混合動力挖掘機硬件在環(huán)仿真測試系統(tǒng)

張 遷，陳 華，鐘柳芳

（中聯(lián)重科股份有限公司，湖南 長沙 410013）

硬件在環(huán)仿真系統(tǒng)是基于DSPACE（Digital Signal Processing and Control Engineering）實時半實物控制系統(tǒng)開發(fā)及半實物仿真的軟硬件工作平臺［1］，通過該軟件平臺，可以實現(xiàn)和 MATLAB/Simulink/RTW（Real-Time Workshop）的無縫連接.建立混合動力挖掘機硬件在環(huán)仿真測試系統(tǒng)的重要意義在于，其控制策略的開發(fā)可以不依賴挖掘作業(yè)環(huán)境，在進行挖掘作業(yè)之前，得到與挖掘作業(yè)環(huán)境非常接近的測試和驗證.

1 混合動力挖掘機硬件在環(huán)仿真測試系統(tǒng)

混合動力挖掘機作業(yè)、行走系統(tǒng)采用并聯(lián)式結構，回轉采用串聯(lián)式結構.發(fā)動機、液壓泵和輔助電機同軸聯(lián)接，發(fā)動機作為主動力源，輸出負載所需平均功率，輔助電機作為輔助動力源，平衡負載功率的波動.回轉動作采用電驅動方式，通過回轉電機控制回轉動作.

混合動力挖掘機硬件在環(huán)仿真測試系統(tǒng)中（見圖1），通過Simulink軟件平臺建立整車控制器輸入輸出、CAN總線通信系統(tǒng)、電控發(fā)動機、輔助電機、回轉電機、超級電容的仿真模型.將模型按照設計邏輯在DSPACE仿真計算機中整合成完整的測試系統(tǒng)，DSPACE將控制信號輸出至信號適配系統(tǒng)轉換成主機控制器TTC200的輸入/輸出及通訊端口可識別的信號，以此搭建DSPACE仿真測試系統(tǒng)［2］，從而測試TTC200控制器IO模塊、CAN通信系統(tǒng)、控制邏輯的正確性及控制器控制性能.

圖1 硬件在環(huán)仿真測試系統(tǒng)Fig.1 Hardware-in-the-loop simulation testing system

1.1 控制器輸入輸出建模

在MATLAB環(huán)境下安裝與硬件在環(huán)仿真測試系統(tǒng)處理芯片相應的驅動程序后，將在Simulink模塊下自動添加與控制器輸入輸出相對應的模塊庫，如DS2202，通過配置模塊參數(shù)可建立控制器輸入輸出模型.

控制器輸入分為數(shù)字量輸入、模擬量輸入和PWM輸入，控制器輸出也分為數(shù)字量輸出、模擬量輸出和PWM輸出.在建立控制器輸入模型時，根據(jù)傳感器特性配置模塊參數(shù)，與DSPACE硬件系統(tǒng)輸出端口對應，即完成控制器輸入模型，數(shù)字量輸入建模如圖2所示.

圖2 數(shù)字量輸入建模Fig.2 Digital input modeling

對于控制器輸入較復雜的情況，可將控制器連接實際的傳感器輸入信號，即可觀察其輸入特性.

建立控制器輸出模型方法與之類似，PWM輸出建模如圖3所示.

圖3 PWM輸出建模Fig.3 PWM output modeling

對于控制器輸出不易建模的情況，可將控制器連接真實負載，觀察負載響應特性，例如PWM控制比例電磁閥的動態(tài)響應.

1.2 控制器CAN通信系統(tǒng)建模

模塊庫中含有CAN通信模塊，根據(jù)制定的電機驅動器、超級電容、發(fā)動機、控制器CAN通信協(xié)議，建立控制器CAN通信系統(tǒng)模型.在Simulink平臺上使用相應的CAN通信模塊，設置CAN通信端口、通信速率、ID樣式（標準幀或擴展幀）完成CAN通信參數(shù)配置.根據(jù)通信協(xié)議將控制器需接收的信號添加到接收模塊中進行接收并將信號進行解析，將控制器需發(fā)送的信號添加到發(fā)送模塊進行發(fā)送，完成控制器CAN通信系統(tǒng)的建模.

1.3 聯(lián)合建模

發(fā)動機、輔助電機系統(tǒng)、超級電容、回轉電機系統(tǒng)和負載是混合動力挖掘機的重要組成部分，其整體建?？驁D如圖4所示.

1.3.1 發(fā)動機建模

以發(fā)動機速度特性曲線為基礎，根據(jù)試驗數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)擬合，建立發(fā)動機動力學模型，即確定發(fā)動機轉矩與油門開度和轉速之間的關系.

假定發(fā)動機油門開度為100%，此時測得的發(fā)動機轉矩與轉速之間的關系為發(fā)動機外特性，其特性曲線如圖5所示.

分別測得油門開度為10%，20%，30%，…，90%時發(fā)動機的速度特性曲線，根據(jù)測試數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)擬合，利用插值查表的方法得到不同油門開度時發(fā)動機轉矩與轉速之間的關系，從而建立起發(fā)動機動力學模型.

1.3.2 輔助電機系統(tǒng)系統(tǒng)建模

圖5 發(fā)動機外特性Fig.5 Engine output characteristic

輔助電機與發(fā)動機同軸聯(lián)接，其主要作用是作為輔助動力源與發(fā)動機共同驅動負載，起到削峰填谷的作用，均衡負載的劇烈變化.在對輔助電機進行建模時，將輔助電機及其控制器看作一個動力轉換單元，只考慮其能量效率和動力學特性.

輔助電機作為輔助動力源，當負載需求功率大于發(fā)動機輸出功率時，輔助電機工作于電動狀態(tài)，與發(fā)動機共同驅動負載；當負載需求功率小于發(fā)動機輸出功率時，輔助電機工作于發(fā)電狀態(tài)，將多余的能量存儲到儲能單元中.

根據(jù)挖掘機液壓系統(tǒng)前后泵壓力和流量可計算得到負載需求功率PL，根據(jù)發(fā)動機轉速nE和轉矩TE可計算得到發(fā)動機輸出功率PE.輔助電機采取轉矩控制方式，依據(jù)負載需求功率和發(fā)動機輸出功率，結合輔助電機系統(tǒng)電動效率和發(fā)電效率，從而可計算得到輔助電機輸出轉矩TA、輸出功率PA和工作模式，建立起輔助電機系統(tǒng)模型.

若輔助電機工作于電動模式，即將電能轉化為機械能，考慮到輔助電機的電動效率ηm，則輔助電機輸出功率PA為

若輔助電機工作于發(fā)電模式，即將機械能轉化為電能，考慮到輔助電機的發(fā)電效率ηg，則輔助電機輸出功率PA為

輔助電機輸出轉矩TA為

式中：TA為輔助電機輸出轉矩，N·m；PA為輔助電機輸出功率，kW；nE為發(fā)動機轉速，r·mim－1.

根據(jù)輔助電機系統(tǒng)測試試驗數(shù)據(jù)可知輔助電機電動效率和發(fā)電效率，如圖6和圖7所示.

圖6 輔助電機電動功率Fig.6 Assistant motor motoring power

1.3.3 超級電容建模

當輔助電機工作于電動狀態(tài)時，超級電容放電給輔助電機驅動負載；當輔助電機工作于發(fā)電狀態(tài)時，超級電容將多余的能量進行存儲.超級電容建模主要是建立充放電能量QC與超級電容工作電壓UC、工作電流IC和荷電狀態(tài)（State of Charge，SOC）之間的關系.

超級電容充放電能量由輔助電機輸出功率決定，即QC＝PA.式中：C為超級電容容量.從而可得到充放電能量與超級電容工作電壓UC和工作電流IC之間的關系.

超級電容在工作狀態(tài)中應考慮工作壽命，故應使其工作在合理的電壓范圍內(nèi)［Umin，Umax］，SOC能反映超級電容儲存電量的多少，即充放電的程度，其定義如下：

圖7 輔助電機發(fā)電功率Fig.7 Assistant motor generating power

1.3.4 回轉電機系統(tǒng)建模

回轉動作采用電驅動方式，回轉驅動時，超級電容放電驅動回轉電機工作于電動狀態(tài)；回轉制動時，回轉電機工作于發(fā)電狀態(tài)將能量存儲到超級電容中.

回轉電機的動作受控于液壓手柄操作的先導壓力，根據(jù)先導壓力大小換算成回轉電機的目標轉速，并結合發(fā)動機轉速設置有擋位區(qū)別的最高轉速，符合傳統(tǒng)挖掘機的操控特性.

為了獲取低速區(qū)轉速穩(wěn)定、高速區(qū)減速迅速的回轉效果，利用三次冪的拋物線擬合回轉電機的目標轉速（Control＿speed）與先導壓力（P＿pilot）的換算關系：Control＿speed＝A＊（P＿pilot＾3）＋B＊（P＿pilot＾2）＋C.

然而在做轉速控制的同時，若以恒定的轉速變化率驅動電機，可能導致低速狀態(tài)下扭矩變化太大導致沖擊感強烈，或者在高速狀態(tài)下扭矩變化太小而不能及時響應目標轉速.因此，須根據(jù)實時的目標轉速與當前轉速（State＿speed）計算轉速變化率，即轉 速 增 益 （Speed＿gain）：Speed＿gain＝abs（Control＿speed-State＿speed）/A.

當先導壓力陡降至截止壓力以下時，需要發(fā)揮電機最大力矩進行發(fā)電制動回收能量，為了實現(xiàn)在減速至低轉速區(qū)時減緩沖擊，轉速增益與實時轉速以對數(shù)曲線擬合，使得增益隨著轉速的下降迅速減?。篠peed＿gain＝A＊（log10（abs（State＿speed）））.

由DSPACE模擬回轉電機的轉速響應，其響應時間間隔與實時計算的轉速增益成反比，比例系數(shù)由電機特性決定.圖8為回轉電機轉速響應模型，圖中U為變量，z為延遲一個掃描周期，U/z為上一個掃描周期的數(shù)值.

圖8 回轉電機轉速響應模型Fig.8 Rotate motor speed responding model

2 硬件在環(huán)仿真系統(tǒng)測試

混合動力控制器采用發(fā)動機轉速控制、輔助電機轉矩控制、回轉電機轉速控制的控制策略，其編程平臺為MATLAB/Simulink編程環(huán)境，將設計好的控制策略在編程環(huán)境中實現(xiàn)，通過編譯軟件將其轉化為適用于控制器的可執(zhí)行性文件，并將其下載到控制器中運行.

將控制器IO、控制系統(tǒng)關注參數(shù)添加到硬件在環(huán)仿真測試系統(tǒng)人機界面平臺ControlDesk中，通過配置輸入輸出測試控制器IO，通過加載負載檢測控制器邏輯、控制性能好壞及CAN通信是否正常.

使挖掘機工作在重載模式，測得液壓系統(tǒng)前后泵壓力變化情況，作為負載加載到仿真系統(tǒng)中，觀察系統(tǒng)響應情況.

液壓系統(tǒng)前后泵壓力變化情況如圖9所示.

圖9 液壓系統(tǒng)前后泵壓力曲線圖Fig.9 Front and behind pump pressure of hydraulic system

在重載模式下，發(fā)動機轉速仿真結果如圖10所示.

圖10 發(fā)動機轉速變化曲線圖Fig.10 Engine speed

超級電容SOC仿真結果如圖11所示.

圖11 超級電容SOC變化曲線圖Fig.11 SOC of super capacitor

從圖9—11中可以看出，挖掘機在重載模式下進行挖掘作業(yè)時，前后泵壓力變化劇烈，但在混合動力控制系統(tǒng)的控制作用下，發(fā)動機轉速仍能維持在小范圍內(nèi)波動，能基本保持穩(wěn)定，電容SOC能很好地保持充放電狀態(tài)的平衡.仿真結果驗證了控制器控制邏輯的正確性及其較好的控制性能，從而縮短了開發(fā)周期，節(jié)約了試驗費用.

［1］李宏才，王偉達，韓立金，等.混聯(lián)式混合動力控制系統(tǒng)硬件在環(huán)仿真平臺設計與應用［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］北京經(jīng)緯恒潤科技有限公司.硬件在環(huán)（HIL）仿真測試設備［R］.北京：北京經(jīng)緯恒潤科技有限公司，2010.

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