矢量控制方式，電機(jī)扭矩控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 永磁同步電機(jī)扭矩控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

該系統(tǒng)實(shí)時(shí)檢測(cè)三相電流ia、ib和ic，經(jīng)Clark變換將其從三相靜止坐標(biāo)系變換到兩相靜止坐標(biāo)系，再與轉(zhuǎn)子位置結(jié)合，經(jīng)過Park變換從兩相靜止坐標(biāo)系變換到兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系交直軸電流ida和iqa；交、直軸參考電流id與iq與坐標(biāo)變換得到的電流進(jìn)行比較，采用id=0的控制方式，再經(jīng)過PI調(diào)節(jié)器，交直軸控制電流ids和iqs，結(jié)合轉(zhuǎn)子角位置進(jìn)行反Park和Clark反變換得到ua、ub和uc，再經(jīng)過SVPWM模塊調(diào)制為6路開關(guān)信號(hào)，從而控制三相逆變器的開通與關(guān)斷。

采用以上的控制方式后，定子電流中只有交軸分量，且定子磁動(dòng)勢(shì)空間矢量與永磁體磁場(chǎng)空間矢量正交，電機(jī)穩(wěn)態(tài)輸出轉(zhuǎn)矩與定子電流成正比，且扭矩響應(yīng)時(shí)間只有幾毫秒，所以相對(duì)于轉(zhuǎn)臺(tái)的大慣性時(shí)間常數(shù)，可以忽略電機(jī)的扭矩響應(yīng)的動(dòng)態(tài)過程。將電機(jī)扭矩環(huán)視為比例環(huán)節(jié)，得到電機(jī)扭矩簡(jiǎn)化模型式為：

TE=k·iq

(3)

式中：TE—電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩；k—比例系數(shù)；iq—直軸控制電流。

2.4 系統(tǒng)模型

電機(jī)驅(qū)動(dòng)回轉(zhuǎn)系統(tǒng)的模型為：

(4)

該模型為變參數(shù)系統(tǒng)，令：

(5)

式中：Td—系統(tǒng)的外部干擾力矩。

3 控制策略

轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)速采用轉(zhuǎn)速-轉(zhuǎn)矩雙閉環(huán)控制方案，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。

圖3 轉(zhuǎn)速雙環(huán)控制方案

圖3中：外環(huán)為轉(zhuǎn)速控制環(huán)，內(nèi)環(huán)為電機(jī)扭矩控制環(huán)，因此本文的重點(diǎn)是對(duì)速度控制器K進(jìn)行研究。

轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)轉(zhuǎn)速的跟蹤，為使速度控制而不受轉(zhuǎn)臺(tái)慣量變化和外部干擾轉(zhuǎn)矩的影響，筆者提出采用擾動(dòng)觀測(cè)器(DOB)來(lái)抑制這些因素對(duì)轉(zhuǎn)速的影響。文獻(xiàn)[16]指出擾動(dòng)觀測(cè)器能有效解決干擾和模型參數(shù)不確定性等問題，提高系統(tǒng)的魯棒性，被廣泛應(yīng)用到速度、位置控制系統(tǒng)中。

采用DOB補(bǔ)償?shù)乃俣瓤刂品桨溉鐖D4所示。

圖4 基于擾動(dòng)觀測(cè)器的速度控制

圖4中：虛線框內(nèi)為擾動(dòng)觀測(cè)器(DOB)。因此，控制器設(shè)計(jì)主要包括擾動(dòng)觀測(cè)器(DOB)和主控制器K的設(shè)計(jì)。

3.1 擾動(dòng)觀測(cè)器設(shè)計(jì)

本研究將圖4中主控制器之外的部分單獨(dú)分析，并將系統(tǒng)模型做等價(jià)變換，擾動(dòng)觀測(cè)器等價(jià)變換圖如圖5所示(其中虛線框內(nèi)是擾動(dòng)觀測(cè)器結(jié)構(gòu)圖)。

圖5 擾動(dòng)觀測(cè)器等價(jià)變換Tref—主控制器的輸出轉(zhuǎn)矩；Td—干擾轉(zhuǎn)矩；ξ—測(cè)量干擾；φ—模型參數(shù)變化引起的干擾轉(zhuǎn)矩；補(bǔ)償轉(zhuǎn)矩；Q-濾波環(huán)節(jié)

(6)

式中：Jn—名義轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；Bn—名義阻尼比。

實(shí)際系統(tǒng)中，在參數(shù)變化及外部干擾的作用下，能否通過預(yù)估的V來(lái)抵消的關(guān)鍵在于擾動(dòng)觀測(cè)器中Q的設(shè)計(jì)，具體說(shuō)明如下：

將實(shí)際模轉(zhuǎn)化成下式：

(7)

并引入ξ測(cè)量干擾信號(hào)，則可得到下式：

(8)

對(duì)式(8)進(jìn)行分析：希望通過設(shè)計(jì)Q(s)，使得Td和φ對(duì)輸出沒有影響；而參數(shù)變化以及外部干擾都屬于低頻信號(hào)，為了對(duì)低頻信號(hào)充分抑制，在低頻段希望Q(s)≈1；而測(cè)量噪聲ξ大多處于高頻段，為了對(duì)高頻噪音能很好抑制，則Q(s)≈0，則可以得到理想的模型，如下式所示：

ω≈PnTref

(9)

因此，濾波器Q(s)設(shè)計(jì)為：(1)低通濾波器，低頻段近似于1，消除控制對(duì)象模型攝動(dòng)及外部干擾的影響；(2)高頻段，Q(s)接近于0，達(dá)到抑制高頻測(cè)量噪聲的目的；(3)間常數(shù)τ是能影響擾動(dòng)觀測(cè)器動(dòng)態(tài)性能，因此τ的具體值需要試驗(yàn)比較。

按照以上設(shè)計(jì)原則，所設(shè)計(jì)的Q(s)為：

(10)

3.2 主控制器

擾動(dòng)觀測(cè)器的引入并不影響系統(tǒng)的傳遞函數(shù)，因此可以按名義系統(tǒng)來(lái)設(shè)計(jì)主控制器K。主控制器K采用PI控制，取等效慣量中間值得到系統(tǒng)模型，采用極點(diǎn)配置法得到主控制器系數(shù)：P=0.2，I=0.01。

4 仿真分析

為驗(yàn)證以上所提出控制方案的可行性，筆者搭建Matlab/simulink仿真系統(tǒng)，對(duì)比PI控制和PI控制+DOB補(bǔ)償兩種方案在轉(zhuǎn)速控制方面的性能差別。仿真條件為：J=0.8 kgm2和J=2.2 kgm2兩種慣量，階躍干擾100 Nm，目標(biāo)轉(zhuǎn)速設(shè)為先勻加速、再勻速、最后勻減速，加減速時(shí)間均為3 s，轉(zhuǎn)臺(tái)目標(biāo)轉(zhuǎn)速為9.375 r/min。

仿真結(jié)果如圖6所示。

圖6 不同慣量和階躍干擾下速度扭矩曲線

圖6中：

(1)PI控制。轉(zhuǎn)臺(tái)實(shí)際轉(zhuǎn)速能跟蹤目標(biāo)轉(zhuǎn)速，但慣量變化對(duì)轉(zhuǎn)速超調(diào)量影響較大，慣量J=2.2 kgm2和J=0.8 kgm2時(shí)超調(diào)量分別為4.1%和1.0%，慣量變化對(duì)超調(diào)量的影響為3.1%，這是由于模型參數(shù)變化所導(dǎo)致的；在階躍干擾下轉(zhuǎn)速有明顯波動(dòng)，慣量J=2.2 kgm2和J=0.8 kgm2時(shí)，干擾扭矩為100 Nm不變，轉(zhuǎn)速波動(dòng)量分別為3.2%和1.9%，干擾量對(duì)轉(zhuǎn)速波動(dòng)的影響1.3%。因此，采用單一PI控制器，系統(tǒng)轉(zhuǎn)速不穩(wěn)定，影響轉(zhuǎn)臺(tái)的操控和舒適性。

(2)PI+DOB控制。轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)速跟蹤目標(biāo)轉(zhuǎn)速，慣量變化對(duì)轉(zhuǎn)速超調(diào)量影響較小，慣量J=2.2 kgm2和J=0.8 kgm2時(shí)超調(diào)量分別為2.6%和1.6%，慣量變化對(duì)超調(diào)量的影響為1.0%，這主要取決于PI調(diào)節(jié)器參數(shù)的選擇；慣量J=2.2 kgm2和J=0.8 kgm2時(shí)，干擾扭矩為100 Nm不變，轉(zhuǎn)速波動(dòng)量分別為1.2%和1.1%，外部干擾對(duì)轉(zhuǎn)速波動(dòng)的影響為0.1%。

相對(duì)于PI控制，轉(zhuǎn)速波動(dòng)明顯減弱，這是由于DOB環(huán)節(jié)感知實(shí)際模型參數(shù)相對(duì)于名義模型的變化和外部干擾，產(chǎn)生了補(bǔ)償作用，從而使得轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)速比較一致，系統(tǒng)具有較好的操控和舒適性。

5 結(jié)束語(yǔ)

采用電機(jī)替代液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)挖掘機(jī)回轉(zhuǎn)平臺(tái)是混合動(dòng)力挖掘機(jī)的一項(xiàng)有效節(jié)能措施，但是由于轉(zhuǎn)臺(tái)慣量大、變化范圍大，且受到外界干擾力矩時(shí)轉(zhuǎn)速波動(dòng)明顯，容易影響回轉(zhuǎn)作業(yè)的操作性，針對(duì)該問題，本文建立了系統(tǒng)模型，測(cè)試了轉(zhuǎn)臺(tái)等效慣量的變化范圍，提出了PI+擾動(dòng)觀測(cè)器的控制方案，搭建了系統(tǒng)仿真模型，在最大和最小等效慣量時(shí)，并施加階躍干擾力矩的情況下，對(duì)回轉(zhuǎn)速度控制系統(tǒng)仿真。

仿真結(jié)果表明：采用PI控制，轉(zhuǎn)臺(tái)實(shí)際轉(zhuǎn)速能跟蹤目標(biāo)轉(zhuǎn)速，但是慣量變化對(duì)轉(zhuǎn)速超調(diào)量影響較大，并且干擾作用下轉(zhuǎn)速波動(dòng)明顯，而PI+DOB控制中，DOB環(huán)節(jié)感知實(shí)際模型參數(shù)相對(duì)于名義模型的變化以及外部干擾，產(chǎn)生了補(bǔ)償作用，使轉(zhuǎn)臺(tái)慣量變化對(duì)轉(zhuǎn)速超調(diào)量的影響從3.1%下降到1%，外部干擾對(duì)轉(zhuǎn)速波動(dòng)的影響從1.3%下降到0.1%。

因此，擾動(dòng)觀測(cè)器環(huán)節(jié)減小了慣量變化對(duì)轉(zhuǎn)速超調(diào)的影響，增強(qiáng)了速度控制的抗干擾能力，改善了回轉(zhuǎn)作業(yè)的操作性，并且該控制策略結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，容易在挖掘機(jī)普通性能控制器上實(shí)現(xiàn)。

參考文獻(xiàn)(References):

[1] MASAYUKI K. The development of an 8 ton class hybrid hydraulic excavator SK80H[J]. KOBELCO Technology Review, 2013,31(1):6-11.

[2] MANABU E, SEIJI I, SHINYA I, et al. Adoption of electrification and hybrid drive for more energy-efficient construction machinery[J]. Hitachi Review, 2013,62(2):118-122.

[3] INOUE H. Introduction of PC200-8 hybrid hydraulic excavator[J]. KOMATSU Technical Report, 2008,54(161):1-6.

[4] INOUE H, YOSHIDA H. Development of hybrid hydraulic excavators[J]. International Journal of Automation Technology, 2012,16(4):516-520.

[5] WANG Q F, ZHANG Y T, XIAO Q. Evaluation for energy saving effect and simulation research on energy saving of hydraulic system in hybrid construction machinery[J]. Chinese Journal of Mechanical Engineering, 2005,41(12):135-140.

[6] ZHANG Y T, WANG Q F, XIAO Q. Simulation research on energy saving of hydraulic system in hybrid construction machinery[C]. Proceedings of the Sixth International Conference on Fluid Power Transmission and Control, Hangzhou:ICFP,2005.

[7] 邢樹鑫，林明智，戴群亮.混合動(dòng)力挖掘機(jī)回轉(zhuǎn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].工程機(jī)械,2010,41(12):38-40.

[8] 成 凱,張 俊,王鵬宇,等.混合動(dòng)力挖掘機(jī)回轉(zhuǎn)系統(tǒng)仿真模型的建立與分析[J].建筑機(jī)械,2011(6):81-86.

[9] 郭 浩,王 輝,吳 軒,等.混合動(dòng)力挖掘機(jī)電回轉(zhuǎn)系統(tǒng)儲(chǔ)能容量的優(yōu)化配置[J].中國(guó)機(jī)械工程,2016,27(12):1572-1578.

[10] JIN K, PARK T, LEE H. A control method to suppress the swing vibration of a hybrid excavator using sliding mode approach[J]. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part C: Journal of Mechanical Engineering Science, 2012,226(5):1237-1253.

[11] 陸 豪,李運(yùn)華,田勝利,等.驅(qū)動(dòng)大慣量低剛度負(fù)載的推力矢量控制電動(dòng)伺服機(jī)構(gòu)的u綜合魯棒控制[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào),2011,47(2):180-188.

[12] 王衛(wèi)紅，姚志超，鄭連強(qiáng),等.三軸飛行仿真轉(zhuǎn)臺(tái)自適應(yīng)復(fù)合控制方法[J].電機(jī)與控制學(xué)報(bào).2011,15(9):74-79.

[13] YAO B. Advanced motion control from classical PID to nonlinear adaptive robust control[C]. Proceedings of the 11th IEEE International Workshop on Advanced Motion Control, Nagaoka:IEEE,2010.

[14] 韓素賢，姚 洪，魏毅立.混合動(dòng)力挖掘機(jī)電機(jī)驅(qū)動(dòng)回轉(zhuǎn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電氣傳動(dòng),2018,48(3):47-50.

[15] 姚 洪.混合動(dòng)力挖掘機(jī)電機(jī)驅(qū)動(dòng)回轉(zhuǎn)系統(tǒng)的控制及節(jié)能研究[D].杭州：浙江大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,2015.

[16] 樊玉華.分?jǐn)?shù)階干擾觀測(cè)器研究[D].大連：大連交通大學(xué)電氣信息學(xué)院,2007.