混合动力工程机械轮边电力驱动控制策略分析

混合动力工程机械轮边电力驱动控制策略分析

刘灵芝

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摘要：随着全球对可持续发展和环境保护意识的增强，工程机械行业正面临着转型升级的挑战。混合动力技术作为一种高效、环保的动力解决方案，逐渐成为工程机械领域的热点。混合动力工程机械通过集成内燃机和电动机，实现了能量的高效利用和排放的显著降低。轮边电力驱动系统作为混合动力工程机械的关键组成部分，其控制策略的优化对于提升整机性能、降低能耗和减少环境影响具有重要意义。

关键词：混合动力工程；机械轮边电力驱动；控制策略

引言

在工程机械领域，混合动力技术的应用正逐步改变传统的动力系统结构。混合动力工程机械结合了内燃机和电动机的优势，不仅提高了作业效率，还有效减少了能源消耗和污染物排放。轮边电力驱动系统作为混合动力工程机械的核心技术之一，其控制策略的科学性和先进性直接关系到机械的整体性能和环保效果。

1混合动力工程机械轮边电力驱动控制的意义

轮边电力驱动控制策略的优化能够显著提升工程机械的工作效率。通过精确控制电动机的输出，可以实现对机械作业过程中动力需求的精确匹配，从而提高能源利用率，减少不必要的能量损失。电动机的快速响应特性使得机械在作业时能够更加灵活和高效，尤其是在需要频繁启停或变速的作业环境中，混合动力工程机械的性能优势更加明显。轮边电力驱动控制策略的优化有助于降低机械的能耗。混合动力系统通过内燃机和电动机的协同工作，可以在不同的作业条件下选择最优的动力输出模式。例如，在低负荷或怠速状态下，可以主要依靠电动机工作，减少内燃机的使用，从而降低燃油消耗和减少排放。在重负荷作业时，内燃机和电动机可以共同工作，提供更大的动力输出，同时保持较高的能效。

2混合动力工程机械轮边电力驱动控制算法

2.1矢量控制

矢量控制的基本原理是将交流电动机的控制问题转化为直流电动机的控制问题。在直流电动机中，磁场和转矩是解耦的，因此控制相对简单。矢量控制通过坐标变换，将交流电动机的三相电流转换到两相旋转坐标系中，从而实现磁场和转矩的解耦。在旋转坐标系中，一个轴（通常称为d轴）与磁场方向一致，另一个轴（q轴）与磁场垂直，用于控制转矩。矢量控制能够实现对电动机转矩的精确控制，这对于工程机械在不同工况下的动力需求匹配至关重要。精确的转矩控制可以提高机械的工作效率，减少能量损失。矢量控制算法具有快速的动态响应特性，能够迅速调整电动机的输出以适应作业条件的变化。这对于工程机械在复杂作业环境中的灵活性和适应性至关重要。矢量控制算法可以实现电动机的宽范围调速，从低速到高速都能保持良好的控制性能。通过精确控制电动机的运行状态，矢量控制算法有助于减少机械运行时的噪音和振动，提高作业环境的舒适性。

2.2直接转矩控制

在混合动力工程机械的轮边电力驱动系统中，直接转矩控制算法的核心是通过对电动机磁链和转矩的直接控制来实现对电动机速度和转矩的精确调节。通过电动机的电压和电流信号，实时估计电动机的磁链和转矩状态。根据估计的磁链和转矩状态，选择合适的电压矢量来控制磁链和转矩，使其保持在设定值附近。根据磁链和转矩的控制需求，选择逆变器的最佳开关状态，以实现对电动机的控制。DTC算法由于省去了电流控制环，其控制响应速度快，能够迅速适应工程机械作业条件的变化，提高机械的动态性能。DTC算法的控制结构相对简单，减少了控制系统的复杂性和成本，提高了系统的可靠性。DTC算法能够实现对电动机转矩的直接控制，即使在低速运行时也能保持良好的转矩控制性能。DTC算法可以实现电动机的宽范围调速，满足工程机械在不同作业速度下的性能要求。

3混合动力工程机械轮边电力驱动控制策略

3.1依据DTC的模糊化矢量控制

在混合动力工程机械的轮边电力驱动系统中，FVC通过引入模糊逻辑来处理控制过程中的不确定性和非线性问题，从而提高控制系统的适应性和鲁棒性。FVC的基本思想是在传统的矢量控制框架中加入模糊逻辑控制器，用于处理电动机参数变化、负载波动和外部干扰等因素对控制性能的影响。模糊逻辑控制器通过模糊规则和模糊推理机制，对电动机的磁链和转矩误差进行模糊化处理，输出相应的控制信号，以调整电动机的运行状态。模糊逻辑能够处理控制过程中的不确定性和非线性问题，使得控制系统对电动机参数变化和外部干扰具有较强的鲁棒性。模糊化矢量控制能够根据电动机的实时运行状态自动调整控制策略，提高了控制系统的自适应能力。模糊逻辑控制器的参数调整相对简单，不需要精确的数学模型，降低了控制系统的调试难度。通过模糊逻辑对磁链和转矩误差进行精细调整，模糊化矢量控制能够提高电动机的控制精度。

3.2依据DTC的零电压矢量控制

ZVVC的基本原理是在DTC的控制过程中，当电动机的磁链和转矩处于稳定状态时，选择零电压矢量来维持当前的磁链和转矩状态，而不是持续施加非零电压矢量。零电压矢量对应于逆变器的两个或三个开关同时关闭的状态，此时电动机相电压为零，电动机电流主要由电动机内部的电感维持，从而减少了逆变器的开关损耗和电动机的铜损。通过在适当的时候使用零电压矢量，可以减少逆变器的开关频率和电动机的铜损，从而降低系统的能量损耗。零电压矢量的使用减少了逆变器的开关次数，有助于减少电磁干扰和噪音，改善作业环境。通过优化电动机的运行状态，零电压矢量控制能够提高整个驱动系统的能效，减少能源消耗。ZVVC在DTC的基础上引入了零电压矢量的概念，但控制算法仍然保持相对简单，易于实现和维护。

3.3依据DTC的SVPWM驱动控制

在混合动力工程机械的轮边电力驱动系统中，基于DTC的SVPWM控制策略结合了DTC的快速转矩控制特性和SVPWM的高效电压调制技术，以实现对电动机的高性能控制。SVPWM的基本原理是将三相电压空间矢量映射到二维平面上的六个扇区中，通过在每个扇区内选择合适的电压矢量组合，生成所需的电动机电压波形。SVPWM通过控制逆变器开关器件的导通和关断时间，实现对电动机电压的精确控制，从而控制电动机的磁链和转矩。SVPWM技术能够提高逆变器输出电压的利用率，使得电动机在相同的直流母线电压下能够获得更高的输出电压，从而提高电动机的转矩和功率输出。SVPWM生成的电压波形更接近正弦波，减少了电动机电流中的谐波成分，降低了电动机的损耗和噪音。结合DTC的快速转矩控制特性，SVPWM能够实现对电动机转矩的精确和快速控制，提高了电动机的动态响应性能。SVPWM控制算法相对简单，易于集成到DTC控制框架中，简化了控制系统的结构。

结束语

混合动力工程机械轮边电力驱动控制策略的研究对于推动工程机械行业的绿色转型具有重要意义。通过优化控制策略，不仅可以提高机械的工作效率和可靠性，还能有效降低能源消耗和环境污染。随着控制理论和电力驱动技术的不断进步，混合动力工程机械的轮边电力驱动控制策略将更加智能化、精细化，为工程机械的可持续发展提供强有力的技术支撑。

参考文献

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