李同輝 謝 斌 宋正河 李 季

(中國農(nóng)業(yè)大學(xué)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備優(yōu)化設(shè)計北京市重點實驗室， 北京 100083)

0 引言

我國農(nóng)業(yè)機械效率低、能耗高，拖拉機產(chǎn)量的大幅增加帶來了大量的能源消耗[1]，由此引起的能源和環(huán)境問題日益突出。隨著全球范圍內(nèi)對節(jié)能、環(huán)保、高效三大主題的倡導(dǎo)，電驅(qū)動拖拉機已成為農(nóng)業(yè)機械領(lǐng)域研究的熱點[2-3]。

高輝松等[4-6]針對基于串勵直流電動機的電動拖拉機驅(qū)動力特性及傳動效率特性進行了試驗研究。謝斌等[7-9]對雙輪驅(qū)動小型電動拖拉機的傳動性能和驅(qū)動控制進行了相關(guān)研究。鄧曉亭等[10]提出了一種并聯(lián)式混合動力拖拉機傳動系統(tǒng)，并提出了相應(yīng)的設(shè)計理論和計算方法。KIM等[11]針對并聯(lián)式混合動力拖拉機，提出了一種負載扭矩估算算法，用于主要的農(nóng)田作業(yè)如翻耕和旋耕。綜上所述，目前純電動拖拉機多采用單電機驅(qū)動，難以滿足農(nóng)田作業(yè)的多工況、經(jīng)濟性要求[12-13]，而混合動力拖拉機中的電機主要用作輔助動力源，以提高發(fā)動機效率為目標，并不能充分發(fā)揮電機高效率和高精度的特點。采用雙電機耦合驅(qū)動可以降低電機轉(zhuǎn)矩容量，提高電動拖拉機驅(qū)動系統(tǒng)的功率密度，通過調(diào)節(jié)兩個電機的工作點，有利于優(yōu)化驅(qū)動系統(tǒng)的效率，提高拖拉機在不同作業(yè)工況下的能量利用率?；诖?，本文提出一種用于純電動拖拉機的雙電機行星耦合驅(qū)動系統(tǒng)，對其傳動特性進行試驗研究。

1 動力傳動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方案

設(shè)計的雙電機驅(qū)動電動拖拉機總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。動力電池組布置于車架前方，電池管理系統(tǒng)和整車控制器置于電池組上方；轉(zhuǎn)向系統(tǒng)安裝于車架中部；主、副電機與動力耦合變速箱組成的驅(qū)動系統(tǒng)通過箱體與車架相連。

圖1 電動拖拉機總體結(jié)構(gòu)方案Fig.1 Structure diagram of electric tractor1.電池管理系統(tǒng) 2.整車控制器 3.車架 4.副電機 5.驅(qū)動輪 6.動力輸出軸 7.動力耦合變速箱 8.主電機 9.電池組

驅(qū)動系統(tǒng)是電動拖拉機的核心，是提升整機傳動效率的關(guān)鍵，本文采用行星齒輪機構(gòu)將兩電機動力匯流后驅(qū)動拖拉機工作，雙電機驅(qū)動系統(tǒng)傳動路線如圖2所示。主電機與副電機作為兩個動力源通過法蘭盤與箱體固定，并置于動力耦合變速箱的同側(cè)。主電機通過減速齒輪與齒圈相連，副電機與太陽輪相連，主電機輸出軸設(shè)有電磁離合器，用于結(jié)合、斷開齒圈與主電機的連接，太陽輪軸上設(shè)有制動器，用于控制副電機的工作狀態(tài)。兩電機的動力匯流后經(jīng)行星架輸出，經(jīng)過高、低擋等減速齒輪后傳遞至差速器。

圖2 雙電機驅(qū)動系統(tǒng)傳動路線Fig.2 Transmission route of dual-motor driving system1.主電機 2.副電機 3.動力耦合變速箱 4.主輸出軸 5.動力輸出軸(PTO) 6.PTO離合器 7.電磁離合器 8.制動器 9.太陽輪 10.齒圈 11.行星架 12.高、低擋齒輪及嚙合套 13.差速器

由于電機具有調(diào)速范圍寬、控制精度高等特點，本文取消了傳統(tǒng)拖拉機變速箱，僅設(shè)有高、低擋齒輪，且與動力耦合裝置融為一體。該傳動方案是一種多動力源并聯(lián)傳動結(jié)構(gòu)，通過協(xié)調(diào)控制主電機、副電機、制動器和電磁離合器的工作狀態(tài)，可以實現(xiàn)雙電機耦合驅(qū)動和主電機獨立驅(qū)動兩種驅(qū)動模式。

2 驅(qū)動模式與系統(tǒng)理論模型

2.1 驅(qū)動模式

電動拖拉機雙電機驅(qū)動系統(tǒng)主要包括兩種驅(qū)動模式：主電機獨立驅(qū)動和雙電機耦合驅(qū)動。

(1)模式1

當制動器將太陽輪鎖止時，切斷了副電機的動力輸出，由主電機獨立驅(qū)動，此時行星齒輪機構(gòu)作為一個剛性齒輪機構(gòu)僅起到減速器的作用，轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速關(guān)系表示為

(1)

(2)

式中Tm1——主電機輸出轉(zhuǎn)矩，N·m

nm1——主電機輸出轉(zhuǎn)速，r/min

Tout——動力耦合變速箱輸出轉(zhuǎn)矩，N·m

nout——動力耦合變速箱輸出轉(zhuǎn)速，r/min

K——行星排特征參數(shù)

ig——主電機到外齒圈傳動比

i2——二級減速比

(2)模式2

兩電機共同驅(qū)動時，主電機的動力經(jīng)過傳動齒輪傳遞到齒圈，副電機的動力傳遞到太陽輪，兩電機的動力經(jīng)過行星齒輪機構(gòu)轉(zhuǎn)速耦合后由行星架輸出。此時轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速關(guān)系表示為

(3)

(4)

式中Tm2——副電機輸出轉(zhuǎn)矩，N·m

nm2——副電機輸出轉(zhuǎn)速，r/min

當電動拖拉機需要進行犁耕、旋耕等中、重負載作業(yè)時，使用雙電機耦合驅(qū)動模式來保證拖拉機的大功率輸出，同時可以調(diào)節(jié)兩電機的工作點使主電機工作在高效率區(qū)間；當進行運輸、原地PTO作業(yè)或倒車行駛時，使用主電機獨立驅(qū)動模式即可滿足動力需求。

針對電動拖拉機不同作業(yè)工況，選擇相應(yīng)的驅(qū)動模式以匹配拖拉機的功率需求，避免功率過剩造成的低效率和高能耗。針對主要作業(yè)工況，驅(qū)動系統(tǒng)的元件動作順序如表1所示。

表1 不同作業(yè)工況電動拖拉機元件動作順序Tab.1 Component action sequence of electric tractor under different working conditions

注：●表示齒輪嚙合、電機工作、電磁離合器工作、制動器制動；○表示齒輪不嚙合、電機不工作、電磁離合器不工作、制動器不制動。

雙電機耦合驅(qū)動系統(tǒng)采用兩臺永磁直流無刷電機與動力耦合變速箱相連，其主要參數(shù)如表2所示。

表2 雙電機耦合驅(qū)動系統(tǒng)主要參數(shù)Tab.2 Main parameters of dual-motor coupling system

根據(jù)表2中的主要參數(shù)和式(1)、(4)可計算得電動拖拉機行駛速度。當主電機獨立驅(qū)動時，電動拖拉機在不同擋位下的作業(yè)速度為0～9.36 km/h(低速擋)、0～14.95 km/h(高速擋)，主電機效率高于80%的轉(zhuǎn)速區(qū)間為1 800～4 600 r/min，此時對應(yīng)的行駛車速為3.37～8.61 km/h(低速擋)、5.38～13.76 km/h(高速擋)；當雙電機耦合驅(qū)動時，電動拖拉機作業(yè)速度范圍是0～16.53 km/h(低速擋)、0～26.41 km/h(高速擋)，可滿足旋耕、犁耕和運輸作業(yè)等多種作業(yè)工況；當電動拖拉機進行旋耕作業(yè)時，主電機以額定轉(zhuǎn)速驅(qū)動動力輸出軸恒速作業(yè)，副電機負責車速的調(diào)節(jié)，當驅(qū)動能力不足或者行駛速度需要調(diào)節(jié)時，可調(diào)節(jié)副電機轉(zhuǎn)速以增大輸入功率，保證主電機在高效區(qū)運行的同時，按照作業(yè)需求調(diào)節(jié)電動拖拉機行駛速度。

2.2 理論模型建立

2.2.1電機效率模型

為獲得主、副電機效率模型，搭建了效率測試試驗臺，通過臺架試驗測得兩電機的輸出轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速和母線電壓、電流[14]，電機效率計算式為

(5)

電機效率為輸出轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩的函數(shù)，通過插值擬合可獲得該狀態(tài)時的電機效率，計算式為

(6)

式中Pout——電機機械輸出功率

Pin——電機輸入功率

U——母線電壓

I——母線電流

ηm1——主電機效率

ηm2——副電機效率

主、副電機靜態(tài)效率如圖3所示。

圖3 電機效率模型Fig.3 Test numerical models of motor efficiency

2.2.2動力耦合變速箱效率模型

僅考慮以各傳動副效率來計算動力耦合變速箱的能量模型。對于行星齒輪組，不同的控制策略會因驅(qū)動模式的不同而導(dǎo)致不同的能量損失，應(yīng)針對不同驅(qū)動模式分別建立其效率模型[15]，即

(7)

式中ηs(r-c)——太陽輪固定，動力從齒圈輸入，行星架輸出的效率，%

ηc(r-s)——行星架固定，動力從齒圈輸入，太陽輪輸出的效率，%

ηr,s-c——動力從齒圈和太陽輪輸入，行星架輸出的效率，%

nc——行星架轉(zhuǎn)速，r/min

式(7)中ηc(r-s)在行星架固定時，可以將行星架視為固定連桿，根據(jù)傳統(tǒng)齒輪系計算功率損耗，普通直齒輪系機械效率為[16]

(8)

式中za、zb——齒輪齒數(shù)

其中±表示外嚙合(+)或內(nèi)嚙合(-)。

2.2.3雙電機驅(qū)動系統(tǒng)動力學(xué)模型

基于上文對雙電機驅(qū)動系統(tǒng)驅(qū)動模式的分析，建立了不同驅(qū)動模式下的動力學(xué)模型。

驅(qū)動系統(tǒng)工作在模式1時，制動器將太陽輪鎖止，副電機不輸出動力，此時驅(qū)動系統(tǒng)動力學(xué)模型為

(9)

式中nv——驅(qū)動輪轉(zhuǎn)速，r/min

Jm1——主電機轉(zhuǎn)子等效轉(zhuǎn)動慣量，kg·m2

Jv——等效到驅(qū)動輪上的轉(zhuǎn)動慣量，kg·m2

Tv——所受外界負載等效到車輪上的阻力矩，N·m

i0——主減速比

驅(qū)動系統(tǒng)工作在模式2時，制動器完全分離，副電機向太陽輪輸出動力，副電機和主電機的動力經(jīng)行星齒輪耦合后共同驅(qū)動車輪和PTO，此時系統(tǒng)動力學(xué)模型可表示為

(10)

式中Jm2——副電機轉(zhuǎn)子等效轉(zhuǎn)動慣量，kg·m2

2.2.4整機縱向動力學(xué)模型

電動拖拉機進行牽引農(nóng)具作業(yè)時，主要受到水平牽引阻力、滾動阻力、加速阻力和坡度阻力的影響，因車速較慢忽略空氣阻力。則電動拖拉機的縱向動力學(xué)模型為

(11)

其中

Ff=msgfcosα

(12)

(13)

Fi=msgsinα

(14)

式中vw——作業(yè)車速，km/h

Fx——作用在后驅(qū)動輪上的縱向力，N

FT——水平牽引阻力，N

Ff——滾動阻力，N

δ——旋轉(zhuǎn)質(zhì)量轉(zhuǎn)換因子

Fj——加速阻力，N

ms——整機質(zhì)量，kg

Fi——爬坡阻力，N

α——坡道角度，(°)

f——車輪滾動阻力系數(shù)

2.2.5控制仿真試驗?zāi)Ｐ?/p>

根據(jù)前文所建立的效率模型和動力學(xué)模型，基于Matlab/Simulink搭建電動拖拉機控制仿真試驗?zāi)Ｐ停鐖D4所示，由作業(yè)工況模塊、功率分配控制模塊、主副電機模塊、動力耦合變速箱模塊、整機動力學(xué)模塊和信號監(jiān)測模塊組成，其中兩電機模塊和動力耦合變速箱模塊中均包含損失功率計算模型，功率分配控制模塊將在3.3節(jié)詳細敘述。

圖4 電動拖拉機控制仿真試驗?zāi)Ｐ虵ig.4 Control simulation model of electric tractor

3 綜合控制策略

電動拖拉機雙電機驅(qū)動系統(tǒng)由多個動力部件組成，存在多種運行模式，通過制定合理有效的驅(qū)動控制策略，在各動力部件之間實現(xiàn)協(xié)同控制是提高電動拖拉機驅(qū)動系統(tǒng)動力性和能耗經(jīng)濟性的關(guān)鍵。

3.1 轉(zhuǎn)矩識別控制策略

拖拉機進行田間作業(yè)時一般為勻速作業(yè)，多采用增量式PID控制算法進行轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制[18]，但田間作業(yè)種類繁多，作業(yè)負載覆蓋范圍廣，對于比例系數(shù)、積分系數(shù)和微分系數(shù)固定的PID控制器，控制器工作狀態(tài)不穩(wěn)定，不能精確識別電動拖拉機實時轉(zhuǎn)矩?；诖耍疚膶⒛：刂婆cPID控制相結(jié)合，利用模糊控制器對PID的3個參數(shù)進行在線實時調(diào)整，以改善電動拖拉機在不同工況下的轉(zhuǎn)矩識別控制效果[19-20]。

圖5 模糊PID控制原理圖Fig.5 Schematic of fuzzy PID control

基于Matlab/Simulink建立模糊PID控制器模型，與電動拖拉機縱向動力學(xué)模型組成勻速作業(yè)轉(zhuǎn)矩識別控制仿真模型，分別采用PID和模糊PID需求轉(zhuǎn)矩識別算法進行仿真試驗，并對比分析試驗結(jié)果。

(1)設(shè)定目標車速為定值，階躍改變驅(qū)動輪負載轉(zhuǎn)矩，對電動拖拉機的轉(zhuǎn)矩識別效果和車速跟蹤效果進行仿真。設(shè)定目標車速vt=5 km/h，負載轉(zhuǎn)矩Tl初始值為450 N·m，在仿真時間為10 s時Tl為900 N·m，20 s時Tl為1 350 N·m，30 s時Tl為1 800 N·m，仿真結(jié)果如圖6所示。

圖6 負載轉(zhuǎn)矩階躍變化仿真結(jié)果Fig.6 Simulated curves of step change of load torque

由圖6可知，相比于PID，模糊PID對負載轉(zhuǎn)矩變化的響應(yīng)速度更快，最大超調(diào)量更小，以Tl從900 N·m階躍到1 350 N·m為例，模糊PID的響應(yīng)時間為2.47 s，最大超調(diào)量為79.7 N·m，PID控制器的響應(yīng)時間為3.55 s，最大超調(diào)量約為142.6 N·m，模糊PID趨于穩(wěn)定的時間更短，對驅(qū)動轉(zhuǎn)矩的識別效果更優(yōu)；由行駛車速仿真曲線可知，在負載轉(zhuǎn)矩階躍變化時，電動拖拉機的行駛車速受負載波動影響有所下降，與PID算法相比，模糊PID控制車速穩(wěn)定至設(shè)定值的響應(yīng)速度更快，且無超調(diào)量。當Tl從900 N·m階躍到1 350 N·m時，模糊PID控制器在穩(wěn)定階段的車速最大偏差為0.019 km/h，標準差為0.009 6 km/h，PID控制器在穩(wěn)定階段的車速最大偏差為0.042 km/h，標準差為0.018 7 km/h，由此可知模糊PID控制器的車速跟蹤誤差更小。

(2)設(shè)定負載轉(zhuǎn)矩為定值，階躍改變目標車速，對電動拖拉機的行駛車速跟蹤效果進行仿真。設(shè)定負載轉(zhuǎn)矩Tl為1 200 N·m，目標車速vt的初始值為2 km/h，仿真時間為10 s時vt階躍為4 km/h，20 s時為6 km/h，30 s時變?yōu)?.5 km/h，仿真結(jié)果如圖7所示。

圖7 目標車速階躍變化仿真結(jié)果Fig.7 Simulated curves of step change of target speed

由圖7可知，模糊PID算法對車速控制的響應(yīng)速度更快，且超調(diào)量很小，與PID算法相比，能夠更快穩(wěn)定于設(shè)定車速值。以vt從4 km/h階躍到6 km/h為例，模糊PID控制器的響應(yīng)時間為2.4 s，最大超調(diào)量為0.006 km/h，PID控制器的響應(yīng)時間為3.8 s，最大超調(diào)量為0.27 km/h。

3.2 模式1控制策略

當電動拖拉機工作在低速、中低負載時，主電機獨立驅(qū)動，此模式控制的關(guān)鍵是控制主電機在高效區(qū)范圍內(nèi)輸出轉(zhuǎn)矩，當主電機轉(zhuǎn)矩容量不足或工作在非高效區(qū)時，控制系統(tǒng)需進行模式切換。

(15)

Tmax1——主電機最大轉(zhuǎn)矩，N·m

Pmax1——主電機最大功率，kW

ne——主電機額定轉(zhuǎn)速，r/min

acc——加速踏板開度

3.3 模式2控制策略

在主電機和副電機同時驅(qū)動拖拉機工作時，采用基于最小功率損耗的動態(tài)規(guī)劃控制策略，將電動拖拉機總需求功率合理分配。在作業(yè)工況給定的情況下，動態(tài)規(guī)劃算法可以使雙電機驅(qū)動系統(tǒng)損失功率最小的同時保證全局最優(yōu)。

3.3.1動態(tài)規(guī)劃算法

在離散時間狀態(tài)下，電動拖拉機雙電機耦合驅(qū)動系統(tǒng)模型可以表示為

x(k+1)=f(x(k),u(k))

(16)

式中x(k)——狀態(tài)變量

u(k)——控制變量

文中雙電機驅(qū)動系統(tǒng)屬于速度耦合結(jié)構(gòu)，因此選擇主電機轉(zhuǎn)速nm1作為狀態(tài)變量，0≤nm1(k)<5 000 r/min；選擇動力分流比Pr作為控制變量，Pr為主電機需求功率與總需求功率的比值，0

在給定工況條件下找到某個控制變量u(k)，通過優(yōu)化分配主電機和副電機的輸出功率，使得兩電機和傳動機構(gòu)的功率損失達到最小。考慮到雙電機驅(qū)動電動拖拉機的動力分配問題，目標函數(shù)J由系統(tǒng)各項能量損失組成，即

(17)

式中N——時間步長L——瞬時成本

Lm1——主電機能量損失

Lm2——副電機能量損失

Lmech——動力耦合變速箱能量損失

Ltotal——各項能量損失的和

在優(yōu)化過程中，為確保主電機和副電機的安全/合理運行，需要施加約束

(18)

主電機和副電機的損失功率為

(19)

對于采用轉(zhuǎn)速耦合的雙電機驅(qū)動系統(tǒng)，兩電機的輸出轉(zhuǎn)矩Tm1和Tm2呈固定比例，輸出轉(zhuǎn)速nm1和nm2相互獨立，對電機轉(zhuǎn)速的優(yōu)化分配即對兩電機功率的優(yōu)化分配。因此，根據(jù)電動拖拉機的當前需求功率和驅(qū)動輪滑轉(zhuǎn)率，在給定工作條件下滿足作業(yè)需求的同時，尋找兩電機的最優(yōu)功率分配，實現(xiàn)驅(qū)動系統(tǒng)功率損失最小。

3.3.2控制策略仿真

基于電動拖拉機控制仿真試驗?zāi)Ｐ?，對采用動態(tài)規(guī)劃控制策略的雙電機耦合驅(qū)動模式進行仿真。仿真分別在兩種工況條件下進行：

(1)牽引阻力恒定不變，車速由零逐漸增加(工況1)，行星架輸出軸負載轉(zhuǎn)矩為定值，行星架輸出轉(zhuǎn)速由零逐漸增加。

(2)車速恒定不變，牽引阻力由零逐漸增加(工況2)，行星架輸出軸負載轉(zhuǎn)矩由零逐漸增加，行星架輸出轉(zhuǎn)速為定值。

在兩種工況條件下，分別運行電動拖拉機控制仿真模型，得到主電機和副電機的功率分配規(guī)則，如圖8所示。

圖8 兩種工況條件下電機輸出功率分配曲線Fig.8 Output power distribution curves of motors under two working conditions

在基于最小功率損耗的控制策略下，主電機和副電機的輸出功率不再保持固定1∶1的分配規(guī)則，而是根據(jù)當前工況條件，以系統(tǒng)功率損失最小為目標合理地分配兩電機的輸出功率。如圖8a所示，在工況1時，兩電機的功率分配比在1.31～2.62之間，在0～500 r/min和2 000～2 500 r/min時波動幅值較大，產(chǎn)生此現(xiàn)象的原因在于主、副電機采用不同型號、高效區(qū)間各不相同的電機，控制策略在低速和中高速階段調(diào)整兩電機的工作點，以使其功率損耗最??；如圖8b所示，在工況2時兩電機的輸出功率比在2.36～13.56之間，由于副電機在小負荷運行時效率很低，因此在試驗初始(0～6 N·m)階段，控制器采用主電機作為主要輸出動力，此階段比值較大，此后整體變化平穩(wěn)。

4 試驗驗證與結(jié)果分析

為驗證電動拖拉機控制系統(tǒng)的有效性和雙電機驅(qū)動系統(tǒng)的傳動性能，建立能耗型試驗臺并進行臺架試驗。試驗臺結(jié)構(gòu)如圖9所示，包括電池組、測試控制柜、信號調(diào)理板、主電機及其控制器、副電機及其控制器、動力耦合變速箱、轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器、減速機、磁粉制動器及其控制器。

圖9 試驗臺結(jié)構(gòu)簡圖Fig.9 Structure diagram of test bench

動力耦合變速箱實物如圖10所示，包括單行星排、制動器、兩擋定軸齒輪以及PTO輸出軸，其中兩擋定軸齒輪與行星架輸出軸相連接，形成高、低兩擋位輸出。本文將變速機構(gòu)與動力耦合機構(gòu)整合在同一箱體中，省去了變速箱的制造安裝，使電動拖拉機傳動系統(tǒng)更加簡潔。圖11為試驗臺實物圖。

圖10 動力耦合變速箱實物Fig.10 Power coupling box

圖11 臺架試驗臺實物Fig.11 Bench test platform1.電機 2.動力耦合變速箱 3.轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器 4.減速機 5.磁粉制動器

4.1 恒定負載試驗

在雙電機耦合驅(qū)動模式下，調(diào)節(jié)磁粉制動器輸出恒定負載轉(zhuǎn)矩為500 N·m，經(jīng)過減速器傳遞至動力耦合變速箱輸出軸，啟動主電機、副電機，調(diào)節(jié)電機控制電壓，使動力耦合箱輸出軸轉(zhuǎn)速由零逐漸增加，穩(wěn)定運行后記錄數(shù)據(jù)，得到驅(qū)動系統(tǒng)臺架試驗結(jié)果，如圖12所示。

圖12 恒定負載試驗結(jié)果Fig.12 Results of constant load test

圖12a為輸出轉(zhuǎn)速，隨著主電機和副電機輸出轉(zhuǎn)速的增加，動力耦合變速箱輸出軸轉(zhuǎn)速能夠逐步穩(wěn)定的增加，本次試驗耦合箱輸出軸最高轉(zhuǎn)速為703.98 r/min，對應(yīng)主電機和副電機最高轉(zhuǎn)速分別為5 490.03 r/min和4 757.77 r/min；根據(jù)電機輸入電流可得兩電機的輸入功率與功率比變化曲線(圖12b)，隨著耦合箱輸出功率的增加，主電機和副電機能夠按照控制策略確定的分配規(guī)則進行功率的分配，兩電機的輸入功率比在1.26～2.68之間。根據(jù)兩電機輸入功率得到總輸入功率曲線，根據(jù)動力耦合箱的輸出轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速，得到耦合箱輸出功率曲線，進而得到驅(qū)動系統(tǒng)的傳遞效率，如圖12c所示，隨著耦合箱輸出轉(zhuǎn)速的增加，效率先升高再下降，最高效率為0.72，此時耦合箱輸出轉(zhuǎn)速為487.17 r/min，耦合箱輸出轉(zhuǎn)矩為97.79 N·m，主電機功率為4.64 kW，副電機功率為2.46 kW，兩電機功率分配比為1.88，耦合箱輸出轉(zhuǎn)速繼續(xù)增加，主電機和副電機的輸入功率持續(xù)增大，系統(tǒng)效率開始降低。

4.2 牽引性能試驗

拖拉機在田間作業(yè)時，所受負載變化頻繁，并圍繞一個均值小幅度波動，為驗證電動拖拉機在負載波動變化工況下的控制效果，進行牽引性能試驗。試驗方法：啟動主電機和副電機，調(diào)節(jié)兩電機轉(zhuǎn)速使動力耦合變速箱輸出轉(zhuǎn)速由零增加至400 r/min后保持恒定，設(shè)定磁粉制動器輸出轉(zhuǎn)矩為450 N·m，在此基礎(chǔ)上手動調(diào)節(jié)控制旋鈕使其產(chǎn)生隨機波動變化，其波動范圍在210 N·m左右，試驗結(jié)果如圖13所示。

圖13 牽引性能試驗曲線Fig.13 Curves of tractive performance test

圖13a為動力耦合變速箱輸出轉(zhuǎn)矩變化曲線，試驗中當負載波動變化時，雙電機驅(qū)動系統(tǒng)需輸出相應(yīng)的轉(zhuǎn)矩來維持當前車速不變，其波動范圍為61.2～106.9 N·m；為克服負載波動對電動拖拉機行駛車速帶來的影響，主、副電機按照控制器指令改變輸出轉(zhuǎn)速，導(dǎo)致兩電機輸出轉(zhuǎn)速產(chǎn)生小幅度波動，如圖13b所示，轉(zhuǎn)速波動范圍均在100 r/min左右，動力耦合變速箱輸出轉(zhuǎn)速波動較小，于15.3 s達到目標轉(zhuǎn)速400 r/min，之后在393～413 r/min范圍內(nèi)波動變化。

圖13c為功率分配比變化曲線，從圖中可以看出，負載轉(zhuǎn)矩的變化導(dǎo)致主、副電機輸入功率產(chǎn)生較大的波動，兩電機的波動范圍均在1 kW左右，兩電機的功率比在1.07～2.73之間波動，兩電機的輸入功率能夠按照控制策略跟隨負載波動進行功率分配，整體趨勢符合前文仿真結(jié)果；圖13d為總輸入功率曲線和輸出功率曲線。根據(jù)動力耦合變速箱的輸出功率和總輸入功率得到雙電機驅(qū)動系統(tǒng)的驅(qū)動效率，從圖13可以看出，隨著耦合箱負載扭矩的波動變化，效率相應(yīng)地產(chǎn)生變化，負載扭矩增加，兩電機工作負荷增大，效率升高；負載扭矩減少，兩電機工作負荷減小，效率降低，最高效率為0.76，此時負載轉(zhuǎn)矩為398 N·m，主電機功率3.6 kW，副電機功率1.93 kW，兩電機功率分配比為1.86，符合電機運行的效率特性，為后續(xù)電動拖拉機專用電機的設(shè)計奠定了基礎(chǔ)。

5 結(jié)論

(1)設(shè)計了一種基于行星齒輪耦合的電動拖拉機雙電機驅(qū)動系統(tǒng)，該系統(tǒng)將兩電機的動力匯流后驅(qū)動拖拉機工作，取消了傳統(tǒng)變速箱，將變速機構(gòu)與動力耦合裝置融為一體。

(2)分析了雙電機驅(qū)動系統(tǒng)的兩種驅(qū)動模式，建立了電動拖拉機雙電機驅(qū)動系統(tǒng)動力學(xué)模型和兩電機效率模型；在此基礎(chǔ)上，提出驅(qū)動系統(tǒng)綜合控制方法，分別設(shè)計了轉(zhuǎn)矩識別控制策略和兩種驅(qū)動模式的控制策略，為驗證控制策略的有效性，建立了電動拖拉機控制仿真模型并進行了仿真試驗，得到雙電機耦合驅(qū)動模式的功率分配規(guī)則。

(3)搭建了雙電機驅(qū)動系統(tǒng)能耗型臺架試驗平臺，基于LabVIEW編寫電機控制程序和數(shù)據(jù)采集程序，分別進行了恒定負載試驗和牽引性能試驗。試驗結(jié)果表明，恒定負載試驗中，當主電機功率為4.64 kW，副電機功率為 2.46 kW時，系統(tǒng)效率最高，此時耦合箱輸出轉(zhuǎn)速為487.17 r/min，耦合箱輸出轉(zhuǎn)矩為97.79 N·m；牽引性能試驗中，負載轉(zhuǎn)矩波動變化，主、副電機的功率、轉(zhuǎn)速和效率都隨之改變，最高效率點為0.76，此時負載轉(zhuǎn)矩為398 N·m，主電機功率為3.6 kW，副電機功率為
1.93 kW。

(4)仿真和臺架試驗結(jié)果表明，本文設(shè)計的動力耦合變速箱可以滿足電動拖拉機雙電機驅(qū)動系統(tǒng)的功能要求；所設(shè)計的驅(qū)動控制策略，能夠在不同工況條件下實現(xiàn)兩電機的功率分配，控制效果和響應(yīng)速度良好，能夠滿足真實驅(qū)動系統(tǒng)的動力需求。但是，由于本文所選擇的直流無刷電機效率偏低、設(shè)計的動力耦合變速箱存在一定的加工和安裝誤差，導(dǎo)致臺架試驗效率降低。后續(xù)將進一步從更換電機類型、優(yōu)化動力耦合變速箱結(jié)構(gòu)等方面開展研究，以減少關(guān)鍵部件功率損耗，提升雙電機耦合驅(qū)動系統(tǒng)效率。