（控制科学与工程专业论文）交流变频起重机混合动力系统仿真研究.pdf

武汉理f ：人学硕十学f 市论文 摘要 随着能源短缺和环境污染问题同趋严重，各行各业争相进行节能环保产品 的研究与开发，起重机械行业所采用的柴油机一液压系统一多执行器的驱动方案， 具有耗油高、排放差的特点，而且在频繁起动、制动过程中产生的大量再生能 量没有得到合理充分的利用，因此起重机械的节能问题己受到业界的广泛关注。 继混合动力系统在汽车行业的成功应用之后，混合动力系统逐渐被起重机行业 广泛采用，尤其是随着变频调速技术以及储能器件的快速发展，其应用前景更 加广阔。 超级电容与柴油发电机组联合供电的混合动力系统是起重机行业广泛采用 的混合驱动方式之一，本文针对交流变频起重机的作业特点以及超级电容器的 原理、特性，阐述了该混合动力系的优势，并详细介绍了系统的组成结构，同 时采用s a b e r 平台建立系统仿真模型，并对其进行分析研究。 本文研究了双向d c d c 变换器的原理、分类及其拓扑结构，设计了功率模 式和电压模式结合的控制策略控制超级电容的充放电，并建立了充放电控制电 路的仿真模型。 本文阐述了交流变频调速技术的发展现状，介绍了变频调速系统的类型及 原理，重点研究了变压变频器的硬件结构及其控制技术，并进行了矢量控制变 频调速系统仿真。 本文基于交流变频起重机混合动力系统搭建了s a b e r 仿真模型，仿真研究了 发电机怠速条件下超级电容放电情况、能量回馈时超级电容充电情况以及超级 电容与发电机联合供电状态。 关键词：混合动力起重机，超级电容，双向d c d c 变换器，s a b e r 仿真 a b s t r a c t w i t ht h ep r o b l e m so fe n e r g ys h o r t a g ea n de n v i r o n m e n tp o l l u t i o nh a v eb e c o m e m o r cs e r i o u s a l lb u s i n e s s e sc o m p e t ef o rr e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to fe n e r g y c o n s e r v a t i o na n de n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o np r o d u c t s t h ed r i v e ns c h e m ec o n s i s tw i t h d i e s e l ，h y d r a u l i cs y s t e ma n dm u l t i p l ya c t u a t o r sw h i c hu s e db y t h el i f t i n gm a c h i n e r y i n d u s t r yh a st h ed i s a d v a n t a g e so fh i g ho i lc o n s u m p t i o na n d b a de m i s s i o nq u a l i t y , a n d ， t h e r ei sn o tar e a s o n a b l ea n df u l l yu t i l i z a t i o nf o ri t sr e c o v e r e de n e r g yg e n e r a t e d d u r i n gt h ef r e q u e n t l ys t a r t i n ga n db r a k i n gp r o c e s s t h e r e f o r e ，t h ee n e r g y c o n s e r v a t i o n o fl i f t i n gm a c h i n e r yb e c o m e st h ei n d u s t r y sa t t e n t i o n a f t e rt h eh y b r i ds y s t e mw a s a p p l i e di na u t o m o t i v ei n d u s t r ys u c c e s s f u l l y , i ti sw i d e l yu s e di nt h el i f t i n gm a c h i n e r y i n d u s t r y , e s p e c i a l l yt h er a p i dd e v e l o p m e n to ff r e q u e n c yc o n v e r t e rt e c h n i q u ea n d e n e r g ys t o r a g e d e v i c e sm a k ei t sa p p l i c a t i o np r o s p e c tm o r ea n dm o r ew i d e l y o n eo ft h em o s tu s e dh y b r i dd r i v e rm e t h o di nt h el i f f i n gm a c h i n e r yi n d u s t r yi s t h ec o m b i n a t i o np o w e rs u p p l yo fs u p e rc a p a c i t o ra n dd i e s e lg e n e r a t o r t h i sp a p e r d e s c r i b e st h ea d v a n t a g eo ft h eh y b r i ds y s t e mb a s e do nt h ep r i n c i p l e ，c h a r a c t e r i s t i c so f s u p e rc a p a c i t o ra n dw o r k i n g c h a r a c t e r i s t i c so fa cf r e q u e n c yc o n v e r s i o nc r a n e ；d e t a i l s c o m p o s i t i o no f t h es y s t e ms t r u c t u r e ；e s t a b l i s h e si t ss i m u l a t i o nm o d e l sw i t ht h es a b e r t o o l b o x ；a n dc o n d u c t sa n a l y s i sf o rt h es y s t e m t h i sp a p e rr e s e a r c h e s t h ep r i n c i p l e s ，t y p e sa n dt o p o l o g i c a ls t r u c t u r eo f b a 埘e r l e s sb i d i r e c t i o n a ld c d cc o n v e r t e r , a n dd e s i g n sc o n t r o ls t r a t e g yc o n s i s t so f c o n s t a n tp o w e rm o d ea n dc o n s t a n tv o l t a g em o d e t oc o n t r o lt h ed i s c h a r g ea n dc h a r g e o fs u p e rc a p a c i t o r f i n a l l ye s t a b l i s h e st h es i m u l a t i o nm o d e l sf o rm e c o n t r o lc i r c u i t t h i sp a p e ra l s od e s c r i b e st h ed e v e l o p m e n to ff r e q u e n c yc o n v e r t e rt e c h n i q u e ， i n t r o d u c e s t h et y p e sa n dp r i n c i p l e so ff r e q u e n c yc o n v e r t e rs y s t e m ，e m p h a t i c a l l y r e s e a r c h e st l l eh a r d w a r es t r u c t u r ea n dc o n t r o lt e c h n i q u eo fw v fi n v e r t e r , a n d c o n d u c t st h es i m u l a t i o nr e s e a r c hf o rv e c t o rc o n t r 0 1f r e q u e n c yc o n v e n e rs y s t e m t h i sp a p e re s t a b l i s h e sas i m u l a t i o nb a s e do i lh y b r i dp o w e rs y s t e m f o ra c f r e q u e n c yc o n v e r s i o nc r a n ew i t hs a b e rt o o l b o x ，s i m u l a t e s t h ed i s c h a r g eo fs u p e r c a p a c i t o ru n d e rt h e c o n d i t i o no fe n g i n ei d l i n g ，c h a r g eo fs u p e rc a p a c i t o rw h e n h 武汉理i ：人z 硕十学1 口论文 d r o p p i n gt h ec a r g o ，a n dp o w e rs u p p l yo fd i e s e lg e n e r a t o rc o m b i n e sw i t hs u p e r c a p a c i t o r k e yw o r d s ：h y b r i dp o w e rc r a n e ，s u p e rc a p a c i t o r , b i d i r e c t i o n a ld c d cc o n v e r t e r , s a b e rs i m u l a t i o n i i i 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得 武汉理工大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一 同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说 明并表示了谢意。 学位论文使用授权书 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即 学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权武汉理工大学可以将本学位论文的 全部内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制 手段保存或汇编本学位论文。同时授权经武汉理工大学认可的国家有 关机构或论文数据库使用或收录本学位论文，并向社会公众提供信息 服务。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生( 签名) ：i 函导师( 签名) ： 武汉理i ：人学硕卜学f t 沦文 第1 章绪论 1 1 课题研究的背景与意义 随着世界经济的不断发展，科学技术的不断提高，环保和能源问题r 趋成 为人们争论的主题。充分有效地利用能源已成为紧迫的问题，为了寻求高效可 用的能源，各个国家都投入了大量人力财力，进行不懈的努力。 首先，作为能源消耗大户之一的电机在节能方面是大有潜力可挖的。我国 电机的总装机容量已达4 亿千瓦，年耗电量达6 0 0 0 亿千瓦时，约占工业耗电量 的8 0 。我国各类在用电机中，8 0 以上为0 5 5 - - 2 2 0 k w 以下的中小型异步电动 机，并且在用电机拖动系统的总体装备水平仅相当于发达国家5 0 年代水平n 3 。 因此，在国家十五计划中，电机系统节能方面的投入高达5 0 0 亿元左右，所以 对于交流电机的节能研究是非常具有实际意义的。 另外，起重机械作为能源消耗的主体，也备受社会关注。由于起重机械负 载变化频繁、波动大，因此其发动机通常处于低速、低转矩等工作效率较低的 区域，使得燃料利用不充分，排放质量差心1 ；另外，起重机械在下放重物或制动 时会产生大量的再生能量，传统起重机械通常采用制动电阻将这部分能量以热 能的形式消耗掉。“，这不仅使得能量利用率降低，而且造成热污染。这些缺点与 严格的环境保护政策格格不入，这使得起重机械行业绿色节能产品的应用迫在 眉睫。 而且，起重机械也是节能潜力较大的机械。首先，起重机产生的再生能量 是通过制动电阻消耗掉，同时由于起重机频繁起动、制动，起升、下降的特点， 其作业过程中所产生的再生能量是相当可观的，如果能够将其回收利用，将会 大大提高能源利用率。由于原动机负担降低，因此可以改进原有动力系统配置， 配置功率较小的原动机，从而达到节能减排的效果h 3 。 由此可见，交流电机驱动的起重机具有很大的节能前景，因此，对于交流 变频起重机的节能研究具有重大的实际意义。 1 2 起重机节能的研究现状 目前，起重机械常用的节能技术主要有三种：一是通过改进发电机自身性 武汉理i ：人。z 硕 j 譬f p 论文 能从而提高效率、降低油耗、节约成本；二二是利用清洁、廉价的市电臀代燃油 以达至0i 了能环保的效果；三足采用混合动力技术，配置适当容黾的储能器件i 回 收利用再g i 能量，并将原有的大功率原动机改造为“储能器件+ 小功率原动机” 的动力系统，实现节能减排的目的心 ，瞄1 。 1 2 1 改进发电机组性能 在传统起重机中，柴油发电机的工作速度档位仅全速、怠速两种，当起重 机械待机时发电机处于怠速状态，而当起重机械作业时发电机处于全速状态。 对于非线性变化的起重机载荷，当轻载时，全速运行的柴油发电机组效率低下， 造成能源浪费。如果能够根据柴油机的特性曲线找出一定功率需求下，转速与 油耗的最佳曲线，并对其进行控制，这将大大提高柴油发电机组效率，达到节 能效果。 目自订，以西门子公司的e c o 节能技术为代表的发动机速度调节方式应用最 为广泛m 】，盯3 ，其关键技术是使柴油发电机组具有随起重机载荷变化的快速伺服能 力。柴油发电机组的工作速度档位不再局限于怠速和全速，当起重机作业时， 柴油发电机组以最经济的工作速度运行于一段工作区域。而这种伺服能力是通 过在传统起重机上增设水冷高速同步永磁发电机、增速齿轮箱、水冷式变频器 及其配套电气元件、d i c o 发动机控制装置而实现的。区别于传统起重机起动柴 油机后只能全速运转而造成的能量浪费，e c 0 节能技术实现了降低油耗、节省 成本、提高整机能源利用率的效果。 1 2 2 市电替代柴油发电机组 与柴油发电机组相比，市电具有性价比高、能源清洁等优点，因此采用市 电电网替代柴油发电机组为起重机供电，即“油改电 方式，也可以达到节能 效果。但是，采用“油改电”方式需要增设市电供电装置，会增加成本，而且 不易于转场，因此其应用受到一定限制。通常是两种供电方式相结合，当起重 机在作业区时采用市电供电，而转场时采用柴油发电机组供电。 目前广泛采用的“油改电 方式主要有电缆卷筒供电、刚性滑触线供电和 高架滑触线供电三种方式。 电缆卷筒供电方式的原理：将缠绕了电缆的电缆卷筒机构加装在起重机上， 电缆卷筒控制系统根据起重机行走时供电电缆的张力变化调节电缆卷筒的收放 2 武汉理i 人硕 ：。z f i ：7 ：沦文 速度，使其与起重机行走速度柏匹配，从而保证电缆供咆安全。若起重机需要 转场，则切断其与市电连接，转换至柴油发电机组供电模式，转场完成后罩新 接通市电供电线路，返回市电供电模式进行操作m 1 。 刚性滑触线供电工作原理：在港口、码头架设由城市电网供电的滑触线供 电线路，当起重机在作业区内作业时，其自带的柴油发f c l 机组不工作，由市电 通过集电装置、滑触线输送至起重机为其供能，起重机可以沿滑触线在整个工 作区域内自由移动。起重机需要转场时，切断与市电的连接，由起重机自带柴 油发电机组供电，完成转场操作后，柴油发电机组停止供电，重新切换为由市电 供电9 1 。 高架滑触线供电工作原理：架设高空铜滑线，实现城市电网至r t g 的电能 传输，r t g 利用顶上的高架滑触线获取电力。高架滑触线通过吊线器悬挂在承 重索上，集电器左右各有一定摆动自由度，从而保证r t g 可以有一定余量的跑偏 时仍能可靠供电u 引。 1 2 3 采用混合动力技术 混合动力技术是利用一定的储能器件，将起重机在下放重物、减幅或制动 过程中产生的再生能量储存起来，并将起重机原有的大功率柴油发电机组改造 为“小功率柴油发电机组+ 储能器件”的混合动力系统。根据参与驱动的能量形 式不同，采用混合动力技术的系统理论上可分为多种类型。混合动力系统不仅 可以降低柴油发电机组的配置容量，同时可以回收利用再生能量从而提高能量 利用率，并消除了传统起重机以制动电阻消耗再生能量时产生的热污染，实现 了节能减排的目的。 结合比较三种节能技术可知，混合动力技术具有下列几点优势： ( 1 ) 能量利用率高：传统起重机将再生能量以制动电阻消耗掉，不仅浪费 而且造成热污染；“油改电 方式虽然将再生能量回馈到电网，但却引入了高 次谐波污染了电网质量；而混合动力技术可以很好地回收利用再生能量。 ( 2 ) 灵活性高：采用“油改电方式的起重机只能在特定区域内作业，不 易于转场，而且铺设线缆造成作业区域环境复杂化；采用混合动力技术的起重 机则不存在这些问题。 ( 3 ) 投入成本低：“油改电”方式需要铺设大量电缆，投入成本较高；而 混合动力技术所需储能器件，成本远低于电缆铺设所需投入成本。 3 武汉理l ：人。学硕卜0 0 何沦艾 1 3 混合动力系统在起重机械的应用现状 混合动力系统最早出现于汽车行业，鉴于其在汽车卜的成功应用，近年来 混合动力系统已成为起重机械行业实现绿色化的主要方向之一。为了提高产品 的竞争力和市场占有率，同立建机、小松、卡特彼勒、三菱和神户制钢等世界 各大工程机械制造商，纷纷开展了混合动力系统在起重机械应用的研究。 2 0 0 3 年，日立建机生产出了世界上第一台混合动力驱动的轮式装载机 ( 、v h e e ll o a d e r ) ，这是混合动力系统在工程机械上的首次应用。 2 0 0 4 年5 月，小松研制出了世界上第一台混合动力型液压挖掘机的试验机 型1 1 j 。 2 0 0 5 年，装备有上海振华港机公司( z p m c ) 自主丌发的超级电容的s s a8 轮胎式集装箱起重机( r u b b e r - t y p e dg a n t r yc r a n e ，简称r t g ) 在美国西雅图正 式投入使用u 副。 2 0 0 6 年8 月，日本安川公司在新加坡港投放了两台配有超级电容的r t g 。 武汉理工大学吴森、金德先拥有“混合动力电动轮胎门式吊船机”发明专 利【l 引，这种混合动力起重机械是基于回收吊船机工作过程中形成的再生能量， 来减少柴油发电机的功率配置，从而达到节能环保的目的。 1 4 课题的提出与本文主要研究内容 1 4 1 课题的提出 成功研制了直流电机驱动的轮胎式起重机混合动力系统，然而各类在用电 机中8 0 以上为交流电机，因此有必要对交流变频驱动的起重机混合动力系统 进行研究，主要包括基于交流调速的混合动力系统结构、超级电容的选型以及 超级电容充放电控制策略。 对于交流变频起重机混合动力系统的控制问题仍有诸多问题需要研究：起 重机作业间隙中，柴油发电机从节油的角度出发，通常处于怠速状态，当起重 机作业时，从系统动态响应的角度考虑，又希望手柄给定的同时电机能够马上 动作。在发电机由怠速至额定速运行过程中超级电容能否单独供电保证直流母 线电压维持在较高电压保证电机的正常起动，超级电容需要怎样的配置容量， 及其放电电流应如何控制。各机构分别在电动状态以及回馈状态运行时，所设 4 计的控制器能甭按照预定的控制策略i f 常 ：作。 本课题以交流变频起重机为研究对象，利用s a b e r 软件建立其仿真模型，对 上述问题进行仿真研究，并验证控制策略的j f 确性。 1 4 2 本文主要研究内容 ( 1 ) 研究s a b e r 仿真平台的功能、应用及其建模方法。 ( 2 ) 设计基于超级电容的交流变频起重机混合动力系统。 ( 3 ) 研究双向d c d c 变换器的拓扑结构，设计功率模式和电压模式结合 的控制策略控制超级电容的充放电，并建立充放电控制电路的仿真模型。 ( 4 ) 分析研究变频调速技术的原理，设计交流变频起重机的矢量控制调速 系统并建模。 ( 5 ) 对起重机回馈能量进行理论计算，设计仿真方案，并分析仿真结果， 得出结论。 武汉理l ：人。孚：硕f ：学何论丈 第2 章s a b e r 仿真软件介绍 2 1s a b e r 仿真软件的特点 s a b e r 是一个基于单一内核的混合信号仿真器，能够提供模拟和数字领域的 完全交互，而且s a b e r 的数字引擎能与通用的数字仿真器相连接进行协同仿真。 s a b e r 仿真软件具有如下优点： 1 ) 丰富的模型库 s a b e r 软件自带3 0 ，0 0 0 多种元器件库，用户可以针对型号挑选器件；同时 s a b e r 还提供了上千种模板，应用这些模板，用户可以随意创建适合自己设计所 需要的器件模型；而且s a b e r 几乎可以使用所有的s p i c e 模型，并能够与m a t l a b 进行协同仿真。丰富的模型库使得s a b e r 仿真器可以分析包括模拟电路、数字电 路及混合电路的大型系统仿真。 2 ) 直观的图形化用户界面 用户可以在s a b e r s k e t c h 设计编辑器中直接进行原理图编辑，s a b e r g u i d e 仿 真环境进行实时仿真，通过s a b e r s c o p e 波形分析器随时查看、分析仿真结果， 全面，直观地控制仿真过程。 3 ) 强大的分析功能 可以通过对稳态、时域、频域、统计、可靠性及控制等方面的分析来检验 系统性能。主要包括直流分析( d ca n a l y s i s ) 、频响分析( a ca n a l y s i s ) 、瞬态分 析( t r a n s i e n t ) 、傅立叶变换分析( f o u r i e ra n a l y s i s ) 、快速傅立叶变换分析( f f t ) 、 逆快速傅立叶变换分析( i f f t ) 、蒙特卡诺分析( m o n t e c a r l oa n a l y s i s ) 以及应力 分析( s t r e s sa n a l y s i s ) 等。 4 ) 良好的仿真收敛性 s a b e r 软件在仿真过程中顺序使用5 种功能强大的算法，有效控制系统的仿 真收敛性能。比如开关电源电路中，开关会引入大量的噪声，反映在波形上则 是产生许多毛刺，这使得这类电路的收敛性问题成为仿真过程所面临的严峻考 验，而s a b e r 通过顺序使用5 种不同的算法，对精确系统方程提出了分段式线性 评估理论，从而很好地控制系统仿真过程。 5 ) 多级模型 6 s a b e r 提供多级模型，用户j 以使用行为级模型、z 域模型、晶体管丌关级 等模型分阶段完成仿真，从而有效地解决仿真速度与仿真精度之日j 的矛盾。 总之，s a b e r 足图形化输入、集成分析环境的混合信号仿真软件，它具有混 合信号、混合技术和混合层次的处理能力，且允许被仿真系统同时包含数字和 模拟信号器件，以及机械、光学、电磁学、液压等不同领域的器件。而且与传 统仿真软件不同，s a b e r 在结构上采用硬件描述语言( m a s t ) 和单内核混合仿真方 案，并拥有改进的仿真算法，使得s a b e r 仿真速度更快、更加有效、同时应用也 越来越广泛引。 2 2s a b e r 集成开发环境的构成 s a b e r 软件的集成开发环境s a b e r d e s i g n e r 包括s a b e r s k e t c h 设计编辑器、 s a b e r g u i d e 仿真环境以及s a b e r s c o p e 波形分析器构成n 5 | 。 2 2 1s a b e r s k e t c h 设计编辑器 s a b e r s k e t c h 电路编辑器包括模拟电路、数字电路、电气、机械等模拟技术 库，通过调用这些库文件，可以直接创建、编辑原理图，具有多层图形能力。 用s a b e r s k e t e h 创建设计比较容易，主要步骤如下： 1 ) 首先从元件库中寻找需要的元件，放在设计图纸中。关于元件的寻找方 法有两种：若已知元件名称，则在s e a r c hs t r i n g 中输入元件名，软件将在a v a i l a b l e p a r t s 中自动列出查询结果，双击所需元件即可；若熟悉所需元件的类型，则可 以从a v a l i a b l ec a t e g o r i e s 框中依照目录查找所需元件所在的类，从而查找元件。 2 ) 编辑元件属性，双击所要编辑的元件打开元件属性编辑框，可以根据需 要输入或修改元件属性，然后按照设计原理图依次连接各个元件。 3 ) 完成电路图绘制后，首先通过d e s i g n n e t l i s t 选项生成该设计的网表， 然后通过d e s i g n s i m u l a t e 加载该设计。 2 2 2s a b e r g u i d e 仿真环境 用s a b e r s k e t c h 创建了仿真模型后，便可通过s a b e r g u i d e 仿真环境对其进行 各种功能分析。如图2 1 所示，s a b e r 软件具有直流工作点分析、直流传递特性 分析、交流小信号分析、暂态分析、灵敏度分析、参数扫描分析、蒙特卡洛分 7 武泌理i 人学颟f _ ；! 何沧史 析以及零极点分析。 口墨盈墨一 芏固 图2 is a b e r g u i d e 界面 1 ) 直流工作点分析：求解系统的静态工作点。为其他分析提供计算初始点。 2 ) 直流传递特性分析：此分析允许独立电源按照指定规律变化，从而实现 电路特性的规律性研究。 3 ) 交流小信号分析：用于检验系统的频域响应特性。 4 ) 暂态分析：用于检验系统的时域特性，此分析通常从静拳1 一作点开始 但对于自激振荡电路应该从零时刻开始。 5 ) 灵敏度分析：检验某个模型参数发生变化时，对系统特性的影响。 6 ) 参数扫描分析：用于检测电路中某个元件的参数，在定取之范围内变 换时对电路直流工作点、时域特性、频域特性的影响。 7 ) 蒙特卡洛分析：在模型参数值浮动范田内随机取样( 取样点数日由用户 设定) ，对所取的参数值进行分析，检验器件参数在一定范围内浮动对输出的影 响。 8 ) 零极点分析：用于求解交流小信号电路传递函数中极点和零点的个数及 其数值。 2 23s a b e r s c o p e 波形分析器 s a b e r s c o p e 是一个混合信号图形波形分析器，用于s a b e r 仿真结果的后处理 武汉j 甲i ：人。j ：颁十。f 市沦文 及波形分析，是s a b e r d e s i g n e r 的个独立模块。s a b e r s c o p e 町用于显示、测量 和计算各种波形，包括普通波形，b o d e 图等频域波形，也支持眼图、直方图。 而且可以灵活改变图形大小，添加轴标及各种标注，埘于仿真结果的分析具有 极大的便利性。 在s a b e r s c o p e 界面中，有两个比较有用的工具，一个是测量工具，一个是 波形计算器。 1 ) 测量工具( m e a s u r e m e n tt 0 0 1 ) 测量工具是s a b e r s c o p e 中的一项重要功能，测量工具具有g e n e r a l 、t i m e d o m a i n 、l e v e l s 、f r e q u e n c yd o m a i n 、sd o m a i n 、s t a t i s t i c s 六大类5 0 多种测量选 项，这些均可以在测量工具窗1 5 1 中设置，通过选择s a b e r s c o p e 窗1 2 1 中的下拉菜 单t o o l s m e a s u r e m e n t 即可打开测量工具窗口。 2 ) 计算器( c a l c u l a t o r ) 计算器有两种主要的工作方式，一种是r p n 模式，一种是a l g 模式，波 形计算器具有一般计算器的功能，但它主要的功能仍是进行波形的计算，在r p n 模式下，计算器有记忆功能，而在a l g 模式中则没有记忆功能，波形计算器主 要有六大功能： m i s t ：完成数学、向量、矩阵运算； w a v e ：执行对波形的一般操作： c m p l x ：执行复数运算功能； l o g i c ：执行逻辑运算； t r i g ：执行三角运算，如s i n 、c 0 8 、t a g 等； s t a c k ：管理堆栈寄存器。 对于一些常用的计算，可以调用a i m 函数并将其存储起来；对于一些常用 的常数，特别是经过大量计算后才得到的数，也可以存储起来，以免重复计算。 2 3 用户仿真模型创建 一个s a b e r 仿真模型主要由两部分组成：图形符号( s y m b 0 1 ) 和模板 ( t e m p l a t e ) 或原理图( s c h e m a t i c ) 。图形符号可以使用设计编辑器的符号编辑 器创建并修改，它既可以代表模板，也可以代表原理图【1 6 】。模板是通过硬件描 述语言m a s t 建立的，而原理图是使用设计编辑器编辑的仿真模型。由此可见， 用户模型的创建有两种方法： s c h e m a t i c 原理图建模和m a s t 语言建模。 9 以j 删1 人碘t 学似论文 s c h e m a t i c 原理l 茎| 建稹的过程：首先，拒s a b e r s k e t c h 1 1 编= i 完成设计，片为 其输八输 i ；端添加屡缎接ilc o n n c c l o r ；然后通过s c h e m a t i c c r c a t e - h i e r a r c h i c a l s y m b o l 创建层缎符号：在彳丁号绘制窗口绘制符号图形并将其保存，荷号名称最 好与原理图名称对应：最后通过p a n s g a l l e r y e d r - n e wp a r t s 将其制作成为 一个新的m o d e l 以便在以后的设计中使用，实现了真t f 的t o p d o w n 结构设计。 m a s t 语言建模的过程与原理图建模相似，不同之处有两点：首先，前者 是用硬件描述语言编写的模板而后者是利用s a b e r s k e t a b 编辑的原理圈；其次， m a s t 语言建模方法创建新m o d d 时需要在图2 2 所示c r e a t en e wp a r t 窗口中 p r i m i t i v e 所对应的p r o p e r t yv a l u e 栏中填写相应的模板名，而原理图建模方法则 不需要填写。下面详细介绍m a s t 楔板的编写。 图2 - 2c r e a t en e wp a r t 窗口 1 ) m a s t 语言的变量定义 s a b e r 中m a s t 语言的变量根据不同分类方法可以分为不同类型。 t e c h n o l o g yt h r 0 1 】l g l lv a r i a b l e a c r o s s v a r i a b l e e l e c t r i c a lc h n n l v o l t a g e r o t a t i o n a i t o r q u ea n g u a lv e l o c i t y m e c h a i n c a lf o t e et r a n s l a t i o n a lv e l o o l t y m a 鲋e t i c f l u x m a g n e t o - m o t i v ef o r c e f l u i d f 1 0 wr a t ef r 啦s u r e t n c a n a lh e a tf l o wr a t t ；( p o w 神 t c m p c x a t u r e l i g h t l u m i n o u si l i n m i n a n c a s 武汉理i ：人学硕p 伊论文 按照变最的使用范闱可以分为局部变量和仓局变量，局部变量通常定义在 模板头部分，作用范嘲为定义该变量的程序范围内；而全局变量则定义在模板 体巾，作用范围为该软件的所有程序。 按照节点连接关系又可以分为a c r o s s 变量和t h r o u g h 变量，a c r o s s 变量指值 为个节点相对于参考节点的相对值的变量，如电压、角速度、温度等；t h r o u g h 变量指连接两个节点且在两个节点间值不变的变量，如电流、扭矩、磁链等。 a c r o s s 变量和t h r o u g h 变量在不同系统中的定义情况如表2 1 所示。 2 ) 通用模板的语法结构 m a s t 语言是高级程序语言，其语法规则类似于c 语言。 通用模板主要由模板头和模板体组成，模扳头以t e m p l a t e 开头，用于说明该 模板所针对的器件、器件端口性质及其参数名。例如一个电阻元件的模板头可 以写为： 萍 t e m p l a t er e s i s t o rp m - - t e s e l e c t r i c a lp ，m n u m b e rr e s 拌” r e s i s i t o r 是模板名，表示该模板为电阻模板； p ，m 为电阻的两个端口，用e l e c t r i c a l 说明端e l 性质为电性质； n u m b e r 表示参数，r e s 是参数名，仿真时首先要为其赋值。 模板体通常包含在一对花括号 ) 中，模板体的开头部分通常用于定义变量， 模板体还包括用于参数运算的p a r a m e t e r s 部分、用于处理中间值的v a l u e s 部 分、用于编写控制关系的c o n t r o l 部分以及写入模型连接点方程的section e q u a t i o n s 部分。编写完模板程序后应将其保存为以模板名为文件名，后缀为s i n 的文本文件以供创建新m o d e l 时使用n 7 1 。 2 4 本章小结 本章主要介绍了s a b e r 仿真软件的优点、s a b e r 集成开发环境的构成及其基 本功能操作，并详细介绍了原理图建模和m a s t 建模方法，为整个混合动力系 统仿真模型的建立打好基础。 武汉理l ：人。z 颁十。似论文 第3 章混合动力轮胎式起重机系统 3 1 混合动力技术 所谓混合动力系统，就是将两个或两个以上的动力装置组合在一起联合供 能的动力系统，针对目前广泛采用的机械能与电能混合功能的方式，混合动力 系统可以分为串联式、并联式和混联式【1 8 】，【1 9 】。 1 ) 串联式混合动力系统 图3 1串联式混合动力系统结构图 发电机g 所产生的电能主要用于驱动负载，能量有剩余时将其储存在储能 器件b 中，此外，当负载制动时电动机m 回馈的制动能量也储存在储能器件b 中；当发电机g 提供的能量不能满足负载需求时，储能器件b 释放能量协助发 电机g 供电。这种储能器件与发电机串联供电的方式具有系统布局灵活、控制 简单等优点。 2 ) 并联式混合动力系统 执行 机构 电动，发电桃 图3 2 并联混合动力系统结构图 武汉理i ：人。、硕1 ：。、? ：伊沦文 发动机e 输出的机械能直接用来驱动负载，储能器件b 用于【田收负载制动 时川馈的制动能量，并当发动机e 能量不足时协助其驱动负载。这种储能器件 与发动机并联的供电方式结构布局受到系统空间的限制，且控制策略较为复杂。 3 ) 混联式混合动力系统 图3 3 混联混合动力系统结构图 发动机e 输出的机械能直接用来驱动负载，而储能器件b 不仅回收负载制 动能量，同时也吸收发电机产生的电能，它结合了串联式与并联式的优点。在 不同工况下，可以通过控制离合器选择不同的联接方式，系统工作灵活，综合 性能得到了提高，但整体布局复杂、控制难度加大、而且由于零部件数目增的 导致成本较高。 3 2 超级电容器 3 2 1 超级电容的原理 电容器获得高储能密度的方法有两种：保持容量不变提高其耐压或保持耐 压不变提高其容量，超级电容便是采用提高电容器容量的方法获得高储能密度。 它通过采用多孔化电极的方式获得单位体积下电极有效面积的最大化，然后将 两个电极的距离减小到纳米级从而产生极大的电容量。 根据平板电容器的电容量计算公式： o o q c = 地竺( 3 1 ) d 提高电容器电容量可以通过增大电极表面积s 或减小电极间距离d 的方法。 超级电容便是从这个角度出发，采用多孔化活性炭作为实际电极，铝箔作为引 出电极，电解电容器纸作为电极间的隔膜，其余空问均填充电解液，获得更大 的实际面积和空间面积，同时，具有流动性的电解液可以与多孔化的活性炭紧 密接触获得更大的有效极板面积，可以达到2 0 0 m 2 g ，其结构如图3 - 4 ( a ) 所示。 匿- 0 瞎电善蚓 鲮非r 1 0国1 1 0 l 1 9国l 副 ( a ) 超级电容器结构( b ) 双电层原理 图3 4 超级电容原理图 超级电容的工作原理是双电层原理，即导体与电解质接触后会在其表面产 生符号相反的稳定双层电荷。如图3 4 ( b ) 所示，当在电容器两电极间施加电 压时，在靠近电极的电介质界面上产生与电极所携带电荷相反的电荷并被束缚 在介质界面上，形成事实上电容器的两个电极1 。由于电解液的电荷是以离子 形式出现的，其尺寸为纳米级，因此事实上电容器的两个电极间距离也为纳米 级。因而这种结构的超级电容器具有极大的电容量。大多数超级电容器可以做 到法拉级，一般的容量范围为l - 一5 0 0 0 f 憎。 3 2 2 超级电容的充电特性 超级电容器的充电储能没有记忆效应，在循环使用过程中的老化影响比较 小，因此超级电容器可以进行无限次充放电瞳引，目前最常用的充电储能方式有 恒流充电、浮充充电、脉冲充电以及组合充电方式，本文以恒流充电方式为例 分析超级电容的充电特性。 1 ) 充电电流与充电时间的关系 超级电容充电时的等效电路如图3 5 所示。 i s ( t ) u ( t ) 图3 5 超级电容充电等效电路 1 4 止汉理l ：人。、硕十：。学伊论文 图中i s 为超级电容的充电电流，r 醯为等效串联电阻， 器电容电压，“( f ) 为超级电容端电压，右图可知 u ( t ) = “f ( f ) + i s 尺胚 若t = 0 时的初始条件为： u c _ ( o ) = “( + ( o ) = u c s “r ( f ) 表示超级电容 ( 3 - 2 ) 【，r 。表示某一状态时超级电容的初始电容电压值，解式( 2 2 ) 所示微分方 程可得： “c o ) = 尺即i s + ( u a i s r 即弦一傩 ( 3 3 ) 其中尺印为并联等效内阻，其值比较大，通常为几百q 。 将式( 3 3 ) 代入( 3 2 ) 可得： “o ) = ，5 ( r b + r 凹) + ( u 岱一i s r p 一傩 ( 3 - 4 ) 图3 - 6 为超级电容恒流充电时，充电电流与时间的关系曲线。 0 02 0 04 006 0 08 0 01 0 0 0 i ，c ) 图3 - 6 充电电流与充电时间的关系曲线 由图可见，充电时间随着充电电流的增加而减小，充电电流越大，所需的 充电时间越短，充电越迅速。 2 ) 充电电流与充电效率的关系 在追求快速充电的同时，充电效率也是充电过程中必须关注的目标之一。超 级电容在充电过程中的主要消耗是等效串联电阻的能耗哌( f ) ，其值为充电电流 j 。和充电时间t 的二元函数： w s ( f ) = f ( i s ，t ) ( 3 5 ) 超级电容在充电过程中消耗的能量呒为： 呒= 【，s u ( t ) d t ( 3 - 6 ) 武汉殚i ：人j 颁十。乎f p 论文 超级电容存储的能量孵为： 畋= 去c f ( “；一u a 2 ) ( 3 7 ) 二 根据能量守恒定律： + w s = ( 3 8 ) 理想情况下，超级电容的恒流充电效率为： ，7 ：竖( 3 - 9 ) 既 图3 7 为超级电容恒流充电时，充电电流与效率的关系曲线。由图可见，虽 然超级电容器的效率随充电电流增大而降低，但是降低的很缓慢，充电电流在 0 1 0 0 a 的范围之内其效率值都比较高，处于0 9 3 以上。 图3 7 充电电流与充电效率的关系曲线 3 2 3 超级电容的放电特性 0 图3 8 所示为超级电容放电时的等效电路，其通常可以简化为一个理想电容 器与等效电阻尺，。相串联的模型心引。 图中( f ) 为放电电流，由电路