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混合动力挖掘机硬件在环仿真测试系统

时间:2024-12-22

张 迁,陈 华,钟柳芳

(中联重科股份有限公司,湖南 长沙 410013)

硬件在环仿真系统是基于DSPACE(Digital Signal Processing and Control Engineering)实时半实物控制系统开发及半实物仿真的软硬件工作平台[1],通过该软件平台,可以实现和 MATLAB/Simulink/RTW(Real-Time Workshop)的无缝连接.建立混合动力挖掘机硬件在环仿真测试系统的重要意义在于,其控制策略的开发可以不依赖挖掘作业环境,在进行挖掘作业之前,得到与挖掘作业环境非常接近的测试和验证.

1 混合动力挖掘机硬件在环仿真测试系统

混合动力挖掘机作业、行走系统采用并联式结构,回转采用串联式结构.发动机、液压泵和辅助电机同轴联接,发动机作为主动力源,输出负载所需平均功率,辅助电机作为辅助动力源,平衡负载功率的波动.回转动作采用电驱动方式,通过回转电机控制回转动作.

混合动力挖掘机硬件在环仿真测试系统中(见图1),通过Simulink软件平台建立整车控制器输入输出、CAN总线通信系统、电控发动机、辅助电机、回转电机、超级电容的仿真模型.将模型按照设计逻辑在DSPACE仿真计算机中整合成完整的测试系统,DSPACE将控制信号输出至信号适配系统转换成主机控制器TTC200的输入/输出及通讯端口可识别的信号,以此搭建DSPACE仿真测试系统[2],从而测试TTC200控制器IO模块、CAN通信系统、控制逻辑的正确性及控制器控制性能.

图1 硬件在环仿真测试系统Fig.1 Hardware-in-the-loop simulation testing system

1.1 控制器输入输出建模

在MATLAB环境下安装与硬件在环仿真测试系统处理芯片相应的驱动程序后,将在Simulink模块下自动添加与控制器输入输出相对应的模块库,如DS2202,通过配置模块参数可建立控制器输入输出模型.

控制器输入分为数字量输入、模拟量输入和PWM输入,控制器输出也分为数字量输出、模拟量输出和PWM输出.在建立控制器输入模型时,根据传感器特性配置模块参数,与DSPACE硬件系统输出端口对应,即完成控制器输入模型,数字量输入建模如图2所示.

图2 数字量输入建模Fig.2 Digital input modeling

对于控制器输入较复杂的情况,可将控制器连接实际的传感器输入信号,即可观察其输入特性.

建立控制器输出模型方法与之类似,PWM输出建模如图3所示.

图3 PWM输出建模Fig.3 PWM output modeling

对于控制器输出不易建模的情况,可将控制器连接真实负载,观察负载响应特性,例如PWM控制比例电磁阀的动态响应.

1.2 控制器CAN通信系统建模

模块库中含有CAN通信模块,根据制定的电机驱动器、超级电容、发动机、控制器CAN通信协议,建立控制器CAN通信系统模型.在Simulink平台上使用相应的CAN通信模块,设置CAN通信端口、通信速率、ID样式(标准帧或扩展帧)完成CAN通信参数配置.根据通信协议将控制器需接收的信号添加到接收模块中进行接收并将信号进行解析,将控制器需发送的信号添加到发送模块进行发送,完成控制器CAN通信系统的建模.

1.3 联合建模

发动机、辅助电机系统、超级电容、回转电机系统和负载是混合动力挖掘机的重要组成部分,其整体建模框图如图4所示.

1.3.1 发动机建模

以发动机速度特性曲线为基础,根据试验数据进行数据拟合,建立发动机动力学模型,即确定发动机转矩与油门开度和转速之间的关系.

假定发动机油门开度为100%,此时测得的发动机转矩与转速之间的关系为发动机外特性,其特性曲线如图5所示.

分别测得油门开度为10%,20%,30%,…,90%时发动机的速度特性曲线,根据测试数据进行数据拟合,利用插值查表的方法得到不同油门开度时发动机转矩与转速之间的关系,从而建立起发动机动力学模型.

1.3.2 辅助电机系统系统建模

图5 发动机外特性Fig.5 Engine output characteristic

辅助电机与发动机同轴联接,其主要作用是作为辅助动力源与发动机共同驱动负载,起到削峰填谷的作用,均衡负载的剧烈变化.在对辅助电机进行建模时,将辅助电机及其控制器看作一个动力转换单元,只考虑其能量效率和动力学特性.

辅助电机作为辅助动力源,当负载需求功率大于发动机输出功率时,辅助电机工作于电动状态,与发动机共同驱动负载;当负载需求功率小于发动机输出功率时,辅助电机工作于发电状态,将多余的能量存储到储能单元中.

根据挖掘机液压系统前后泵压力和流量可计算得到负载需求功率PL,根据发动机转速nE和转矩TE可计算得到发动机输出功率PE.辅助电机采取转矩控制方式,依据负载需求功率和发动机输出功率,结合辅助电机系统电动效率和发电效率,从而可计算得到辅助电机输出转矩TA、输出功率PA和工作模式,建立起辅助电机系统模型.

若辅助电机工作于电动模式,即将电能转化为机械能,考虑到辅助电机的电动效率ηm,则辅助电机输出功率PA为

若辅助电机工作于发电模式,即将机械能转化为电能,考虑到辅助电机的发电效率ηg,则辅助电机输出功率PA为

辅助电机输出转矩TA为

式中:TA为辅助电机输出转矩,N·m;PA为辅助电机输出功率,kW;nE为发动机转速,r·mim-1.

根据辅助电机系统测试试验数据可知辅助电机电动效率和发电效率,如图6和图7所示.

图6 辅助电机电动功率Fig.6 Assistant motor motoring power

1.3.3 超级电容建模

当辅助电机工作于电动状态时,超级电容放电给辅助电机驱动负载;当辅助电机工作于发电状态时,超级电容将多余的能量进行存储.超级电容建模主要是建立充放电能量QC与超级电容工作电压UC、工作电流IC和荷电状态(State of Charge,SOC)之间的关系.

超级电容充放电能量由辅助电机输出功率决定,即QC=PA.式中:C为超级电容容量.从而可得到充放电能量与超级电容工作电压UC和工作电流IC之间的关系.

超级电容在工作状态中应考虑工作寿命,故应使其工作在合理的电压范围内[Umin,Umax],SOC能反映超级电容储存电量的多少,即充放电的程度,其定义如下:

图7 辅助电机发电功率Fig.7 Assistant motor generating power

1.3.4 回转电机系统建模

回转动作采用电驱动方式,回转驱动时,超级电容放电驱动回转电机工作于电动状态;回转制动时,回转电机工作于发电状态将能量存储到超级电容中.

回转电机的动作受控于液压手柄操作的先导压力,根据先导压力大小换算成回转电机的目标转速,并结合发动机转速设置有挡位区别的最高转速,符合传统挖掘机的操控特性.

为了获取低速区转速稳定、高速区减速迅速的回转效果,利用三次幂的抛物线拟合回转电机的目标转速(Control_speed)与先导压力(P_pilot)的换算关系:Control_speed=A*(P_pilot^3)+B*(P_pilot^2)+C.

然而在做转速控制的同时,若以恒定的转速变化率驱动电机,可能导致低速状态下扭矩变化太大导致冲击感强烈,或者在高速状态下扭矩变化太小而不能及时响应目标转速.因此,须根据实时的目标转速与当前转速(State_speed)计算转速变化率,即转 速 增 益 (Speed_gain):Speed_gain=abs(Control_speed-State_speed)/A.

当先导压力陡降至截止压力以下时,需要发挥电机最大力矩进行发电制动回收能量,为了实现在减速至低转速区时减缓冲击,转速增益与实时转速以对数曲线拟合,使得增益随着转速的下降迅速减小:Speed_gain=A*(log10(abs(State_speed))).

由DSPACE模拟回转电机的转速响应,其响应时间间隔与实时计算的转速增益成反比,比例系数由电机特性决定.图8为回转电机转速响应模型,图中U为变量,z为延迟一个扫描周期,U/z为上一个扫描周期的数值.

图8 回转电机转速响应模型Fig.8 Rotate motor speed responding model

2 硬件在环仿真系统测试

混合动力控制器采用发动机转速控制、辅助电机转矩控制、回转电机转速控制的控制策略,其编程平台为MATLAB/Simulink编程环境,将设计好的控制策略在编程环境中实现,通过编译软件将其转化为适用于控制器的可执行性文件,并将其下载到控制器中运行.

将控制器IO、控制系统关注参数添加到硬件在环仿真测试系统人机界面平台ControlDesk中,通过配置输入输出测试控制器IO,通过加载负载检测控制器逻辑、控制性能好坏及CAN通信是否正常.

使挖掘机工作在重载模式,测得液压系统前后泵压力变化情况,作为负载加载到仿真系统中,观察系统响应情况.

液压系统前后泵压力变化情况如图9所示.

图9 液压系统前后泵压力曲线图Fig.9 Front and behind pump pressure of hydraulic system

在重载模式下,发动机转速仿真结果如图10所示.

图10 发动机转速变化曲线图Fig.10 Engine speed

超级电容SOC仿真结果如图11所示.

图11 超级电容SOC变化曲线图Fig.11 SOC of super capacitor

从图9—11中可以看出,挖掘机在重载模式下进行挖掘作业时,前后泵压力变化剧烈,但在混合动力控制系统的控制作用下,发动机转速仍能维持在小范围内波动,能基本保持稳定,电容SOC能很好地保持充放电状态的平衡.仿真结果验证了控制器控制逻辑的正确性及其较好的控制性能,从而缩短了开发周期,节约了试验费用.

[1]李宏才,王伟达,韩立金,等.混联式混合动力控制系统硬件在环仿真平台设计与应用[J].公路交通科技,2011,28(4):130-135.

LI Hongcai,WANG Weida,HAN Lijin,et al.Design and application of HIL simulation platform for parallel-series hybrid power control system[J].Journal of Highway and Transportation Research and Development,2011,28(4):130-135.

[2]北京经纬恒润科技有限公司.硬件在环(HIL)仿真测试设备[R].北京:北京经纬恒润科技有限公司,2010.

Beijing Hirain Technology Co Ltd.Hardware-in-the-loop(HIL)simulation testing device[R].Beijing:Hirain Technology Co Ltd,2010.

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