陳俊屹， 陳其懷， 林添良， 林元正， 付勝杰

(華僑大學(xué)機(jī)電及自動(dòng)化學(xué)院，福建廈門 361021)

引言

隨著全球的環(huán)境污染日益嚴(yán)重以及資源儲(chǔ)量匱乏，各個(gè)國(guó)家都越來(lái)越重視對(duì)節(jié)能減排的研究[1]，工程機(jī)械的節(jié)能減排已經(jīng)成為國(guó)內(nèi)外的熱點(diǎn)研究對(duì)象之一。相比傳統(tǒng)的工程機(jī)械，電動(dòng)化工程機(jī)械的節(jié)能效果十分顯著，能源利用率高，排放污染物大幅度減少甚至能做到零排放；因此，工程機(jī)械電動(dòng)化是節(jié)能減排的最為理想的驅(qū)動(dòng)方式之一。

電動(dòng)化在汽車領(lǐng)域已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用[2-4]，而在工程機(jī)械領(lǐng)域的應(yīng)用還處在起步階段。隨著電動(dòng)化工程機(jī)械的研究熱度的提升，國(guó)內(nèi)外的工程機(jī)械廠商為了進(jìn)行技術(shù)儲(chǔ)備，都開(kāi)始著手研發(fā)各種電動(dòng)化工程機(jī)械，其中最具代表性的機(jī)種就是電動(dòng)挖掘機(jī)。國(guó)外在電動(dòng)挖掘機(jī)研發(fā)取得進(jìn)展的廠商主要有卡特彼勒、沃爾沃、日本神戶制鋼、日本小松等公司，而國(guó)內(nèi)同樣也有三一重工、徐工集團(tuán)、柳工、華南重工、山河智能等公司對(duì)電動(dòng)挖掘機(jī)進(jìn)行研制。而電動(dòng)挖掘機(jī)可以按照不同供電方式分為電纜供電型、外接電源供電型、電池供電型以及電池電纜復(fù)合供電型4種類型。電纜供電型采用電網(wǎng)直接供電，如圖1所示，該類型挖掘機(jī)沒(méi)有作業(yè)時(shí)長(zhǎng)的限制，作業(yè)成本非常低，但是需要實(shí)時(shí)接入電網(wǎng)，因此工作的范圍以及靈活性會(huì)受到極大的約束；外接電源供電型挖掘機(jī)則通過(guò)外接一個(gè)單獨(dú)的電池電源車來(lái)解決電纜供電型取電難的問(wèn)題，如圖2所示相比前2種類型，電池供電型挖掘機(jī)就沒(méi)有因取電問(wèn)題所帶來(lái)的靈活性不足的問(wèn)題，電池供電型是把電池與電控系統(tǒng)直接安裝在整機(jī)上，電池的容量直接決定了挖掘機(jī)的作業(yè)周期，如圖3所示為華僑大學(xué)與華南重工合作研發(fā)的國(guó)內(nèi)第一臺(tái)電池供電型電動(dòng)挖掘機(jī)；電池電纜復(fù)合供電型為電纜與電池相結(jié)合，根據(jù)用戶及工作場(chǎng)地需求來(lái)選擇供電類型。

圖1 SWE25E電動(dòng)挖掘機(jī)

圖2 外接電源供電型挖掘機(jī)

圖3 國(guó)內(nèi)第一臺(tái)電池供電型挖掘機(jī)

在高校與科研機(jī)構(gòu)方面，對(duì)于電動(dòng)挖掘機(jī)的研究較少，研究的主要重點(diǎn)在于如何提高電動(dòng)挖掘機(jī)的節(jié)能性。劉彬等[5]對(duì)小型電動(dòng)液壓挖掘機(jī)進(jìn)行了功率匹配及能效性研究，采用交流異步電機(jī)與電控變量泵組成動(dòng)力源，結(jié)合進(jìn)出口獨(dú)立控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了能耗的降低；黃偉平等[6-8]提出基于變頻電機(jī)調(diào)速和液壓蓄能器輔助驅(qū)動(dòng)的負(fù)載壓力適應(yīng)型自動(dòng)怠速控制系統(tǒng)及分段劃分控制策略，如圖4所示，與傳統(tǒng)的挖掘機(jī)相比，該系統(tǒng)在怠速工況的節(jié)能效率達(dá)到67%；王浪等[9]對(duì)電動(dòng)挖掘機(jī)動(dòng)力總成展開(kāi)研究，提出了變轉(zhuǎn)速代替變排量控制來(lái)實(shí)現(xiàn)負(fù)載敏感功能，得到較好的操控性與節(jié)能性，其原理圖如圖5所示。

在節(jié)能減排的大趨勢(shì)下，工程機(jī)械電動(dòng)化技術(shù)已經(jīng)成為未來(lái)發(fā)展必然方向。但是，現(xiàn)今大部分企業(yè)對(duì)電動(dòng)化挖掘機(jī)的研究還停留在如何把電機(jī)簡(jiǎn)單地替代傳統(tǒng)的燃油發(fā)動(dòng)機(jī)，來(lái)實(shí)現(xiàn)挖掘機(jī)本身的功能，并沒(méi)有深入地研究純電驅(qū)動(dòng)如何與液壓系統(tǒng)相結(jié)合，沒(méi)有充分發(fā)揮出電動(dòng)機(jī)相比柴油發(fā)動(dòng)機(jī)具有良好的調(diào)速特性的優(yōu)勢(shì)。本研究綜合電動(dòng)機(jī)與挖掘機(jī)液壓系統(tǒng)，以充分發(fā)揮電動(dòng)機(jī)的調(diào)速特性來(lái)優(yōu)化挖掘機(jī)整機(jī)的操控性為目的，探究適合電動(dòng)挖掘機(jī)的控制方法。

圖4 負(fù)載壓力適應(yīng)型自動(dòng)怠速控制系統(tǒng)原理圖

圖5 基于變轉(zhuǎn)速控制的定量泵負(fù)載敏感系統(tǒng)原理圖

1 電動(dòng)挖掘機(jī)動(dòng)力總成基本結(jié)構(gòu)

電動(dòng)挖掘機(jī)是由上架與下架兩部分組成，上架包含鏟斗、斗桿、動(dòng)臂以及與其對(duì)應(yīng)的油缸等執(zhí)行機(jī)構(gòu)；下架主要由行走機(jī)構(gòu)、回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)以及推土鏟構(gòu)成，這些與傳統(tǒng)的挖掘機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)一致。電動(dòng)挖掘機(jī)與傳統(tǒng)的挖掘機(jī)的差異主要體現(xiàn)在動(dòng)力總成部分，一般的挖掘機(jī)動(dòng)力總成系統(tǒng)都會(huì)包含能量單元、原動(dòng)機(jī)以及液壓系統(tǒng)三部分。傳統(tǒng)挖掘機(jī)的能量單元都是由燃油提供，原動(dòng)機(jī)則是對(duì)應(yīng)的燃油發(fā)動(dòng)機(jī)。電動(dòng)挖掘機(jī)的動(dòng)力總成系統(tǒng)如圖6所示，其能量單元由以電池為主的系統(tǒng)構(gòu)成，原動(dòng)機(jī)由電機(jī)控制器與電機(jī)構(gòu)成，液壓系統(tǒng)方面與傳統(tǒng)的挖掘機(jī)并無(wú)差異，需要匹配電池與電機(jī)組成的系統(tǒng)。由于電動(dòng)挖掘機(jī)的能量是由電池提供的，動(dòng)力總成系統(tǒng)中還需要有高壓管理單元來(lái)控制電能的合理分配，以及需要低壓系統(tǒng)對(duì)低壓輔件、低壓控制單元供電。

圖6 電動(dòng)挖掘機(jī)動(dòng)力總成系統(tǒng)簡(jiǎn)圖

液壓挖掘機(jī)是一種典型的多執(zhí)行器復(fù)合動(dòng)作的工程機(jī)械，因此，液壓系統(tǒng)的合理設(shè)計(jì)直接影響整機(jī)的性能。如今，液壓挖掘機(jī)一般采用正流量系統(tǒng)、負(fù)流量系統(tǒng)或者負(fù)載敏感系統(tǒng)。正流量系統(tǒng)利用正比例控制系統(tǒng)的輸出信號(hào)與輸入信號(hào)成正比，即先導(dǎo)手柄的壓力上升會(huì)使泵的排量變大，反之壓力下降會(huì)使泵排量減小，來(lái)實(shí)現(xiàn)流量匹配；負(fù)流量系統(tǒng)則是先導(dǎo)壓力與泵的排量成反比；負(fù)載敏感系統(tǒng)不同于前兩者，其采用閉中心多路閥，先是利用梭閥選擇最大的執(zhí)行器壓力，把壓力反饋至負(fù)載敏感泵，調(diào)節(jié)泵的排量，使得泵出口壓力高于最大執(zhí)行器壓力一個(gè)固定的壓差值，如圖7所示，由于泵出口壓力高于每個(gè)執(zhí)行器壓力，所以各個(gè)執(zhí)行器的流量分配不再受負(fù)載壓力影響，流量分配就只與多路閥各閥芯有關(guān)，使得挖掘機(jī)有良好操控性。相比正流量系統(tǒng)與負(fù)流量系統(tǒng)而言，負(fù)載敏感系統(tǒng)更具有節(jié)能的效果[10]，因?yàn)樨?fù)載敏感系統(tǒng)的流量分配特性使得泵的出口流量約等于各個(gè)執(zhí)行器所需流量之和。綜上所述，負(fù)載敏感系統(tǒng)從節(jié)能與操控性角度，更加適合電動(dòng)挖掘機(jī)。

2 雙變動(dòng)力總成控制的負(fù)載敏感系統(tǒng)研究

傳統(tǒng)的挖掘機(jī)的負(fù)載敏感系統(tǒng)采用燃油發(fā)動(dòng)機(jī)作為原動(dòng)機(jī)，因此基本都是使燃油發(fā)動(dòng)機(jī)定轉(zhuǎn)速來(lái)驅(qū)動(dòng)負(fù)載敏感泵，利用負(fù)載敏感泵變排量來(lái)實(shí)現(xiàn)流量匹配；而電動(dòng)挖掘機(jī)采用的是電機(jī)作為原動(dòng)機(jī)，電機(jī)具有良好的調(diào)速特性，負(fù)載敏感系統(tǒng)需要根據(jù)電機(jī)的新特性調(diào)整原本的流量匹配方式。

圖7 負(fù)載敏感系統(tǒng)原理簡(jiǎn)圖

2.1 定轉(zhuǎn)速-變排量負(fù)載敏感系統(tǒng)

定轉(zhuǎn)速-變排量負(fù)載敏感系統(tǒng)一般是傳統(tǒng)挖掘機(jī)所采用的的控制方式，傳統(tǒng)的原動(dòng)機(jī)以固定轉(zhuǎn)速運(yùn)行工作，流量匹配依靠負(fù)載敏感泵的變排量來(lái)實(shí)現(xiàn)。但是，挖掘機(jī)是一種典型的多執(zhí)行器復(fù)合動(dòng)作的工程機(jī)械，在其作業(yè)過(guò)程中經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)流量飽和的現(xiàn)象。圖8為某型號(hào)8 t電動(dòng)挖掘機(jī)的在定轉(zhuǎn)速800 r/min下負(fù)載敏感壓差曲線，負(fù)載敏感壓差Δp是由泵出口壓力傳感器采得的壓力減去LS口的壓力取得的，負(fù)載敏感泵設(shè)定壓差為1.6 MPa，溢流壓差為2.5 MPa，而在挖掘機(jī)一個(gè)工作周期內(nèi)時(shí)間占比較大的壓差為流量飽和工況壓差，此時(shí)負(fù)載敏感壓差低于泵的設(shè)定壓差，挖掘機(jī)多執(zhí)行器在工作時(shí)中流量需求大于泵所能夠提供的流量大小，出現(xiàn)了流量飽和的情況。

流量飽和工況在挖掘機(jī)工作時(shí)頻繁出現(xiàn)會(huì)十分影響整車系統(tǒng)的操控性與節(jié)能性。在流量飽和出現(xiàn)的時(shí)候，負(fù)載敏感系統(tǒng)為了不讓多執(zhí)行器復(fù)合動(dòng)作時(shí)出現(xiàn)流量分配失調(diào)的問(wèn)題，多路閥各節(jié)流口前后壓差會(huì)隨著流量飽和的不同程度而改變，從而改變二次先導(dǎo)壓力與執(zhí)行器速度之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。對(duì)于用戶而言，就體現(xiàn)在手柄的操作性會(huì)隨著流量飽和的不同程度而發(fā)生改變，挖掘機(jī)整機(jī)系統(tǒng)操控性差；并且，在流量飽和與非流量飽和過(guò)渡時(shí)，執(zhí)行器的速度會(huì)發(fā)生突變，存在安全隱患。在節(jié)能性方面，當(dāng)挖掘機(jī)工況經(jīng)常出現(xiàn)流量飽和的時(shí)候，駕駛員為了提高作業(yè)操作性，會(huì)主動(dòng)提高原動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速擋位，但是，在系統(tǒng)流量總需求較小的工況時(shí)，負(fù)載敏感泵會(huì)自動(dòng)調(diào)節(jié)排量在低排量區(qū)間，使得系統(tǒng)效率降低、節(jié)能性差。因此，傳統(tǒng)的電動(dòng)挖掘機(jī)的負(fù)載敏感系統(tǒng)僅僅用電機(jī)代替了之前的燃油發(fā)動(dòng)機(jī)，依舊會(huì)出現(xiàn)流量飽和工況問(wèn)題，沒(méi)有最大程度發(fā)揮電動(dòng)機(jī)相對(duì)燃油機(jī)良好的調(diào)速特性[11]。

圖8 負(fù)載敏感壓差實(shí)測(cè)曲線

圖9 雙變動(dòng)力控制的負(fù)載敏感系統(tǒng)原理圖

2.2 雙變動(dòng)力控制的負(fù)載敏感系統(tǒng)

為了避免定轉(zhuǎn)速-變排量負(fù)載敏感系統(tǒng)存在的流量飽和的現(xiàn)象，同時(shí)考慮到變量泵在低排量區(qū)間效率較低，提出一種雙變動(dòng)力總成控制方法，其控制系統(tǒng)原理圖如圖9所示。該系統(tǒng)采用LUDV負(fù)載敏感系統(tǒng)，采用永磁同步電機(jī)來(lái)驅(qū)動(dòng)負(fù)載敏感泵，與定轉(zhuǎn)速-變排量負(fù)載敏感系統(tǒng)最大不同為電機(jī)的轉(zhuǎn)速根據(jù)系統(tǒng)工況狀態(tài)主動(dòng)控制，而負(fù)載敏感泵排量根據(jù)流量變化自適應(yīng)匹配，這兩部分組成了雙變動(dòng)力控制的動(dòng)力源。此外，該系統(tǒng)還對(duì)液壓先導(dǎo)系統(tǒng)進(jìn)行了電控化，如圖9所示，先導(dǎo)手柄不再與多路閥的先導(dǎo)油路直接相連，先導(dǎo)手柄通過(guò)壓力傳感器把先導(dǎo)壓力信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，便于控制器采集，多路閥與電控比例減壓閥相連，使用電控比例減壓閥對(duì)多路閥輸出先導(dǎo)壓力。因此，該系統(tǒng)的工作過(guò)程為：先導(dǎo)手柄輸出先導(dǎo)壓力，通過(guò)傳感器采集至控制器，控制器通過(guò)雙變動(dòng)力總成控制策略對(duì)電控比例電磁閥進(jìn)行控制，最終多路閥控制各個(gè)執(zhí)行器。

與傳統(tǒng)的定轉(zhuǎn)速-變排量負(fù)載敏感系統(tǒng)相比，雙變動(dòng)力控制的負(fù)載敏感系統(tǒng)具有更大的流量調(diào)節(jié)范圍。以某型號(hào)8 t挖掘機(jī)為例，負(fù)載敏感泵一般具有10～11倍的排量變換范圍，而電機(jī)轉(zhuǎn)速范圍一般約為800～2600 r/min，所以電機(jī)轉(zhuǎn)速變換范圍約為3～4倍，整個(gè)系統(tǒng)的流量變換范圍約為30～40倍。因此，該系統(tǒng)可以在高速大流量工況下，通過(guò)同時(shí)提高轉(zhuǎn)速與排量來(lái)避免流量飽和，提高挖掘機(jī)的操控性；當(dāng)工況為低速小流量時(shí)，通過(guò)同時(shí)降低轉(zhuǎn)速與排量來(lái)實(shí)現(xiàn)流量匹配，提高挖掘機(jī)的節(jié)能性。

3 雙變動(dòng)力總成控制策略研究

3.1 雙變動(dòng)力控制系統(tǒng)動(dòng)力源效率特點(diǎn)分析

雙變動(dòng)力控制系統(tǒng)工作過(guò)程中，當(dāng)執(zhí)行器所需總流量在系統(tǒng)能提供的最小與最大流量之間時(shí)，必定存在不同的轉(zhuǎn)速與排量的組合都可以滿足同一個(gè)目標(biāo)流量的情況。因此，對(duì)于雙變動(dòng)力控制系統(tǒng)需要考慮電機(jī)與泵的工作效率，以提高效率，降低能耗，達(dá)到節(jié)能的效果。斜盤式柱塞泵效率圖，如圖10所示，圖中U形曲線為泵效率ηp曲線，斜線為各個(gè)排量比i所對(duì)應(yīng)的容積效率ηV曲線。泵的效率在工作范圍內(nèi)波動(dòng)較大。變量泵的效率受排量的影響最大，隨著排量的增大而增大；而變量泵效率隨著壓力的增大，先增大后緩慢減小。由于變量泵的工作壓力取決于負(fù)載，無(wú)法進(jìn)行調(diào)定，所以要使該變量泵效率在高效區(qū)間，需要讓泵盡量工作在大排量狀態(tài)。

永磁同步電機(jī)效率MAP圖如圖11所示，永磁同步電機(jī)效率是隨著轉(zhuǎn)速與扭矩變化的，但是在挖掘機(jī)正常工作范圍內(nèi)，其電機(jī)效率均在90%以上。為了使雙變動(dòng)力控制系統(tǒng)工作在高效區(qū)間內(nèi)，雙變動(dòng)力總成控制策略需要讓變量泵盡量工作在高排量比區(qū)間內(nèi)。

圖10 斜盤式柱塞泵效率圖

圖11 永磁同步電機(jī)的效率MAP圖

3.2 基于分級(jí)壓差控制的雙變動(dòng)力控制策略

雙變動(dòng)力控制的負(fù)載敏感系統(tǒng)的電機(jī)轉(zhuǎn)速n與泵排量q都會(huì)隨負(fù)載變化而改變，為了充分發(fā)揮其雙變量調(diào)節(jié)的結(jié)構(gòu)優(yōu)勢(shì)，并且在高效的區(qū)間工作，提出了基于分級(jí)壓差控制的雙變動(dòng)力控制策略，其控制原理圖如圖12所示。

由圖12可以看出，基于分級(jí)壓差控制的雙變動(dòng)力控制策略是對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行壓差閉環(huán)控制，通過(guò)電機(jī)的變轉(zhuǎn)速控制來(lái)維持負(fù)載敏感系統(tǒng)壓差的恒定。對(duì)泵出口壓力pp與最高負(fù)載壓力pLmax信號(hào)作差值,求得實(shí)際負(fù)載敏感壓差Δp，讓實(shí)際負(fù)載敏感壓差Δp與變轉(zhuǎn)速設(shè)定壓差Δpm相比較，求得控制偏差，然后通過(guò)閉環(huán)控制調(diào)節(jié)器求得控制轉(zhuǎn)速n，再根據(jù)實(shí)際電機(jī)轉(zhuǎn)速限制得到最終目標(biāo)轉(zhuǎn)速n*，對(duì)電機(jī)進(jìn)行控制。而對(duì)于整個(gè)雙變動(dòng)力控制系統(tǒng)而言，系統(tǒng)存在3種壓差值，包括溢流壓差Δp0、變排量設(shè)定壓差Δpp以及變轉(zhuǎn)速設(shè)定壓差Δpm，這3種壓差設(shè)定值依次減小。

對(duì)雙變動(dòng)力控制的負(fù)載敏感系統(tǒng)進(jìn)行分級(jí)壓差設(shè)置后，隨著目標(biāo)流量從零需求開(kāi)始增加，整個(gè)系統(tǒng)將出現(xiàn)如圖13所示的5個(gè)階段：第1階段為空載溢流階段，執(zhí)行器需求流量為0，泵出口流量全部經(jīng)過(guò)多路閥溢流回油箱，負(fù)載敏感實(shí)際壓差為Δp0，電機(jī)轉(zhuǎn)速與泵排量都為最小值，此時(shí)系統(tǒng)流量為最小流量Qmin；第2階段為小流量階段，執(zhí)行器目標(biāo)流量逐漸增加，但還有部分泵出口流量溢流回油箱，所以實(shí)際壓差依舊為Δp0；第3階段為變排量調(diào)壓階段，此時(shí)執(zhí)行器的目標(biāo)流量增大至與系統(tǒng)最小流量相等，實(shí)際壓差變?yōu)樽兞勘迷O(shè)定壓差Δpp；第4階段為變轉(zhuǎn)速調(diào)壓階段，該階段變量泵排量增大至最大值，使得變量泵無(wú)法通過(guò)增大排量來(lái)維持壓差穩(wěn)定，壓差持續(xù)下降至Δpm時(shí)，電機(jī)開(kāi)始隨著目標(biāo)流量增加而提高轉(zhuǎn)速，使壓差穩(wěn)定在Δpm；第5階段為流量飽和階段，當(dāng)執(zhí)行器目標(biāo)流量繼續(xù)增大，電機(jī)轉(zhuǎn)速到達(dá)最大值，此時(shí)流量只能以最大流量Qmax輸出，實(shí)際壓差無(wú)法維持在Δpm，出現(xiàn)流量飽和現(xiàn)象。

圖13 等效執(zhí)行器流量及實(shí)際負(fù)載敏感壓差變化曲線

基于分級(jí)壓差控制的雙變動(dòng)力控制策略可以最大限度地優(yōu)化流量飽和問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)全變量范圍的流量匹配。在空載工況下，電機(jī)轉(zhuǎn)速和泵排量為最小值，將空載損耗降到最低；在低速小流量工況下，電機(jī)在最低轉(zhuǎn)速運(yùn)行，通過(guò)改變泵排量來(lái)匹配流量；在高速大流量下，泵排量達(dá)到最大值時(shí)，通過(guò)增加電機(jī)轉(zhuǎn)速使壓差得以穩(wěn)定，避免流量飽和的情況發(fā)生；該控制策略只有在電機(jī)轉(zhuǎn)速與泵排量都達(dá)到最大值還無(wú)法滿足目標(biāo)流量時(shí)，才會(huì)出現(xiàn)流量飽和工況。整個(gè)控制過(guò)程都遵循讓變量泵盡量工作在高排量比區(qū)間內(nèi)，因此，這種控制策略方案能使動(dòng)力源在高效區(qū)間運(yùn)行。

4 仿真分析

根據(jù)圖12的基于分級(jí)壓差控制的雙變動(dòng)力控制系統(tǒng)原理圖，建立AMESim仿真模型，如圖14所示。

圖14 基于分級(jí)壓差控制的雙變動(dòng)力控制系統(tǒng)AMESim仿真模型

表1 雙變動(dòng)力控制系統(tǒng)主要設(shè)置參數(shù)

為了方便驗(yàn)證雙變動(dòng)力控制策略的可行性，對(duì)該AMESim仿真模型進(jìn)行以下處理[12]：

(1) 采用比例換向閥模擬多路閥換向功能；

(2) 采用比例溢流閥模擬執(zhí)行器進(jìn)行加載；

(3) 采用機(jī)械庫(kù)中的變轉(zhuǎn)速電機(jī)模擬永磁同步電機(jī)且忽略效率影響；

(4) 采用液壓庫(kù)中變量泵模型模擬斜盤式軸向柱塞泵且忽略效率影響。

為了使變排量調(diào)壓階段與變轉(zhuǎn)速調(diào)壓階段的操控一致性，設(shè)置標(biāo)準(zhǔn)時(shí)變轉(zhuǎn)速設(shè)定壓差Δpm比變排量設(shè)定壓差Δpp低0.2 MPa，因此，系統(tǒng)參數(shù)如表1所示。

通過(guò)試湊法對(duì)抗積分飽和PI調(diào)節(jié)器進(jìn)行參數(shù)整定，先導(dǎo)壓力的設(shè)定變化曲線如圖15所示。進(jìn)行仿真分析得到如圖16與圖17所示的仿真結(jié)果。

圖15 先導(dǎo)壓力的設(shè)定變化曲線

由圖16曲線分析可得：

(1) 在0～1 s區(qū)間內(nèi)，先導(dǎo)壓力為0，電機(jī)轉(zhuǎn)速恒為800 r/min，泵出口流量為系統(tǒng)所能提供的最低流量，負(fù)載敏感壓差為2.5 MPa；

(2) 在1～4 s區(qū)間內(nèi)，隨著先導(dǎo)壓力的上升，經(jīng)流溢流閥的流量逐漸減小直至溢流閥關(guān)閉，在1.6 s時(shí)，溢流閥完全關(guān)閉，泵的排量逐漸上升，負(fù)載敏感壓力逐漸下降并穩(wěn)定在1.6 MPa，3.9 s時(shí)，泵排量比達(dá)到100%，負(fù)載敏感系統(tǒng)壓差繼續(xù)下降；

(3) 在4～9 s區(qū)間內(nèi)，負(fù)載敏感壓差降至1.4 MPa時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)速開(kāi)始逐漸上升，負(fù)載敏感壓差穩(wěn)定在1.4 MPa，而泵排量比維持在100%；

(4) 在9～12 s區(qū)間內(nèi)，電機(jī)轉(zhuǎn)速在9 s時(shí)達(dá)到最大轉(zhuǎn)速2600 r/min，此時(shí)泵出口流量達(dá)到系統(tǒng)最大值為197.6 L/min，隨著先導(dǎo)壓力繼續(xù)增加，負(fù)載敏感壓差下降進(jìn)入流量飽和工況。

由圖17負(fù)載流量仿真曲線可以得到，負(fù)載流量1與負(fù)載流量2保持良好的一致性。在1～8 s區(qū)間內(nèi)，為斜坡信號(hào)響應(yīng)階段，其差值占比低于1.5%；在8～10 s大流量輸出階段，其差值占比低于3%。由此可得，包括流量飽和階段在內(nèi)，整個(gè)過(guò)程系統(tǒng)流量匹配基本不受到負(fù)載壓力影響。

圖16 負(fù)載敏感壓差、電機(jī)轉(zhuǎn)速、泵排量比及泵出口流量仿真曲線

圖17 負(fù)載流量仿真曲線

根據(jù)上述仿真結(jié)果可知，基于分級(jí)壓差控制的雙變動(dòng)力控制策略可以通過(guò)變轉(zhuǎn)速與變排量實(shí)現(xiàn)全范圍流量匹配，最大程度避免流量飽和的情況發(fā)生，而且分級(jí)壓差控制對(duì)負(fù)載敏感及抗流量飽和基本無(wú)影響，系統(tǒng)具有良好的操控性。

圖18 試驗(yàn)樣機(jī)系統(tǒng)原理圖

5 試驗(yàn)研究

為了進(jìn)一步驗(yàn)證雙變動(dòng)力總成控制策略的實(shí)際效果，搭建了一套8 t電動(dòng)挖掘機(jī)的試驗(yàn)樣機(jī)。由于試驗(yàn)過(guò)程中執(zhí)行器加載無(wú)法較精確的控制，所以采用比例溢流閥對(duì)執(zhí)行器進(jìn)行模擬加載，整個(gè)試驗(yàn)樣機(jī)原理圖，如圖18所示。采用4個(gè)比例溢流閥分別模擬動(dòng)臂聯(lián)以及斗桿聯(lián)的加載情況，并且使用流量計(jì)對(duì)泵出口流量及各個(gè)支路流量進(jìn)行采集，各個(gè)支路的負(fù)載壓力通過(guò)壓力傳感器采集。

進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，先對(duì)多路閥某一聯(lián)施加如圖19所示的先導(dǎo)壓力信號(hào)曲線。經(jīng)過(guò)試驗(yàn)可以得到如圖20所示的試驗(yàn)結(jié)果。

由圖20可得，在1 s時(shí)，先導(dǎo)壓力開(kāi)始逐漸上升，由于實(shí)際多路閥閥芯存在遮蓋量，使得在2.6 s時(shí)才有流量通過(guò)節(jié)流口進(jìn)入執(zhí)行器，此時(shí)負(fù)載敏感壓差開(kāi)始下降，當(dāng)變量泵排量從最小開(kāi)始上升時(shí)，負(fù)載敏感壓差穩(wěn)定在1.6 MPa左右；隨著先導(dǎo)壓力繼續(xù)上升，變量泵排量逐漸上升直至達(dá)到最大值，為了穩(wěn)定負(fù)載敏感壓差在調(diào)定值1.4 MPa左右，此時(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)速?gòu)淖畹娃D(zhuǎn)速開(kāi)始上升；最終，先導(dǎo)壓力信號(hào)達(dá)到最大值，電機(jī)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在1400 r/min。從試驗(yàn)結(jié)果可以得到，負(fù)載流

圖19 先導(dǎo)壓力信號(hào)曲線

圖20 分級(jí)壓差控制曲線

量在變排量調(diào)壓階段與變轉(zhuǎn)速調(diào)壓階段都能很好地跟隨先導(dǎo)壓力曲線的變化，在2個(gè)階段轉(zhuǎn)換過(guò)程存在約為100 ms的遲滯，對(duì)操控性能影響較小。

電機(jī)轉(zhuǎn)速分別在800 r/min與2000 r/min固定轉(zhuǎn)速工作，分別輸入圖19先導(dǎo)壓力信號(hào)，進(jìn)行雙變動(dòng)力控制負(fù)載敏感系統(tǒng)的對(duì)比試驗(yàn)，得到如圖21與圖22所示的結(jié)果曲線。從圖中可知，2000 r/min定轉(zhuǎn)速負(fù)載敏感壓差最后穩(wěn)定在變排量泵調(diào)定壓差1.6 MPa，流量約為108 L/min；分級(jí)壓差控制穩(wěn)定在1.4 MPa，流量約為105 L/min；800 r/min定轉(zhuǎn)速因供油不足進(jìn)入流量飽和，壓差穩(wěn)定在0.6 MPa，流量約為59 L/min。

圖21 負(fù)載敏感壓差對(duì)比曲線

圖22 負(fù)載流量對(duì)比曲線

分級(jí)壓差控制及2000 r/min定轉(zhuǎn)速控制的電機(jī)功率對(duì)比曲線，如圖23所示?？蛰d運(yùn)行階段，2000 r/min 定轉(zhuǎn)速的電機(jī)功率約為7.7 kW，而分級(jí)壓差僅約為2 kW，降低了74%的空載損耗；當(dāng)先導(dǎo)壓力上升至最大時(shí)，2000 r/min定轉(zhuǎn)速的功率約為21 kW，而分級(jí)壓差約為17 kW，降低了19%的能量損耗。因此，在這整個(gè)過(guò)程中，分級(jí)壓差控制比2000 r/min定轉(zhuǎn)速控制降低了19%～74%的能量損耗。

綜上所述，從試驗(yàn)結(jié)果可得：

(1) 基于分級(jí)壓差控制的雙變動(dòng)力總成控制策略可以實(shí)現(xiàn)良好的流量跟隨；

(2) 與定轉(zhuǎn)速-變排量負(fù)載敏感系統(tǒng)相比，分級(jí)壓差控制可以解決傳統(tǒng)挖掘機(jī)在低轉(zhuǎn)速下工作時(shí)的流量飽和問(wèn)題，提高挖掘機(jī)操控性；

(3) 分級(jí)壓差控制可以明顯降低在高轉(zhuǎn)速工況下，流量匹配不合適導(dǎo)致的能量損耗，節(jié)能性能提高19%以上。

圖23 電機(jī)功率對(duì)比曲線

6 結(jié)論

(1) 利用電機(jī)相比柴油機(jī)具有良好的調(diào)速特性，針對(duì)電動(dòng)挖掘機(jī)提出基于分級(jí)壓差控制的雙變動(dòng)力控制策略。通過(guò)對(duì)變排量壓差及變轉(zhuǎn)速壓差的分級(jí)設(shè)置，對(duì)電機(jī)與泵排量進(jìn)行分階段控制，最大程度避免流量飽和工況的發(fā)生；

(2) 利用AMESim仿真分析證明了基于分級(jí)壓差控制的雙變動(dòng)力控制策略的可行性，結(jié)果表明分級(jí)壓差控制系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)雙變動(dòng)力源全變量范圍的流量自匹配，最大程度避免了流量飽和工況的發(fā)生，且系統(tǒng)具有良好的操控性；

(3) 通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證了基于分級(jí)壓差控制的雙變動(dòng)力控制策略的具有良好的流量跟隨性，解決了傳統(tǒng)挖掘機(jī)在低速定轉(zhuǎn)速時(shí)流量飽和的問(wèn)題，高轉(zhuǎn)速時(shí)節(jié)能性提高了19%以上。