混合動力挖機多電機集群驅(qū)動控制技術研究

1、多電機集群控制技術研究易 振 摘要：本文主要介紹了目前多電機控制的現(xiàn)狀和缺陷，提出了一種多電機集群控制的全新技術，并具體闡述多電機集群控制技術在混合動力液壓挖掘機上的應用，以及通過對比得出多電機集群驅(qū)動控制技術性能可靠、成本低、體積小、重量輕、精確控制度高等優(yōu)勢，具有廣大的推廣前景和推廣價值。關鍵詞：多電機集群控制；混合動力液壓挖掘機；集群控制；整合；控制命令字；主處理電路；緩存電路；協(xié)處理電路。1 前言在一些比較復雜的設備中，如智能機器人、自動裝配流水線、混合動力汽車、混合動力液壓挖掘機等，均會出現(xiàn)多種電機存在并協(xié)同工作的狀況。目前國內(nèi)外對多電機控制均是對每個電機采用獨立的控制電路和驅(qū)動電路

2、，這樣的控制方法電路冗余多，集成度不高，硬件成本偏高，所占體積大，重量重，且對電機的精確控制度不高。針對這些現(xiàn)狀提出了多電機集群控制技術，對所有電機采用同一個控制電路，通過減少元器件來實現(xiàn)降低成本、減少基金項目：“十一五”國家863計劃項目課題：新型混合動力工程機械關鍵技術及系統(tǒng)（2009AA044401）體積和重量等的目的。2多電機集群控制技術2.1多電機集群控制硬件組成多電機集群驅(qū)動控制硬件由外圍信號接收電路，主處理器電路，緩存電路，協(xié)處理器電路，電機驅(qū)動電路組成，多電機集群驅(qū)動控制硬件結(jié)構(gòu)框圖見圖1。圖1 多電機集群驅(qū)動控制硬件結(jié)構(gòu)框圖其中外圍信號接收電路由三部分電路組成：A/D轉(zhuǎn)換電路

3、可將外部的模擬控制信號直接轉(zhuǎn)換成主處理電路所需的數(shù)字信號；CAN總線收/發(fā)電路可將外部其他設備傳輸來的電機控制信號轉(zhuǎn)換成主處理電路所需的數(shù)字信號；電機反饋處理電路可將各電機的電流反饋和速度反饋轉(zhuǎn)換成主處理電路所需的數(shù)字信號。主處理電路由主處理器、電容、電阻、晶振，I/O接口芯片，看門狗芯片、程序存儲芯片等組成，主要支持主處理器根據(jù)程序正常運行。緩存電路選用可讀寫的RAM，有地址口，數(shù)據(jù)口，讀/寫口，片選口等，提供主處理電路寫數(shù)據(jù)存儲單元和協(xié)處理電路讀數(shù)據(jù)存儲單元。協(xié)處理電路由協(xié)處理器、電容、電阻、晶振，I/O接口芯片，看門狗芯片、程序存儲芯片等組成，主要支持協(xié)處理器根據(jù)程序正常運行。電機驅(qū)動電

4、路由光耦，小功率驅(qū)動芯片，大功率驅(qū)動芯片等組成，主要實現(xiàn)強弱電隔離，功率放大和對電機的驅(qū)動。 2.2多電機集群控制實現(xiàn)過程主處理電路接收所有電機的控制信號和速度、電流反饋信號，分別進行相應的運算處理：對脈寬調(diào)速的直流電機，進行速度反饋和電流反饋的雙閉環(huán)控制計算，算出每個脈沖周期的占空比，轉(zhuǎn)換成固定周期內(nèi)高/低電平持續(xù)時間；對變頻調(diào)速的三相永磁電機，根據(jù)控制信號、速度和電流反饋的雙閉環(huán)控制（三角波截取正弦波）計算，生成對應某頻率的一個周期內(nèi)A、B、C三相橋式電路中六個功率開關管對應的所有導通/斷開持續(xù)時間；對調(diào)節(jié)勵磁電流控制發(fā)電電壓/功率的發(fā)電機，根據(jù)控制信號、電壓/功率反饋進行閉環(huán)計算，生成周

5、期內(nèi)控制勵磁電流功率開關管的導通/斷開持續(xù)時間（平均勵磁電流）。主處理器將上述這些計算出的控制對象和控制時間存儲在芯片內(nèi)的寄存器中，采用同一個時鐘基準進行從先到后的排序、整合，生成控制命令字。整合，就是將各個電機的單控制時間對應單控制對象合成為單控制時間對應多控制對象的計算方法。例如：最開始一個脈寬調(diào)速直流電機工作，脈沖頻率5KHZ（周期200us），高電平100us，低電平100us，這時，另一脈寬調(diào)速直流電機工作，脈沖頻率4KHZ（周期250us），高電平50us，低電平200us，則將第二個電機的開始時間與第一電機的最新狀態(tài)開始時間同步。整合成新的數(shù)據(jù)：第一電機高電平 100 us，第一

6、電機低電平 第二電機高電平 50us，第一電機低電平 第二電機低電平 50us，第一電機高電平 第二電機低電平 100us，第一電機低電平 第二電機低電平 50us，.三相電機變頻調(diào)速的數(shù)據(jù)整合方法與直流電機脈寬調(diào)速整合方法相同，只是更加復雜，在這就不一一例舉。主處理器在三種情況下會將控制命令字送入緩存電路：控制信號突變（生成控制命令字后）；反饋突變（生成控制命令字后）；完成一組控制命令字（每組控制命令字的個數(shù)依需要而定，通常將變頻調(diào)速一個周期設為一組控制命令字）。緩存電路分上下兩個存儲區(qū)，主處理器在將控制命令字組送入緩存電路之前，先檢查協(xié)處理器當前讀數(shù)據(jù)區(qū)域，如協(xié)處理器在讀上半?yún)^(qū)時，則刷新下

7、半?yún)^(qū)，如協(xié)處理器在讀下半?yún)^(qū)時，則刷新上半?yún)^(qū)，刷新完成后通知協(xié)處理器結(jié)束相應半?yún)^(qū)的讀工作，改從另一半?yún)^(qū)的入口地址開始順序下讀。主處理器與協(xié)處理器的信息交換采用讀端口和外部中斷方式。協(xié)處理器讀上半?yún)^(qū)時將端口置“1”，讀下半?yún)^(qū)時將端口置“0”，主處理器只需讀此端口狀態(tài)便知道協(xié)處理器當前所讀的是緩存電路的上半?yún)^(qū)還是下半?yún)^(qū)。主處理器通知協(xié)處理器采用外部中斷方式，將主處理器的一個端口與協(xié)處理器的外部中斷口相連，主處理器在此端口發(fā)出一下降沿信號，使協(xié)處理器產(chǎn)生中斷。協(xié)處理器的工作就是不斷讀取緩存電路存儲單元的內(nèi)容，根據(jù)控制命令字第一部分控制對象內(nèi)容，控制相對應的驅(qū)動電路導通/斷開，將控制命令字第二部分的狀態(tài)

8、維持時間送入定時器，周而復始地重復上述操作。定時器設定為中斷方式，當中斷請求時對下一個控制命令字進行同樣操作。2.3控制命令字主處理電路與協(xié)處理電路之間數(shù)據(jù)傳遞的核心就是控制命令字，主處理電路計算生成控制命令字，寫入緩存電路，協(xié)處理電路從緩存電路中讀取控制命令字，分解執(zhí)行相應操作?？刂泼钭址譃閮刹糠郑嚎刂茖ο蠛涂刂茣r間。第一部分是控制對象，每半個字節(jié)對應一個電機，所以第一部分所占字節(jié)數(shù)為電機數(shù)量加1除以2再取整。半個字節(jié)從“0000”到“1111”共16種狀態(tài)，幾乎涵蓋所有電機的所有狀態(tài)，可根據(jù)實際控制情況進行相應定義。如“0000”表示此控制命令字不控制相應電機，為“1111”表示控制相應

9、電機處于發(fā)電狀態(tài)，“1110”表示控制相應電機脈寬調(diào)速為高電平，“1101” 表示控制相應電機脈寬調(diào)速為低電平，剩下的組合分別表示控制相應電機變頻調(diào)速的A，B，C三相橋的導通狀態(tài)。控制命令字第二部分是控制時間，又叫狀態(tài)持續(xù)時間，占用2字節(jié)，表示此狀態(tài)的維持時間，精度要求高的可擴展到3，4字節(jié)?？刂泼钭纸M成見圖2。圖2 控制命令字組成圖3多電機集群控制技術在混合動力液壓挖掘機上的應用我廠研制的“863項目”混合動力液壓挖掘機上共有6個電機：主驅(qū)動電機、能量回收電機、回轉(zhuǎn)電機、水路循環(huán)水泵電機、發(fā)動機散熱風扇電機、超級電容散熱風扇電機。按性能主要分為三類：直流電機，三相永磁發(fā)電/電動一體機、勵磁

10、可調(diào)發(fā)電機。對這三類電機需分別采用不同的控制方式，對直流電機采用脈寬調(diào)速方式，對三相永磁發(fā)電/電動一體機采用變頻調(diào)速方式與發(fā)電切換方式，對發(fā)電機的發(fā)電功率調(diào)節(jié)采用勵磁電流（PWM）調(diào)節(jié)方式。將主驅(qū)動電機、能量回收電機、回轉(zhuǎn)電機、水路循環(huán)水泵電機、發(fā)動機散熱風扇電機、超級電容散熱風扇電機編號為1，2，3，4，5，6。其中1號電機是三相永磁發(fā)電/電動一體機電機，2號電機是勵磁可調(diào)節(jié)發(fā)電機，3，4號電機是三相永磁電動機，5，6號電機是直流電機。1，3，4號電機驅(qū)動電路見圖3。圖3 三相永磁電機驅(qū)動電路圖中G，G實現(xiàn)三相永磁電機發(fā)電/電動狀態(tài)切換,當G導通,G斷開時, 三相永磁電機處于電動狀態(tài),電源U

11、通過G為三相橋提供動力電源；當G導通,G斷開時, 三相永磁電機處于發(fā)電狀態(tài), 三相永磁電機發(fā)電通過三相橋上的續(xù)流二極管整流，經(jīng)G為負載提供電源。A，A，B，B，C，C組成三相橋電路，去除同一橋上功率管不能同時導通（如A，A）可排列組合出8個狀態(tài)（其中有效狀態(tài)6個），變頻調(diào)速就是不斷控制三相橋上6個功率管的導通與斷開來實現(xiàn)的。3，4號電機與1號電機驅(qū)動電路不同之處是3，4號電機不需要G，G。5，6號電機的驅(qū)動電路見圖4，當Z，F(xiàn)導通，Z，F(xiàn)斷開時電機正轉(zhuǎn)；當Z，F(xiàn)導通，Z，F(xiàn)斷開時電機反轉(zhuǎn)；脈寬調(diào)速就是不斷控制其中一組的通/斷來實現(xiàn)直流電機調(diào)速的。2號電機勵磁電流（PWM）調(diào)節(jié)驅(qū)動電路見圖5。

12、圖4 直流電機驅(qū)動電路 圖5 發(fā)電機勵磁調(diào)節(jié)驅(qū)動電路控制命令字的定義：由于需要控制混合動力液壓挖掘機上的6個電機，所以控制命令字第一部分控制對象占3個字節(jié)（6個半字節(jié)），第1個半字節(jié)至第6個半字節(jié)分別對應1，2，3，4，5，6號電機，控制命令字第二部分控制時間占用2個字節(jié)，則在混合動力液壓挖掘機多電機集群控制設計中一個完整的控制命令字占5個字節(jié)。對控制命令字第一部分控制對象的具體定義見圖6。圖6 控制命令字第一部分邏輯定義表多電機集群控制技術應用在混合動力液壓挖掘機上，與每個電機采用獨立控制電路進行充分對比試驗得出結(jié)論：采用多電機集群控制技術成本更低、體積更小、重量更輕，可靠性更高，并且對電機

13、的精確控制度高。具體對比見下表：比較項目多電機集群控制獨立控制原因分析體積小大混合動力液壓挖掘機采用獨立控制電路需6片微處理器及其外圍電路，而采用多電機集群控制技術只需2片微處理器，元器件大幅度減少，自然帶來體積、成本、重量上的優(yōu)勢。成本低高重量輕較輕可靠性高較高獨立控制電路中微處理器既要采集信號，又要分析和處理信號，還要產(chǎn)生驅(qū)動控制信號，容易造成中斷嵌套死機，并且對定時器中斷響應及時與對數(shù)據(jù)采集分析處理及時相互矛盾；而在多電機集群控制技術中微處理器分工明確，主處理器專職采集、分析和處理信號，協(xié)處理器專職產(chǎn)生驅(qū)動控制信號，主處理器沒有中斷，協(xié)處理器僅有定時器中斷。因此多電機集群控制技術可靠性和

14、精確控制度比獨立控制更高。精確控制度高較高4 結(jié)束語多電機同時工作不僅僅只出現(xiàn)在混合動力液壓挖掘機上，它在許多復雜的工業(yè)控制、自動控制設備上也經(jīng)常出現(xiàn)，對多個電機集群調(diào)度，集群控制的研究還處于較新的前沿技術領域，主要難點在于對多電機綜合運算的精確控制，以及多電機控制電路的電磁兼容。本文給出一種可實現(xiàn)的多電機集群控制技術，更多優(yōu)化還有待進一步的研究。 參考文獻：1 自動控制理論基礎，北京理工大學出版社，1991 2 電機學與電力拖動技術，國防工業(yè)出版社，2009 3 履帶車輛電傳動系統(tǒng)集成及關鍵技術研究，北京理工大學，2010Abstract This text mainly introduce

15、d the actuality and defect of electric machines controlled, advance a kind of new technique which electric machines by centralizing, and elaborate the technique of electric machines by centralizing applied at the Hybrid power hydraulic excavator, and pass contrast have a conclusion that the electric machines by centralizing possess advantages of more credible technique function, lower cost, smaller volume, lighter wei