纯电动装载机液压电机自动控制方法
技术领域
本发明属于工程机械领域，尤其涉及纯电动装载机液压电机自动控制方法。
背景技术
传统柴油装载机在作业时具有排放差、能耗大、效率低等问题。而且，柴油装载机采用一个发动机同时驱动行走系统与液压系统，两套系统呈高度耦合状态。驾驶员无法通过油门、换挡、制动等手段单独对两者中的某一个进行独立驱动，这也会导致装载机在铲掘和卸载过程中能效较低，从而影响到整个循环工作的效率。同时，驾驶员对于装载机液压系统的工作状态缺乏直观感受，其对操纵手柄的暴力动作可能导致液压系统在铲掘、举升等作业时长时间处于溢流状态，导致额外能量损失。
采用双电机将行走系统与液压系统分开驱动的高效零污染的纯电动装载机是一种有效解决方法。装载机常采用加速踏板和制动踏板控制行走电机，但是，驾驶员难以通过踏板同时控制液压电机。
目前，纯电动装载机常采用液压电机输出固定转速或者固定功率的方法，但是该方法无法充分利用电机的宽转速范围和宽高效率区间的优势，也不能根据负载大小调节电机转速，导致不必要的能量损失。国内外研究者还提出了根据驾驶员对转斗油缸操纵杆、动臂油缸操纵杆、方向盘等装置的操纵意图调节液压电机转速的方法。该方法对驾驶员的经验要求较高，驾驶员的操作将直接影响液压系统的能耗与产出。特别是重载工况下，外界压力比较大而需求流量较小，液压缸动作速度慢，经验少的驾驶员为提高液压缸速度，使液压电机工作在高速状态下，造成较大溢流损失。
本发明的目的是针对双电机的纯电动装机提供一种综合考虑液压系统需求功率和流量并兼顾电机效率特性的液压电机自动控制策略。该方法可以根据作业阶段的外界负载变化动态调整液压电机输出转速，兼顾液压系统产出与能耗两方面。液压泵输出流量与实际系统需求相匹配，在不降低产出的情况下，降低系统能量损失，提高液压系统整体作业效率。
发明内容
本发明实施例的目的在于提供纯电动装载机液压电机自动控制方法，旨在解决液压泵输出流量与实际系统需求相匹配，在不降低产出的情况下，降低系统能量损失，提高液压系统整体作业效率的问题。
本发明实施例是这样实现的，
纯电动装载机液压系统主要组成包括定量泵、液压电机、多路阀、转向控制阀、转斗油缸、动臂油缸、转向油缸；
其中，多路阀包含转斗控制阀与动臂控制阀，转斗控制阀向右打开时，转斗液压缸伸出，向左打开，转斗液压缸缩回，控制阀关闭时，转斗液压缸保持原位，动臂控制阀与转斗控制阀同理；
装载机液压系统工作时，通过调节液压电机转速来控制定量泵的输出流量，在控制阀的作用下，驱动指定液压缸产生相应的位移。
纯电动装载机液压电机自动控制方法首先通过装载机档位、液压缸压力、车速等状态信息判断装载机所处工作阶段；
接下来根据物料的属性判断作业难易程度，得出该阶段该物料下的液压系统需求功率范围；然后根据当前转矩大小和功率范围，确定电机期望输出转速的范围，同时通过二元拉格朗日插值法计算当前转矩下，电机效率与转速之间的映射关系；
最后根据液压电机转矩信号、动作液压缸位移信号并考虑液压电机效率属性，通过模糊控制得出期望电机转速，实现液压电机自动控制和流量的按需匹配。
本发明实施例提供的纯电动装载机液压电机自动控制方法，具有以下有益效果：
本发明专利提出一种纯电动装载机液压电机自动控制算法，降低驾驶员操作难度，解决了因驾驶员经验不足导致等原因导致的液压系统低产出、高能耗现象，推进了装载机无人驾驶进程。同时，本发明解决了装载机液压系统在不同阶段不同物料时需求功率不同的问题，使实际输出功率与需求功率相匹配。本发明的液压电机转速随作业过程中的负载大小动态变化，液压泵输出流量与实际流量相匹配，降低节流损失与溢流损失。另外，本发明使液压电机尽可能工作在高效率区间，降低电机自身损耗，且同时考虑了液压缸动作的快慢，兼顾了液压系统产出。本发明专利采用的模糊控制算法可离线计算不同输入下的输出值，并以查表形式存储于控制器中，通用性和实用性强，应用前景良好。
附图说明
图1为液压系统原理图；
图2为系统工作流程图；
图3为二元拉格朗日插值法计算电机任意点效率原理图；
图4为模糊控制器的输入输出关系；
图5为电机效率随转速变化曲线；
图6为电机两工作点的典型情况。
附图中：1定量泵，2液压电机，3优先阀，4多路阀，4-1转斗控制阀，4-2动臂控制阀，5先导控制阀，6双作用阀，7转斗油缸，8动臂油缸，9转向油缸，10转向控制阀。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
以下结合具体实施例对本发明的具体实现进行详细描述。
图1为纯电动装载机液压系统原理图，主要组成包括定量泵1、液压电机2、多路阀4、转向控制阀10、转斗油缸7、动臂油缸8、转向油缸9；
其中，多路阀4包含转斗控制阀4-1与动臂控制阀4-2；
转斗控制阀向右打开时，转斗液压缸伸出，向左打开，转斗液压缸缩回，控制阀关闭时，转斗液压缸保持原位，动臂控制阀与转斗控制阀同理；
装载机液压系统工作时，通过调节液压电机转速来控制定量泵的输出流量，在控制阀的作用下，驱动指定液压缸产生相应的位移。
图2为本发明的主要工作过程，本发明专利首先通过装载机档位、液压缸压力、车速等状态信息判断装载机所处工作阶段，接下来根据物料的属性判断作业难易程度，得出该阶段该物料下的液压系统需求功率范围，然后根据当前转矩大小和功率范围，确定电机期望输出转速的范围，同时通过二元拉格朗日插值法计算当前转矩下，电机效率与转速之间的映射关系；
最后根据液压电机转矩信号、动作液压缸位移信号并考虑液压电机效率属性，通过模糊控制得出期望电机转速，实现液压电机自动控制和流量的按需匹配。
纯电动装载机液压电机自动控制方法的具体步骤如下：
1).首先根据装载机状态(档位、转斗缸大腔压力、动臂缸大腔压力、车速等信息)判断装载机所处作业阶段，装载机常用作业工况为v形作业，根据液压系统作业特点，可将v工况分为7个阶段，各阶段名称及判断标准如表1所示。
为方便描述，对车速、转斗缸大腔压力和动臂缸大腔压力分别设定一阈值，低于阈值则判断为低，高于阈值判断为高。
表1.液压系统阶段分类及判断
2).接下来当物料与铲斗接触时，根据物料属性，判断作业难易程度，装载机的作业对象具有多样化的特点，包括沙子、煤块、铁矿石等不同属性的散状物料；
在同一工作阶段，对不同对象作业时，液压系统需求功率也有较大差异，特别是V2铲掘、V3满载后退、V4动臂举升阶段，V2铲掘阶段的作业难度与物料密度、颗粒大小、流动性、料堆大小、安息角等参数都有关系，满载运输以及动臂举升阶段与物料密度有关，在满斗情况下，密度越大则作业难度越高。
3).确定作业阶段以及该阶段作业难易程度后，即可得出当前阶段液压系统需求功率范围[Pmin，Pmax]。
该功率范围可以通过同型号的装载机对不同属性的物料进行多次载荷谱实验，然后通过实验数据分析确定；
阶段不同，需求功率不同，其中V2和V4阶段需求功率最大，V3次之，V6和V7阶段较低，V1和V5阶段最小，在同一阶段，作业难度越大，需求功率越高；反之，需求功率越低。
4).然后便可根据当前电机转矩大小以及功率范围，确定转速范围：
其中，Pmin为液压电机最小需求功率，w；Pmax为液压电机最大需求功率，w；T为液压电机当前转矩，Nm；dmin为液压电机最小需求转速，rad/s；nmax为液压电机最大需求转速，rad/s。
5).同时，根据电机转矩大小，以电机效率MAP数据为基础，采用二元拉格朗日插值法获取当前转矩下电机效率随转速的映射关系，二元拉格朗日插值法的原理如图3所示；
任意转速与转矩交汇处效率η(n，T)可以根据电机效率MAP数据中距离n和T最近的四点(n1，T1)，(n2，T1)，(n1，T2)，(n2，T2)的效率计算得出，在步骤4确定的转速范围内可求出效率最高处的电机转速N2。
点(n，T2)处效率η(n，T2)计算公式：
点(n，T1)处效率η(n，T1)计算公式：
点(n，T)处效率可根据点(n，T1)和点(n，T2)处效率计算公式：
6).设定液压缸参考位移Yref，以转斗液压缸为例，当转斗控制阀接受向右打开或向左打开命令开始计时，设定初始时刻转斗液压缸参考位移为0，转斗液压缸参考位移为时间的线性函数，将初始时刻的液压缸测量位移记为Yini，将任意时刻液压缸测量位移记作Ymes，将液压缸实际位移记作Y；
Yref＝vref×t；
Y＝Ymes-Yini；
式中，vref为液压缸理想伸出或缩回的平均速度，m/s。
7).将参考液压缸位移Yref与实际液压缸位移Y的差值dY(dY＝Yref-Y)以及电机当前转矩T作为模糊控制器1的两个输入进行模糊控制得到电机转速N1，具体方法为：
液压缸位移差dY和电机转矩T作为模糊输入量，电机转速N1作为模糊输出量；
对于液压缸位移差dY采用三个模糊集合来描述：负大NB，小S，正大PB；
对于电机转矩T也采用三个模糊集合来描述：小S，中C，大B；
对电机转速N1采用五个模糊集合描述：极小VS，小S，中等C，大B，极大VB；
根据专家经验，制定模糊规则如表2所示：
表2.电机转速N1模糊规则
8).将当前转矩T对应的电机转速N2与电机转速N1时的转速差值的绝对值dN(dN＝|N2-N1|)以及效率差值dη(dη＝η(N2，T)-η(N1，T))作为模糊控制器2的两个输入量进行模糊控制得到电机转速增量δN，具体方法如下：
转速差值的绝对值dN和效率差值dη作为模糊输入量，电机转速δN作为模糊输出量；对于转速差值的绝对值dN采用三个模糊集合来描述：小S，中C，大B；对于效率差值dη也采用三个模糊集合来描述：小S，中C，大B；对电机转速增量δN采用五个模糊集合描述：极小VS，小S，中等C，大B，极大VB；根据专家经验，制定模糊规则如表3所示：
表3.电机转速增量δN的模糊规则
9).电机最终期望转速N由N1和转速增量δN计算得到；
N＝N1+k×δN；
式中，k为增量转速系数，当N2≥N1时，k＝1；当N2＜N1时，k＝-1。
图4描述了步骤7-9中的模糊控制器的输入输出关系。
在步骤7中的模糊控制器1的两个输入为电机转矩T和位移差dY，电机转矩取决于液压系统外界负载大小，负载越大，电机转矩越大，此时液压系统需求流量较低，电机期望转速较低；反之，电机转矩越小，电机期望转速越高。
位移差dY表征了液压缸动作的多少，当dY为NB时，液压缸实际位移高于参考位移，期望电机输出较低转速；当dY为PB时，液压缸实际位移低于参考位移，液压缸之前一段时间内速度较慢，期望液压电机输出高转速以使实际位移接近参考位移。
步骤7的模糊控制器1输出为电机转速N1，该转速值考虑了负载大小以及液压系统产出，但并未考虑液压电机工作点的效率。
在电机当前转矩确定下来后，电机效率随转速的变化如图5所示，横坐标为转速，纵坐标为效率，随着转速增大，电机效率先快速增加，之后缓慢增长直至最大值，最后效率开始缓慢降低，不同转矩时的电机效率随转速的映射关系具有相似性，与图5所示曲线变化趋势相一致。
步骤8中的模糊控制器2在电机转速N1的基础上，进一步结合电机效率特性确定期望电机转速，N1为转速范围内考虑负载和液压系统产出得出的转速，N2为转速范围内效率最高点转速，电机(N1，T)与(N2，T)点的的转速差以及效率差具有图6所示的四种典型情况；图6(a)中的“转速差小，效率差大”的情况，应将期望电机转速由N1调整至接近N2；出现图6(b)“转速差大，效率差大”的情况，期望转速应调整至N1与N2中间位置；出现图6(c)“转速差小，效率差小”的情况，期望转速取N1或N2对结果影响并不大，可对电机转速N1作微小调整；出现图6(d)“转速差大，效率差小”的情况，期望转速应接近N1，转速增量δN应非常小。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，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、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
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