电机驱动回转系统是混合动力挖掘机进一步节能减排的有效途径,对改善挖掘机高能耗、高排放和高污染的现状具有重要意义。本文提出的电机驱动回转系统的设计和控制方法还可为其它类型工程机械的类似问题提供参考和借鉴。对于混合动力挖掘机,电机驱动回转系统的应用改变了原回转机构的传动形式和动力系的能量流结构,因此,如何保证优良的回转作业操作性和回转复合动作协调性是当前制约该技术实际应用的关键问题。首先,论文给出电机驱动回转系统的结构方案,并提出了关键元件和单元参数的等效设计方法；针对回转操作性控制的难题,论文采用模拟开中心阀控马达系统的工作原理来设计电机驱动系统控制策略的思路,提出了以电机扭矩控制为内环,以多模式运动控制为外环的回转控制方法,从而保证与原系统相同的功能和相似的操作性,为保证模式切换下大惯量转台的平稳运行,并提出了平顺控制策略；针对斜坡作业、吊装作业等特殊工况下,手柄大幅快速操作、转台惯量变化和外界干扰对转台速度的影响,提出了斜率约束+PI+扰动观测器的速度控制策略,从而保证回转速度的起制动平稳以及与操作手柄信号的一致；针对回转和机械臂复合动作时,对超级电容的使用产生干涉的问题,研究了回转复合动作下的能量协调管理方法,提出了SOC(state of charge)’匣值控制策略,既保证复合动作的协调性,又能充分回收转台动能。此外,评价了电机驱动回转系统的节能性,研究了影响其能耗的主要因素,并讨论了相对于阀控马达回转系统的节能效果。论文提出的电机驱动回转系统的设计和控制方法,可同时实现良好的回转操作性、复合动作不干涉以及较明显的节能效果,并且加速促进了电机驱动回转系统在混合动力挖掘机中的实际应用。论文各章内容分述如下：第一章论述了当前环境恶化、能源短缺情况下研究液压挖掘机高效、节能回转驱动系统的重要意义；分析并比较了典型的回转驱动系统的优缺点,概述了回转系统的平稳性控制、操作性控制以及变惯量、强干扰系统速度控制的研究现状；阐述了电机驱动回转系统的特点以及与电动汽车系统的差异,分析了目前该方面研究存在的问题,最后提出了本课题的研究内容。第二章从系统结构和参数设计方面对混合动力挖掘机电机驱动回转系统进行了研究。首先分析了液压马达驱动回转系统典型的作业工况和性能要求；提出系统设计的等效替换原则,以使电机驱动回转系统与开中心阀控马达系统具有相同的功能和相近的操作性,然后根据该原则,给出了电机驱动回转系统的结构方案,采用类比设计法进行关键元件和单元的参数设计。建立了电机驱动回转系统的模型并进行分析,通过实验测试了转台惯量的变化范围,为后续系统控制做准备。第三章主要围绕电机驱动回转系统的功能性和操作性控制展开研究,将回转工况分解成转台加速、减速、中位保持和怠速停车四种工作模式,给出了模式识别方法。对各模式的工作性能进行分析,并归纳其运行规律。提出了以多模式运动控制策略为外环,以电机扭矩控制为内环的双环控制策略框架,并基于加速模式、减速模式和中位保持模式的工作性能,设计了变系数比例控制器,此外,为保证模式切换控制下大惯量转台的运行平稳,提出了平顺控制策略。仿真和实验表明：多模式运行控制策略能获得与原阀控马达系统相同的功能和相近操作性。第四章针对斜坡作业和吊装作业等特殊工况的速度控制展开研究。在斜坡作业和吊装作业工况下,重力在斜坡上的分量引起的干扰力矩和转台惯量变化对转台转速的影响以及操作手柄大幅或快速动作,使得转速控制的操控性变差。操作手柄大幅或快速动作,容易引起控制器快速达到饱和,使转台冲击而导致重物的晃动,因此在目标转速生成环节加入了斜率约束,使其匀速缓变上升；为了消除转动惯量和外部干扰力矩对转台转速的影响,采用PI控制+扰动观测器策略。在不同惯量和干扰力矩的情况下分别进行仿真和实验,结果表明：在同样的手柄信号作用下,斜率约束+PI控制+扰动观测器控制策略使得转台具有一致的加速感和较好的平稳性,不受转台惯量变化和外部干扰信号的影响。第五章主要针对回转复合动作下的能量管理展开研究。分析了动力系统的动态特性和能量流,发现在回转和其他执行机构复合动作时,超级电容太浅太满容易造成复合动作干涉,对此,提出了SOC恒值控制策略。建立20吨挖掘机的仿真模型并进行实验验证。通过仿真和实验比较传统的恒温器式控制策略和SOC恒值控制策略在SOC控制、燃油经济性和复合动作是否干涉方面的差异。仿真结果表明：SOC恒值控制策略具有较好的SOC控制特性,发动机工作点能自动适应液压泵和回转电机负载的变化,也有较好的燃油经济性,而恒温器式控制策略造成超级电容频繁深度充放电,效率变低,因而燃油经济性略差。实验结果表明：SOC恒值控制策略能使回转和其他执行机构的复合动作互不干涉,而对于恒温器式控制策略,容易使发动机转速大幅降低而不稳定。第六章主要研究电机驱动回转系统的节能性。首先分析了电机驱动回转系统的能量转换过程和各元件的效率,并得到影响能耗的的四个关键因素：转台惯量、驱动效率、制动回收率和最大转速,对驱动效率和制动回收率影响最大的是电机的高效区范围以及电机的使用扭矩。建立了回转系统的效率模型并进行实验验证。研究表明：驱动效率和制动回收率最高时大部分工况下约为70%-80%,电机速度较低时降为40%-50%；对电机驱动回转系统能耗影响最大的因素是转台转角,其次是转台惯量；电机驱动回转系统相对于液压马达回转系统的节能量随转台转角、转台惯量和发动机转速变大而增大；节能比大约为70%-90%,随转台转角增大而减小,随惯量增大而上升。因此可以得出结论,电机驱动回转系统的节能效果明显,相对液压马达回转系统只占其能耗的一小部分。第七章对论文的主要研究工作和创新点进行总结,并对课题后续的研究工作和方向作了展望。