摘要：众所周知，我国是农业大国，机械化生产代替了传统人工劳动。近年来，由于农业机械化引起的能源和环境问题日益突出，我国农业机械效率低、能耗高，拖拉机产量的大幅增加带来了大量的能源消耗。随着全球范围内对节能、环保、高效三大主题的倡导，电驱动拖拉机已成为农业机械领域热门的研究课题。
关键词：电动拖拉机；双电机耦合驱动系统；传动特性
引言
近年来，能源和环保问题受到全球各界的高度关注，而电动农机作为一种节能、无污染的零排放农业机械，已成为解决能源紧缺和环境污染问题的重要途径之一。因此研发低噪声、零排放、高效、节能的电动农机已成为全球的热点。
1电动拖拉机研究现状
我国电动拖拉机起步晚，从2007年开始南京农业大学的高辉松博士团队研发出6档的四轮电动拖拉机，并不断对其进行优化完善，提出驱动系统设计的相关理论和计算方法并对驱动系统进行仿真研究。2012年西北农林科技大学王元杰团队以铅蓄电池为动力源、直流串励电动机为动力机研制出一款温室遥控电动拖拉机，进行整机试验并提出电池能量分配理论。2017年中国农业大学陈燕呢等以小型电动拖拉机为研究对象，进行控制器局域网络（controller area network，简称CAN）总线通信网络结构设计，并对网络节点进行功能定义，为我国电动拖拉机领域智能化的研究提供了参考。综上所述，国内外对电动拖拉机的理论研究及样机研制已经取得了一些成果，目前已经向自动化、智能化方向发展。
2动力传动系统结构方案
动力电池组布置于车架前方，电池管理系统和整车控制器置于电池组上方；转向系统安装于车架中部；主、副电机与动力耦合变速箱组成的驱动系统通过箱体与车架相连。驱动系统是电动拖拉机的核心，是提升整机传动效率的关键，本文采用行星齿轮机构将两电机动力汇流后驱动拖拉机工作，双电机驱动系统传动路线如图1所示。主电机与副电机作为两个动力源通过法兰盘与箱体固定，并置于动力耦合变速箱的同侧。主电机通过减速齿轮与齿圈相连，副电机与太阳轮相连，主电机输出轴设有电磁离合器，用于结合、断开齿圈与主电机的连接，太阳轮轴上设有制动器，用于控制副电机的工作状态。两电机的动力汇流后经行星架输出，经过高、低挡等减速齿轮后传递至差速器。
图1 双电机驱动系统传动路线
3综合控制策略
3.1转矩识别控制策略
拖拉机进行田间作业时一般为匀速作业，多采用增量式PID控制算法进行转速闭环控制，但田间作业种类繁多，作业负载覆盖范围广，对于比例系数、积分系数和微分系数固定的PID控制器，控制器工作状态不稳定，不能精确识别电动拖拉机实时转矩。基于此，本文将模糊控制与PID控制相结合，利用模糊控制器对PID的3个参数进行在线实时调整，以改善电动拖拉机在不同工况下的转矩识别控制效果。
基于Matlab/Simulink建立模糊PID控制器模型，与电动拖拉机纵向动力学模型组成匀速作业转矩识别控制仿真模型，分别采用PID和模糊PID需求转矩识别算法进行仿真试验，并对比分析试验结果。
相比于PID，模糊PID对负载转矩变化的响应速度更快，最大超调量更小，以lT从900N•m阶跃到1350N•m为例，模糊PID的响应时间约为2.47s，最大超调量约为79.7Nm，PID控制器的响应时间约为3.55s，最大超调量约为142.6Nm，模糊PID趋于稳定的时间更短，对驱动转矩的识别效果更优；由行驶车速仿真曲线可知，在负载转矩阶跃变化时，电动拖拉机的行驶车速受负载波动影响有所下降，与PID算法相比，模糊PID控制车速稳定至设定值的响应速度更快，且无超调量。当lT从900N•m阶跃到1350N•m时，模糊PID控制器在稳定阶段的车速最大偏差为0.019km/h，标准差为0.0096km/h，PID控制器在稳定阶段的车速最大偏差为0.042km/h，标准差为0.0187km/h，由此可知模糊PID控制器的车速跟踪误差更小。
模糊PID算法对车速控制的响应速度更快，且超调量很小，与PID算法相比，能够更快稳定于设定车速值。以tv从4km/h阶跃到6km/h为例，模糊PID控制器的响应时间约为2.4s，最大超调量约为0.006km/h，PID控制器的响应时间约为3.8s，最大超调量约为0.27km/h。
3.2模式1控制策略
当电动拖拉机工作在低速、中低负载时，主电机独立驱动，此种模式控制的关键是控制主电机在高效区范围内输出转矩，当主电机转矩容量不足或工作在非高效区时，控制系统需进行模式切换。采用转速开环控制即转矩控制，控制器将操作手的意图（包括加速踏板、制动踏板）最终解释为主电机的目标输出转矩，并向主电机控制器发送该转矩指令，主电机进行转矩调节保证实际输出转矩与目标转矩指令相同。当拖拉机前进时，目标转矩
可以表示为
式中
——主电机目标转矩，N•m
Tmax1——主电机最大转矩，N•m
Pmax1——主电机最大功率，kW
ne——主电机额定转速，r/min
acc——加速踏板开度
3.3模式2控制策略
在主电机和副电机同时驱动拖拉机工作时，采用基于最小功率损耗的动态规划控制策略，将电动拖拉机总需求功率合理分配。在作业工况给定的情况下，动态规划算法可以使双电机驱动系统损失功率最小的同时保证全局最优。
基于电动拖拉机控制仿真试验模型，对采用动态规划控制策略的双电机耦合驱动模式进行仿真。仿真分别在两种工况条件下进行：
（1）牵引阻力恒定不变，车速由零逐渐增加（工况1），行星架输出轴负载转矩为定值，行星架输出转速由零逐渐增加。
（2）车速恒定不变，牵引阻力由零逐渐增加（工况2），行星架输出轴负载转矩由零逐渐增加，行星架输出转速为定值。
在两种工况条件下，分别运行电动拖拉机控制仿真模型，得到主电机和副电机的功率分配规则，如图2所示。
图2 两种工况条件下电机输出功率分配曲线
图2为仿真结果，在基于最小功率损耗的控制策略下，主电机和副电机的输出功率不再保持固定1：1的分配规则，而是根据当前工况条件，以系统功率损失最小为目标合理地分配两电机的输出功率。如图2a所示，在工况1时，两电机的功率分配比值在1.31~2.62之间，在0~500r/min和2000~2500r/min时波动幅值较大，产生此现象的原因在于本文主、副电机采用不同型号、高效区间各不相同的电机，控制策略在低速和中高速阶段调整两电机的工作点，以使其功率损耗最小；如图2b所示，在工况2时两电机的输出功率比在2.36~13.56之间，由于副电机在小负荷运行时效率很低，因此在试验初始（0~6Nm）阶段，控制器采用主电机作为主要输出动力，此阶段比值较大，此后整体变化平稳。
结语
由于本文所选择的直流无刷电机效率偏低、设计的动力耦合变速箱存在一定的加工和安装误差，导致台架试验效率降低。后续将进一步从更换电机类型、优化动力耦合变速箱结构等方面开展研究，以减少关键部件功率损耗，提升双电机耦合驱动系统效率。
参考文献：
[1]赵剡水，杨为民.农业拖拉机技术发展观察[J].农业机械学报，2010，41（6）：42-48.
[2]高辉松，王珊珊，朱思洪.电动拖拉机驱动力与传动效率特性试验[J].农业机械学报，2008.
[3]高辉松，朱思洪．电动拖拉机传动系统设计理论与方法研究[J]．南京农业大学学报，2009，32（1）：140-145．
论文作者:熊开轩,赵志露,沈涛
论文发表刊物:《基层建设》2019年第11期
论文发表时间:2019/7/22
标签：电机论文; 转矩论文; 拖拉机论文; 控制器论文; 工况论文; 车速论文; 模糊论文; 《基层建设》2019年第11期论文;