胡晨明，劉孟楠，魏垂泉，王 通

(1.河南科技大學(xué) 車輛與交通工程學(xué)院，河南 洛陽 471003;2.西安理工大學(xué) 機械與精密儀器工程學(xué)院，陜西 西安 710048)

0 引言

拖拉機以機組形式進行作業(yè)，作業(yè)工況種類繁多[1]，對整機協(xié)同控制策略進行設(shè)計時，需考慮動力輸出軸(power take-off,PTO)電動機和驅(qū)動電動機同時工作帶來的聯(lián)合作業(yè)問題[2-3]，控制策略的合理性影響著整機的農(nóng)藝適應(yīng)性及作業(yè)質(zhì)量[4-5]。整車控制器是雙電機獨立驅(qū)動式電動拖拉機實現(xiàn)整機控制和管理的關(guān)鍵設(shè)備，核心功能主要有信號采集處理、運行狀態(tài)管理、驅(qū)動力矩控制和顯示信息管理等，是實現(xiàn)和提高整機控制功能的保證[6-8]。

國外對純電動車輛的整車控制器研究較早，技術(shù)相對成熟[9]。豐田開發(fā)的FINE-N車型整車控制器，采用雙輪轂電動機驅(qū)動的動力方案，由兩個同樣的輪轂電動機分別驅(qū)動左右后輪[10]。英飛凌的整車控制器架構(gòu)可用于12 V供電系統(tǒng)和24 V供電系統(tǒng)，可作為純電動乘用車和商用車的整車控制器，也可以用于混合動力車輛的混動控制器[11]。國內(nèi)車企和部分高校對整車控制器進行了研究和開發(fā)，例如：天津大學(xué)、一汽天津夏利股份有限公司和中國汽車技術(shù)研究中心等合作開發(fā)的XL2000車型的整車控制器[12]。

電動汽車在道路環(huán)境行駛，載荷譜特點是頻率高、幅值低且載荷變化規(guī)律較簡單，要求整車控制器響應(yīng)快速，輸出高速小扭矩動力[13-14]。本文針對電動拖拉機作業(yè)需求，設(shè)計了一種基于自適應(yīng)模糊比例積分微分(proportional integral differential,PID)控制方式的整機控制器，為電動拖拉機整機開發(fā)提供了理論基礎(chǔ)。

1 協(xié)同控制器開發(fā)

1.1 控制策略設(shè)計

協(xié)同控制主要針對動力輸出軸由單獨電機驅(qū)動的控制問題[15]，實現(xiàn)動力輸出軸的跟隨式轉(zhuǎn)速輸出和標準式轉(zhuǎn)速輸出功能。本文采用雙電機獨立驅(qū)動式電動拖拉機結(jié)構(gòu)方案，如圖1所示。針對雙電機獨立驅(qū)動式電動拖拉機結(jié)構(gòu)設(shè)計了協(xié)同控制策略，構(gòu)建了動力輸出軸的轉(zhuǎn)速恒定模式和轉(zhuǎn)速跟隨模式，

圖1 雙電機獨立驅(qū)動式電動拖拉機結(jié)構(gòu)方案

使驅(qū)動系統(tǒng)和PTO機械解耦，以滿足不同作業(yè)工況需求，實現(xiàn)動力輸出軸在跟隨式和標準轉(zhuǎn)速之間自由切換，提高對不同農(nóng)機具和農(nóng)藝的適用性。

轉(zhuǎn)速恒定模式下PTO電機為農(nóng)機具提供恒定的輸入轉(zhuǎn)速，設(shè)置標準轉(zhuǎn)速選擇開關(guān)M，開關(guān)置于狀態(tài)1時,控制器控制PTO電機以540 r/min輸出動力；開關(guān)置于狀態(tài)2時，PTO電機以1 000 r/min輸出動力。

轉(zhuǎn)速跟隨模式下PTO電機轉(zhuǎn)速以定比例跟隨車速。駕駛室設(shè)置跟隨模式選擇開關(guān)K，開關(guān)置于狀態(tài)ON表示轉(zhuǎn)速跟隨模式啟動；開關(guān)置于狀態(tài)OFF表示轉(zhuǎn)速跟隨模式關(guān)閉。轉(zhuǎn)速跟隨模式通過車輪車速傳感器實時采集車速信息，以行駛速度v作為協(xié)同控制器的輸入信號，協(xié)同控制器生成期望轉(zhuǎn)速模塊進一步轉(zhuǎn)化成PTO電機所需的目標轉(zhuǎn)速信號，并發(fā)送控制信號給PTO電機驅(qū)動器，控制PTO電機轉(zhuǎn)速以定比例跟隨拖拉機行駛速度。根據(jù)PTO電機實際轉(zhuǎn)速和目標轉(zhuǎn)速的偏差e，采用自適應(yīng)PID控制方式，實現(xiàn)驅(qū)動電機和PTO電機之間的協(xié)同控制，從而輸出期望轉(zhuǎn)速。

np=kv，

(1)

其中：np為PTO電機目標轉(zhuǎn)速，r/min；k為協(xié)同比例系數(shù)；v為拖拉機行駛速度，m/s。

轉(zhuǎn)速跟隨過程中，協(xié)同控制器進行實時在線監(jiān)測、反饋，在作業(yè)負載過大時，若PTO電機輸出功率大于額定功率，則控制器給PTO電機一個新的控制信號，降低拖拉機作業(yè)行駛速度，從而降低PTO電機輸出轉(zhuǎn)速，使電機需求功率與作業(yè)負載相平衡。當行駛速度降至作業(yè)速度的最小閾值，PTO電機輸出功率還未降回至額定功率范圍內(nèi)，則控制提升系統(tǒng)提升農(nóng)具，直至PTO電機的實際輸出功率等于額定功率，結(jié)束提升農(nóng)具。當行駛速度恢復(fù)正常,落在規(guī)定閾值范圍內(nèi)時，PTO電機的實際輸出功率小于額定功率，提升系統(tǒng)恢復(fù)提升高度。在PTO電機調(diào)速系統(tǒng)中，為防止跟隨式轉(zhuǎn)速輸出模式PTO電機轉(zhuǎn)速出現(xiàn)超調(diào)，本文采用速度閉環(huán)控制。以目標轉(zhuǎn)速為輸入信號，電機實際轉(zhuǎn)速為反饋信號，在單位步長△t下，如果當前轉(zhuǎn)速波動較大，超出預(yù)值，下一個步長將調(diào)整輸出，控制器將實際轉(zhuǎn)速與目標轉(zhuǎn)速進行定量對比分析，實時調(diào)節(jié)輸出轉(zhuǎn)速，使PTO電機維持在目標轉(zhuǎn)速工作。

進一步考慮轉(zhuǎn)速跟隨過程中的轉(zhuǎn)速變化平滑問題、轉(zhuǎn)矩變化引起的整機沖擊度的情況，本文采用執(zhí)行協(xié)同控制策略式的PTO電機響應(yīng)穩(wěn)定性進行控制，PTO電機轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)框圖如圖2所示。

圖2 PTO電機轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)框圖

常規(guī)PID控制對于線性定常系統(tǒng)的控制穩(wěn)定性好、可靠性高，根據(jù)PID參數(shù)整定原則對各項系數(shù)進行多次調(diào)整，可得到較好的動態(tài)性能。但PTO采用的無刷直流電機是一個多變量、強耦合、非線性的復(fù)雜系統(tǒng)，要獲得滿意的控制效果，需要對PID的參數(shù)不斷地進行在線調(diào)整。為了提高PTO電機系統(tǒng)的響應(yīng)速度和控制效果，采用模糊自適應(yīng)PID控制。本文構(gòu)建的二維模糊控制器的輸入接口是偏差e和偏差變率ec，輸出接口是經(jīng)過模糊規(guī)則在線整定后的3個PID參數(shù)修正量△Kp、△Ki和△Kd。

輸入輸出模糊子集分布及隸屬度函數(shù)圖如圖3所示。輸入、輸出均采用7個模糊子集劃分，e/ec={負大、負中、負小、零、正小、正中、正大}={NB、NM、NS、ZO、PS、PM、PB}，輸入論域為[-6,6]，輸出論域為[-1.0,1.0]，輸入、輸出隸屬度函數(shù)均采用三角形。

(a) e、ec

(b) △Kp、△Ki、△Kd

1.2 控制器硬件設(shè)計

控制平臺硬件包括主控芯片模塊、最小系統(tǒng)模塊、控制器局域網(wǎng)絡(luò)(controller area network,CAN)通信模塊和輔助電路模塊，協(xié)同控制器硬件框架如圖4所示。其中，主控芯片內(nèi)置整機控制策略程序，最小系統(tǒng)模塊為在最少的外部電路支持下，形成能夠穩(wěn)定發(fā)揮主控芯片基本性能的電路系統(tǒng)，包含電源電路、時鐘電路、復(fù)位電路和后臺調(diào)試電路、CAN通信電路。圖5為硬件電路模塊圖。電源電路輸出電壓12 V，直流，最大輸出電流3 A；時鐘電路采用16 MHz皮爾斯振蕩器，可靠性高，穩(wěn)定性好；復(fù)位及調(diào)試電路采用6引腳雙排接口，含調(diào)試數(shù)據(jù)引腳；CAN通信電路使用TIA1050T型芯片，波特率為60 kb/s～1 Mb/s。

圖4 協(xié)同控制器硬件框架

圖5 硬件電路模塊

根據(jù)應(yīng)用環(huán)境和控制策略功能，匹配整機協(xié)同控制平臺硬件，選擇飛思卡爾MC9S12XEP100型16位單片機作為主控芯片。該芯片具有64 kB內(nèi)存，由異步串行通信接口、串行外設(shè)接口、8通道增強捕獲定時器、16通道12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器、8通道脈寬調(diào)制器、CAN控制器、8通道24位周期中斷定時器和8通道16位標準定時器模塊組成。

1.3 協(xié)同控制器軟件設(shè)計

協(xié)同控制器軟件主要包含應(yīng)用層程序和底層程序。應(yīng)用層程序是協(xié)同控制策略的程序化體現(xiàn)，可以直接調(diào)用底層程序預(yù)留的軟件接口。底層程序以驅(qū)動硬件的形式實現(xiàn)控制功能，通過底層軟件接口實現(xiàn)應(yīng)用層和底層的信息交互。

應(yīng)用層程序通過對底層程序發(fā)送相應(yīng)的指令，對硬件的動作進行控制，同時，底層程序?qū)⒂布\行狀態(tài)、實時數(shù)據(jù)傳送給應(yīng)用層程序，使應(yīng)用層程序獲取數(shù)據(jù)變化情況，進而達成控制目標。協(xié)同控制器軟件架構(gòu)如圖6所示。

圖6 協(xié)同控制器軟件架構(gòu)

應(yīng)用層程序采用基于模型的設(shè)計(model based-design，MBD)方法。使用MATLAB/Simulink軟件建立協(xié)同控制策略模型，通過即時工具箱(real time workshop，RTW)將模型轉(zhuǎn)為RTW文件，使用目標語言編譯器(target language compiler，TLC)將RTW文件轉(zhuǎn)換成一系列源文件，包括系統(tǒng)目標文件、模塊目標文件以及支持代碼生成的TLC函數(shù)庫等文件。代碼自動生成流程圖如圖7所示。

圖7 代碼自動生成流程圖

該過程需要在參數(shù)配置界面配置解碼器Solver、模型代碼生成方法、格式等約束條件。為了生成嵌入式代碼，需配置3個部分：模型的解碼器Solver，模型的系統(tǒng)目標文件，硬件實現(xiàn)規(guī)定。其中，系統(tǒng)目標文件選擇ert.tlc格式，目標語言選擇C語言；硬件實現(xiàn)規(guī)定選擇飛思卡爾MC9S12X系列。參數(shù)配置完成，執(zhí)行創(chuàng)建命令，自動生成代碼，產(chǎn)生代碼生成報告。

模型的源代碼生成后，將生成的源代碼加入到飛思卡爾的官方編譯器CodeWarrior的工程項目中。在CodeWarrior中編寫軟件運行必須的底層程序，結(jié)合應(yīng)用層程序和底層程序，使用編譯鏈接，通過仿真器下載到主控芯片進行實機運行。

2 仿真模型搭建

協(xié)同控制器硬件在環(huán)驗證需要建立整機模型作為被控對象。建立拖拉機縱向力學(xué)模型，忽略空氣阻力時，拖拉機在縱向運動方向受力[16]為：

(2)

(3)

其中：m為整機質(zhì)量,kg;Fq、Ft、Ff、Fi分別為輪邊驅(qū)動力、牽引阻力、滾動阻力以及爬坡阻力，N;it為傳動系統(tǒng)總速比；ηm為傳動系統(tǒng)效率，%；rw為驅(qū)動輪滾動半徑，m。驅(qū)動力由驅(qū)動電機輸出轉(zhuǎn)矩決定：

(4)

其中：T為輸出轉(zhuǎn)矩，N·m。

電動拖拉機的驅(qū)動電機和PTO電機都選用無刷直流電機，采用常用的二相導(dǎo)通星形三相六狀態(tài)類型。永磁無刷電機負載作業(yè)時，電磁轉(zhuǎn)矩[17]為：

(5)

其中：Te為電磁轉(zhuǎn)矩，N·m；TL為負載轉(zhuǎn)矩，N·m；J為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量，kg·m2；ωr為轉(zhuǎn)子角速度，rad/s；B為黏性阻力因數(shù)。

電機穩(wěn)態(tài)運行時的電磁轉(zhuǎn)矩[18]可表示為：

(6)

其中：kT為轉(zhuǎn)矩因數(shù)；Ut為電源電壓，V；kE為反電動勢常數(shù)；Rs為定子繞組內(nèi)阻，Ω。

對控制系統(tǒng)微分方程進行拉氏變換，可得無刷直流電機轉(zhuǎn)速的傳遞函數(shù)[19]為：

(7)

根據(jù)電動拖拉機數(shù)學(xué)模型，在MATLAB/Simulink仿真軟件中建立整機模型用于測試。

3 硬件在環(huán)測試

圖8 硬件在環(huán)仿真平臺

硬件在環(huán)測試系統(tǒng)采用dSPACE實時仿真測試平臺DS1007，替代真實的驅(qū)動電機、PTO電機和電池組等，連接協(xié)同控制器，進行整個協(xié)同控制系統(tǒng)的仿真測試。硬件在環(huán)仿真平臺如圖8所示。通過12 V直流電源給協(xié)同控制器供電，DS1007平臺與協(xié)同控制器的信息交互通過CAN總線實現(xiàn)，并通過網(wǎng)線連接上位機。

將所設(shè)計整機控制器的輸入信號接入DS1007的數(shù)字量板卡，將各控制量轉(zhuǎn)碼，在ControlDesk中，設(shè)置監(jiān)控界面查看整機控制器的驗證試驗數(shù)據(jù)。表1為雙電機獨立驅(qū)動式電動拖拉機動力系統(tǒng)參數(shù)，無刷直流電機試驗參數(shù)如表2所示。

表1 雙電機獨立驅(qū)動式電動拖拉機動力系統(tǒng)參數(shù)

表2 無刷直流電機試驗參數(shù)

4 仿真結(jié)果分析

PTO電機響應(yīng)穩(wěn)定性控制測試曲線如圖9所示。由圖9可知：在普通閉環(huán)控制下，系統(tǒng)出現(xiàn)了嚴重超調(diào)，系統(tǒng)調(diào)節(jié)時間ts達0.280 s，超調(diào)量高達49%；自適應(yīng)模糊PID控制方式下調(diào)節(jié)時間ts為0.052 s，超調(diào)量為4.3%，比閉環(huán)控制方式的時間減少了0.228 s。采用自適應(yīng)模糊PID控制的系統(tǒng)響應(yīng)速度更快、超調(diào)量更小、調(diào)節(jié)時間更短，提高了電機的動態(tài)和穩(wěn)態(tài)性能。因此,采用自適應(yīng)模糊PID控制方式進行穩(wěn)定性控制，以處理協(xié)同控制過程中PTO電機的轉(zhuǎn)速波動，使PTO電機轉(zhuǎn)速在變化過程中更為平順。

(a) 普通閉環(huán)控制轉(zhuǎn)速響應(yīng)輸出曲線

(b) 自適應(yīng)模糊PID轉(zhuǎn)速響應(yīng)曲線

對硬件在環(huán)平臺進行上電測試，圖10為高壓上電測試過程信號圖。在電動拖拉機停車狀態(tài)下，將鑰匙從OFF擋切換到ON擋，鑰匙信號值由0至1。檢測到鑰匙ON擋，低壓繼電器閉合，信號值由0至1表示從斷開狀態(tài)切換到閉合狀態(tài)；自檢模式正常后，主負繼電器信號由0到1，主負繼電器閉合成功。在主負繼電器閉合的同時，進入預(yù)充狀態(tài)，預(yù)充電信號由0到1，經(jīng)過1 s預(yù)充電完成，預(yù)充繼電器斷開，同時主正繼電器信號由0到1，高低壓上電完成。鑰匙從ON擋切換到START擋，信號值由1至2，達到能夠啟動的狀態(tài)。

根據(jù)模式開關(guān)a的兩個狀態(tài)，整機控制器能夠?qū)崿F(xiàn)PTO的標準轉(zhuǎn)速模式，分別為540 r·min-1和1 050 r·min-1；根據(jù)模式開關(guān)b的狀態(tài)，可以實現(xiàn)PTO跟隨式轉(zhuǎn)速模式與標準模式的切換。

(a) 鑰匙信號

(b) 低壓繼電器信號

(c) 主負繼電器信號

(d) 預(yù)充繼電器信號

(e) 主正繼電器信號

圖11為協(xié)同模式PTO轉(zhuǎn)速測試。由圖11可知：電動拖拉機測試過程按照車速可分為低速區(qū)間、中等車速區(qū)間和較高車速區(qū)間。對測試結(jié)果按照時間順序進行分析，在車速a～b段，整機在測試時間60 s時啟動，車速從0 km/h勻加速至7.0 km/h,隨后勻減速降低到3.8 km/h，平均車速為4.0 km/h,處于低速區(qū)間；同時，PTO轉(zhuǎn)速處于A～B段，在A點模式開關(guān)a置于狀態(tài)1時，PTO轉(zhuǎn)速從0 r·min-1提升到540 r·min-1的標準轉(zhuǎn)速，一直保持到B點時，模式開關(guān)b有新的動作。

圖11 協(xié)同模式PTO轉(zhuǎn)速測試

在車速b～c段，車速從b點的4.2 km·h-1加速至9.5 km·h-1，然后下降到7.8 km·h-1保持勻速，隨即降低到6.5 km·h-1后，又上升到c點的8.2 km·h-1，得出平均車速為7.6 km·h-1，處于中等車速區(qū)間；期間PTO轉(zhuǎn)速處于B～C段，在B點模式開關(guān)a從狀態(tài)1切換到狀態(tài)2，PTO轉(zhuǎn)速從540 r·min-1快速提升到1 050 r·min-1的標準轉(zhuǎn)速并保持。

在車速c～d段，車速從8.2 km·h-1逐步上升至13.2 km·h-1后，又降低到11.5 km·h-1保持較短的一段時間后，再次上升到12.5 km·h-1，最終逐步降到10.3 km·h-1，得出平均車速為11.6 km·h-1，處于較高車速區(qū)間。期間模式開關(guān)b置于狀態(tài)1，PTO進入跟隨式轉(zhuǎn)速模式屏蔽模式開關(guān)a的狀態(tài)，PTO轉(zhuǎn)速處于C～D段，其變化曲線形狀相似于c～d段車速變化情況，表明PTO實現(xiàn)了跟隨式轉(zhuǎn)速模式。

在車速d～e段，車速從10.3 km·h-1勻減速至6.0 km·h-1，平均車速8.1 km·h-1，處于中等車速區(qū)間；期間模式開關(guān)b置0，模式開關(guān)a處于狀態(tài)2，結(jié)束跟隨式轉(zhuǎn)速模式，PTO轉(zhuǎn)速下降到1 050 r·min-1并保持。由上述協(xié)同模式工作狀況分析可知：所設(shè)計的整機控制器協(xié)同控制模式，能夠準確實現(xiàn)跟隨式轉(zhuǎn)速和標準轉(zhuǎn)速之間的切換，且能夠?qū)崿F(xiàn)設(shè)計目標。

5 結(jié)論

(1)根據(jù)應(yīng)用環(huán)境和控制策略功能，針對系統(tǒng)方案采用模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自適應(yīng)PID，設(shè)計了執(zhí)行協(xié)同控制策略式的PTO電機轉(zhuǎn)速響應(yīng)穩(wěn)定性控制方法。

(2)基于MC9S12XEP100型單片機，設(shè)計了電源、CAN通信和數(shù)字量輸入等電路模塊，開發(fā)了控制平臺硬件；根據(jù)協(xié)同控制策略，提出了在CodeWarrior中編寫底層程序的方法，用于聯(lián)接應(yīng)用層軟件和硬件，結(jié)合軟件和硬件，完成了協(xié)同控制器開發(fā)。

(3)使用MATLAB/Simulink軟件建立整機仿真模型，通過dSPACE的RTI軟件對整機仿真模型進行編譯轉(zhuǎn)碼，建立了基于DS1007板卡型號的硬件在環(huán)平臺，通過ControlDesk搭建監(jiān)控測試界面，完成了整機控制器協(xié)同模式測試。

(3)協(xié)同控制器能夠?qū)崿F(xiàn)控制動力輸出軸在跟隨式轉(zhuǎn)速和標準轉(zhuǎn)速之間的自由切換，采用自適應(yīng)模糊PID控制作為雙電機協(xié)同過程中的轉(zhuǎn)速穩(wěn)定性控制，具有較好的動態(tài)和穩(wěn)態(tài)性能，滿足雙電機獨立驅(qū)動式電動拖拉機作業(yè)過程的協(xié)同控制要求。