混合動力挖機(jī)多電機(jī)集群驅(qū)動控制技術(shù)研究

1、多電機(jī)集群控制技術(shù)研究易 振 摘要：本文主要介紹了目前多電機(jī)控制的現(xiàn)狀和缺陷，提出了一種多電機(jī)集群控制的全新技術(shù)，并具體闡述多電機(jī)集群控制技術(shù)在混合動力液壓挖掘機(jī)上的應(yīng)用，以及通過對比得出多電機(jī)集群驅(qū)動控制技術(shù)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(jià)值。關(guān)鍵詞：多電機(jī)集群控制；混合動力液壓挖掘機(jī)；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(fù)雜的設(shè)備中，如智能機(jī)器人、自動裝配流水線、混合動力汽車、混合動力液壓挖掘機(jī)等，均會出現(xiàn)多種電機(jī)存在并協(xié)同工作的狀況。目前國內(nèi)外對多電機(jī)控制均是對每個(gè)電機(jī)采用獨(dú)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(jī)的精確控制度不高。針對這些現(xiàn)狀提出了多電機(jī)集群控制技術(shù)，對所有電機(jī)采用同一個(gè)控制電路，通過減少元器件來實(shí)現(xiàn)降低成本、減少基金項(xiàng)目：“十一五”國家863計(jì)劃項(xiàng)目課題：新型混合動力工程機(jī)械關(guān)鍵技術(shù)及系統(tǒng)（2009AA044401）體積和重量等的目的。2多電機(jī)集群控制技術(shù)2.1多電機(jī)集群控制硬件組成多電機(jī)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(jī)驅(qū)動電路組成，多電機(jī)集群驅(qū)動控制硬件結(jié)構(gòu)框圖見圖1。圖1 多電機(jī)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(shè)備傳輸來的電機(jī)控制信號轉(zhuǎn)換成主處理電路所需的數(shù)字信號；電機(jī)反饋處理電路可將各電機(jī)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(yùn)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(yùn)行。電機(jī)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(shí)現(xiàn)強(qiáng)弱電隔離，功率放大和對電機(jī)的驅(qū)動。 2.2多電機(jī)集群控制實(shí)現(xiàn)過程主處理電路接收所有電機(jī)的控制信號和速度、電流反饋信號，分別進(jìn)行相應(yīng)的運(yùn)算處理：對脈寬調(diào)速的直流電機(jī)，進(jìn)行速度反饋和電流反饋的雙閉環(huán)控制計(jì)算，算出每個(gè)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(shí)間；對變頻調(diào)速的三相永磁電機(jī)，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(jì)算，生成對應(yīng)某頻率的一個(gè)周期內(nèi)A、B、C三相橋式電路中六個(gè)功率開關(guān)管對應(yīng)的所有導(dǎo)通/斷開持續(xù)時(shí)間；對調(diào)節(jié)勵磁電流控制發(fā)電電壓/功率的發(fā)電機(jī)，根據(jù)控制信號、電壓/功率反饋進(jìn)行閉環(huán)計(jì)算，生成周

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

6、電機(jī)低電平 第二電機(jī)高電平 50us，第一電機(jī)低電平 第二電機(jī)低電平 50us，第一電機(jī)高電平 第二電機(jī)低電平 100us，第一電機(jī)低電平 第二電機(jī)低電平 50us，.三相電機(jī)變頻調(diào)速的數(shù)據(jù)整合方法與直流電機(jī)脈寬調(diào)速整合方法相同，只是更加復(fù)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(gè)數(shù)依需要而定，通常將變頻調(diào)速一個(gè)周期設(shè)為一組控制命令字）。緩存電路分上下兩個(gè)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(dāng)前讀數(shù)據(jù)區(qū)域，如協(xié)處理器在讀上半?yún)^(qū)時(shí)，則刷新下

7、半?yún)^(qū)，如協(xié)處理器在讀下半?yún)^(qū)時(shí)，則刷新上半?yún)^(qū)，刷新完成后通知協(xié)處理器結(jié)束相應(yīng)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(shí)將端口置“1”，讀下半?yún)^(qū)時(shí)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(dāng)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(gè)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(yīng)的驅(qū)動電路導(dǎo)通/斷開，將控制命令字第二部分的狀態(tài)

8、維持時(shí)間送入定時(shí)器，周而復(fù)始地重復(fù)上述操作。定時(shí)器設(shè)定為中斷方式，當(dāng)中斷請求時(shí)對下一個(gè)控制命令字進(jìn)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(jì)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(yīng)操作?？刂泼钭址譃閮刹糠郑嚎刂茖ο蠛涂刂茣r(shí)間。第一部分是控制對象，每半個(gè)字節(jié)對應(yīng)一個(gè)電機(jī)，所以第一部分所占字節(jié)數(shù)為電機(jī)數(shù)量加1除以2再取整。半個(gè)字節(jié)從“0000”到“1111”共16種狀態(tài)，幾乎涵蓋所有電機(jī)的所有狀態(tài)，可根據(jù)實(shí)際控制情況進(jìn)行相應(yīng)定義。如“0000”表示此控制命令字不控制相應(yīng)電機(jī)，為“1111”表示控制相應(yīng)

9、電機(jī)處于發(fā)電狀態(tài)，“1110”表示控制相應(yīng)電機(jī)脈寬調(diào)速為高電平，“1101” 表示控制相應(yīng)電機(jī)脈寬調(diào)速為低電平，剩下的組合分別表示控制相應(yīng)電機(jī)變頻調(diào)速的A，B，C三相橋的導(dǎo)通狀態(tài)?？刂泼钭值诙糠质强刂茣r(shí)間，又叫狀態(tài)持續(xù)時(shí)間，占用2字節(jié)，表示此狀態(tài)的維持時(shí)間，精度要求高的可擴(kuò)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(jī)集群控制技術(shù)在混合動力液壓挖掘機(jī)上的應(yīng)用我廠研制的“863項(xiàng)目”混合動力液壓挖掘機(jī)上共有6個(gè)電機(jī)：主驅(qū)動電機(jī)、能量回收電機(jī)、回轉(zhuǎn)電機(jī)、水路循環(huán)水泵電機(jī)、發(fā)動機(jī)散熱風(fēng)扇電機(jī)、超級電容散熱風(fēng)扇電機(jī)。按性能主要分為三類：直流電機(jī)，三相永磁發(fā)電/電動一體機(jī)、勵磁

10、可調(diào)發(fā)電機(jī)。對這三類電機(jī)需分別采用不同的控制方式，對直流電機(jī)采用脈寬調(diào)速方式，對三相永磁發(fā)電/電動一體機(jī)采用變頻調(diào)速方式與發(fā)電切換方式，對發(fā)電機(jī)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(jī)、能量回收電機(jī)、回轉(zhuǎn)電機(jī)、水路循環(huán)水泵電機(jī)、發(fā)動機(jī)散熱風(fēng)扇電機(jī)、超級電容散熱風(fēng)扇電機(jī)編號為1，2，3，4，5，6。其中1號電機(jī)是三相永磁發(fā)電/電動一體機(jī)電機(jī)，2號電機(jī)是勵磁可調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)，3，4號電機(jī)是三相永磁電動機(jī)，5，6號電機(jī)是直流電機(jī)。1，3，4號電機(jī)驅(qū)動電路見圖3。圖3 三相永磁電機(jī)驅(qū)動電路圖中G，G實(shí)現(xiàn)三相永磁電機(jī)發(fā)電/電動狀態(tài)切換,當(dāng)G導(dǎo)通,G斷開時(shí), 三相永磁電機(jī)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(dāng)G導(dǎo)通,G斷開時(shí), 三相永磁電機(jī)處于發(fā)電狀態(tài), 三相永磁電機(jī)發(fā)電通過三相橋上的續(xù)流二極管整流，經(jīng)G為負(fù)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(shí)導(dǎo)通（如A，A）可排列組合出8個(gè)狀態(tài)（其中有效狀態(tài)6個(gè)），變頻調(diào)速就是不斷控制三相橋上6個(gè)功率管的導(dǎo)通與斷開來實(shí)現(xiàn)的。3，4號電機(jī)與1號電機(jī)驅(qū)動電路不同之處是3，4號電機(jī)不需要G，G。5，6號電機(jī)的驅(qū)動電路見圖4，當(dāng)Z，F(xiàn)導(dǎo)通，Z，F(xiàn)斷開時(shí)電機(jī)正轉(zhuǎn)；當(dāng)Z，F(xiàn)導(dǎo)通，Z，F(xiàn)斷開時(shí)電機(jī)反轉(zhuǎn)；脈寬調(diào)速就是不斷控制其中一組的通/斷來實(shí)現(xiàn)直流電機(jī)調(diào)速的。2號電機(jī)勵磁電流（PWM）調(diào)節(jié)驅(qū)動電路見圖5。

12、圖4 直流電機(jī)驅(qū)動電路 圖5 發(fā)電機(jī)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(jī)上的6個(gè)電機(jī)，所以控制命令字第一部分控制對象占3個(gè)字節(jié)（6個(gè)半字節(jié)），第1個(gè)半字節(jié)至第6個(gè)半字節(jié)分別對應(yīng)1，2，3，4，5，6號電機(jī)，控制命令字第二部分控制時(shí)間占用2個(gè)字節(jié)，則在混合動力液壓挖掘機(jī)多電機(jī)集群控制設(shè)計(jì)中一個(gè)完整的控制命令字占5個(gè)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(jī)集群控制技術(shù)應(yīng)用在混合動力液壓挖掘機(jī)上，與每個(gè)電機(jī)采用獨(dú)立控制電路進(jìn)行充分對比試驗(yàn)得出結(jié)論：采用多電機(jī)集群控制技術(shù)成本更低、體積更小、重量更輕，可靠性更高，并且對電機(jī)

13、的精確控制度高。具體對比見下表：比較項(xiàng)目多電機(jī)集群控制獨(dú)立控制原因分析體積小大混合動力液壓挖掘機(jī)采用獨(dú)立控制電路需6片微處理器及其外圍電路，而采用多電機(jī)集群控制技術(shù)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(dú)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(jī)，并且對定時(shí)器中斷響應(yīng)及時(shí)與對數(shù)據(jù)采集分析處理及時(shí)相互矛盾；而在多電機(jī)集群控制技術(shù)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(shí)器中斷。因此多電機(jī)集群控制技術(shù)可靠性和

14、精確控制度比獨(dú)立控制更高。精確控制度高較高4 結(jié)束語多電機(jī)同時(shí)工作不僅僅只出現(xiàn)在混合動力液壓挖掘機(jī)上，它在許多復(fù)雜的工業(yè)控制、自動控制設(shè)備上也經(jīng)常出現(xiàn)，對多個(gè)電機(jī)集群調(diào)度，集群控制的研究還處于較新的前沿技術(shù)領(lǐng)域，主要難點(diǎn)在于對多電機(jī)綜合運(yùn)算的精確控制，以及多電機(jī)控制電路的電磁兼容。本文給出一種可實(shí)現(xiàn)的多電機(jī)集群控制技術(shù)，更多優(yōu)化還有待進(jìn)一步的研究。 參考文獻(xiàn)：1 自動控制理論基礎(chǔ)，北京理工大學(xué)出版社，1991 2 電機(jī)學(xué)與電力拖動技術(shù)，國防工業(yè)出版社，2009 3 履帶車輛電傳動系統(tǒng)集成及關(guān)鍵技術(shù)研究，北京理工大學(xué)，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, smal