传统液压挖掘机保有量大、能耗高、排放差,对节能减排构成了严峻的挑战。同时,液压挖掘机作业动作频繁、重复性高,尤其是回转运行时因没有回收利用而被浪费的制动能量达到了总能耗的25%-35%,造成了严重的能量浪费和环境污染。因此,高效回收与利用回转制动能量是实现液压挖掘机节能的重要途径之一。油电混合动力挖掘机可实现能量高效回收并改善发动机燃油经济性,是目前最主要的挖掘机节能减排方式之一,尤其是能够回收回转制动能量的混合动力挖掘机更是得到了许多挖掘机厂商的重视。因此,研究挖掘机回转系统的能量回收与利用技术具有非常重要的意义。本文所指的回转驱动系统包括起动/发电一体机及其控制器、储能装置(包括储能器和双向DC/DC变换器)、永磁回转电机及其控制器等单元。由于回转驱动系统运行工况复杂、执行机构惯性大、起动加速和制动减速时间短、以及内部动力源的多元化等特点,在回转驱动系统控制技术等方面仍存在诸多技术难题,亟待突破。因此,本文以混合动力挖掘机回转驱动系统为研究对象,寻求能够兼顾高效回收制动能量与操作性能良好的控制方法和能量管理技术。为回转驱动系统控制问题提供新的解决思路,解决回转驱动系统控制技术难题,为混合动力挖掘机的示范与推广提供理论依据与技术指导。本文主要研究内容和创新点如下:首先分析了混合动力挖掘机能量回收技术研究的必要性,先后综述了混合动力挖掘机的发展现状、混合动力系统用永磁同步电机控制技术、双向DC/DC变换器控制和能量管理技术的研究现状。简要阐述了本文的技术路线和主要研究内容。第二部分,为了兼顾挖掘机高效回收能量和作业性能良好的要求,并尽可能少地改造液压挖掘机的总体结构,提出了一种基于储能装置的新型混合动力挖掘机回转驱动系统设计方案,完成了回转驱动系统样机的研制,并将某型20吨级液压挖掘机改造为混合动力挖掘机样机,对样机各个部件和相关参数进行了描述,为后续回转驱动系统的控制技术研究奠定了基础。第三部分,针对永磁同步电机发电运行时,采用传统矢量控制方法存在控制变量之间强耦合、参数整定困难、动态控制性能差、功率因素低等问题,本文提出了一种基于模型预测电流的永磁同步电机发电运行控制策略。采用了基于模型预测电流的永磁同步电机发电运行控制方法,可提高系统的功率因素和动态响应,实现电压的稳定输出。实验结果验证了本文所提方法的有效性。第四部分,针对回转系统用永磁同步电机控制采用机械式位置传感器检测转子位置,存在体积大、成本高、可靠性低、维护困难等问题,一种基于无位置传感器的回转驱动系统电机驱动运行控制策略,该方法将脉振式高频信号注入法与滑模观测法进行结合实现全速域范围内电机的转子位置检测。同时,针对高频信号注入法不能准确可靠地辨识转子磁极极性的问题,将脉振式高频注入法和脉冲电压信号注入法相结合,先注入高频信号识别转子初始位置,再注入脉冲电压信号来判别转子磁极极性,大幅度提高了转子初始位置估计的准确性和可靠性。实验结果表明,与传统无位置传感器控制策略相比,本文所提方法可提高转子位置估计精度,增强抗干扰能力。第五部分,为了满足回转驱动系统加速起动、减速制动时的能量释放或储存的控制需求,提出了一种用于交错并联双向DC/DC变换器运行在不同模式下的新型控制方法。首先分析了回转驱动系统储能装置用交错并联双向DC/DC变换器的原理及工作特性,给出了参数设计方法;其次,针对系统在不同运行状态下的工作模式,分别建立双向DC/DC变换器动态小信号模型,设计了相应的电压环、电流环控制器;且详细阐述了电压、电流控制器的设计流程。实验结果验证了所提方法的有效性。第六部分,针对现有混合动力挖掘机回转系统的运行轨迹完全取决于司机的操纵,没有综合考虑能耗、效率等问题,本文提出了一种回转系统运行轨迹的多目标离线优化方法,综合考虑了回转系统运行的能耗、准时等指标,建立了回转系统运行轨迹的多目标优化模型,并采用多目标粒子群算法进行研究,生成了一条回转系统运行轨迹的多目标最优速度曲线,模拟一台20吨的混合动力挖掘机进行了重载回转180°、90°等工况实验,结果表明与传统延时方法相比,该方法大幅度改善回转系统运行的能耗、提高运行效率。同时针对回转驱动系统中多个动力源协调与负载间的能量分配问题,对回转运行过程中储能装置预充电和回转电机启动、匀速、制动四个阶段,制定了协调控制策略,实现了回转驱动系统的协调控制。实验验证了所提策略的正确性。