汪珍珍 周 俊 楊杭旭,2 王 旭

(1.南京農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院， 南京 210031； 2.金華職業(yè)技術(shù)學(xué)院， 金華 321017)

0 引言

近年來，日益嚴(yán)重的環(huán)境污染問題和國(guó)家提倡的綠色農(nóng)業(yè)政策，促使國(guó)內(nèi)外掀起了對(duì)電動(dòng)拖拉機(jī)的研究熱潮。2017年巴黎國(guó)際農(nóng)業(yè)展覽會(huì)上，美國(guó)約翰迪爾公司展示了首款全電動(dòng)拖拉機(jī)，同年，美國(guó)愛科旗下的Fendt推出了E100系列電動(dòng)拖拉機(jī)[1-3]。2018年我國(guó)發(fā)布了首款無人駕駛純電動(dòng)拖拉機(jī)樣機(jī)“超級(jí)拖拉機(jī)Ⅰ號(hào)”[4]。然而，拖拉機(jī)作業(yè)工況特殊且復(fù)雜多變，樣機(jī)實(shí)測(cè)試驗(yàn)存在很多不確定因素，且對(duì)試驗(yàn)田地、試驗(yàn)車以及試驗(yàn)設(shè)備等都有更高的要求，而臺(tái)架試驗(yàn)具有擴(kuò)展性強(qiáng)、效率高、開發(fā)時(shí)間少、成本低等優(yōu)點(diǎn)，已成為電動(dòng)拖拉機(jī)研發(fā)過程中一個(gè)重要的環(huán)節(jié)。

高輝松等[5-7]搭建了一臺(tái)小功率電動(dòng)拖拉機(jī)試驗(yàn)臺(tái)架，基于LabVIEW平臺(tái)，開發(fā)了試驗(yàn)臺(tái)虛擬測(cè)控系統(tǒng)，對(duì)其驅(qū)動(dòng)力特性及傳動(dòng)效率特性進(jìn)行了試驗(yàn)研究。鄧曉亭等[8-10]搭建了一臺(tái)并聯(lián)式混合動(dòng)力拖拉機(jī)臺(tái)架，該臺(tái)架首次借鑒混合動(dòng)力汽車中的動(dòng)力耦合理念，提出了適用于拖拉機(jī)作業(yè)要求的耦合裝置，并將其在自行設(shè)計(jì)的混合動(dòng)力拖拉機(jī)試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行臺(tái)架試驗(yàn)驗(yàn)證。之后，又相繼搭建了串聯(lián)式混合動(dòng)力拖拉機(jī)臺(tái)架[11]以及四輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)式拖拉機(jī)臺(tái)架[12]。文獻(xiàn)[13-17]分別搭建了雙輪驅(qū)動(dòng)純電動(dòng)拖拉機(jī)傳動(dòng)試驗(yàn)平臺(tái)和雙電機(jī)耦合驅(qū)動(dòng)純電動(dòng)拖拉機(jī)傳動(dòng)試驗(yàn)平臺(tái)，根據(jù)雙電機(jī)耦合動(dòng)力匯流思想，設(shè)計(jì)出動(dòng)力耦合變速箱，并對(duì)其進(jìn)行傳動(dòng)特性研究，另外，對(duì)動(dòng)力電池進(jìn)行了壓載構(gòu)型設(shè)計(jì)與參數(shù)優(yōu)化研究。毛鵬軍等[18-19]搭建了功率為5 kW的電動(dòng)拖拉機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)平臺(tái)，采用LabVIEW圖形化可編程軟件，并結(jié)合多功能數(shù)據(jù)采集卡USB-4622作為平臺(tái)的測(cè)控系統(tǒng)。陳黎卿等[20]根據(jù)丘陵山區(qū)中小型拖拉機(jī)使用特點(diǎn)，提出一種三軸直連式電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)試驗(yàn)平臺(tái)，對(duì)其進(jìn)行了外特性、傳動(dòng)效率和噪聲等試驗(yàn)。徐立友等[21]搭建了可以滿足90 kW以下的電動(dòng)拖拉機(jī)試驗(yàn)系統(tǒng)，采用ET4100型測(cè)控儀對(duì)其進(jìn)行了能源系統(tǒng)性能試驗(yàn)和動(dòng)力系統(tǒng)性能試驗(yàn)等。

上述研究更多的是對(duì)電動(dòng)拖拉機(jī)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和傳動(dòng)系統(tǒng)等進(jìn)行了試驗(yàn)平臺(tái)的設(shè)計(jì)和搭建，但對(duì)試驗(yàn)平臺(tái)的測(cè)控系統(tǒng)通信設(shè)計(jì)以及控制策略設(shè)計(jì)關(guān)注很少。為此，本文提出一種測(cè)控系統(tǒng)通信模塊化和控制策略模塊化的設(shè)計(jì)方法，搭建新型的電動(dòng)拖拉機(jī)快速原型試驗(yàn)平臺(tái)，基于規(guī)則控制策略對(duì)試驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行純電動(dòng)模式和混合動(dòng)力模式下的旋耕試驗(yàn)驗(yàn)證，以期為道路車輛和非道路車輛驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的測(cè)控平臺(tái)研究提供方法參考。

1 試驗(yàn)平臺(tái)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)平臺(tái)的硬件和軟件部分均采取模塊化設(shè)計(jì)理念，同時(shí)各系統(tǒng)采用模塊化安裝方式，極大地提高了平臺(tái)的利用率。平臺(tái)功能全、能耗低、易安裝，便于后期的二次開發(fā)試驗(yàn)，用于研究驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)的匹配優(yōu)化和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)能量管理策略，測(cè)控系統(tǒng)具有開源性、實(shí)時(shí)性、安全、可靠、穩(wěn)定特點(diǎn)，且數(shù)據(jù)采集完整準(zhǔn)確、精度高。

1.1 總體結(jié)構(gòu)方案

本平臺(tái)主要由動(dòng)力源系統(tǒng)、模擬負(fù)載系統(tǒng)、動(dòng)力電池系統(tǒng)、傳動(dòng)系統(tǒng)、測(cè)控系統(tǒng)和輔助系統(tǒng)組成(圖1)。其中，動(dòng)力源系統(tǒng)包括發(fā)動(dòng)機(jī)和2個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)，發(fā)動(dòng)機(jī)與發(fā)電機(jī)機(jī)械連接，構(gòu)成發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)電機(jī)組，從而將發(fā)動(dòng)機(jī)輸出的機(jī)械能轉(zhuǎn)為電能，驅(qū)動(dòng)電機(jī)可由動(dòng)力電池供電驅(qū)動(dòng)，也可由發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)電機(jī)組供電驅(qū)動(dòng)；模擬負(fù)載系統(tǒng)采用3個(gè)負(fù)載電機(jī)分別模擬兩驅(qū)動(dòng)輪行駛阻力和PTO作業(yè)阻力，且通過并網(wǎng)逆變器將負(fù)載電機(jī)再生制動(dòng)產(chǎn)生的電能反饋到電網(wǎng)，降低平臺(tái)能耗；動(dòng)力電池系統(tǒng)配備BMS電池管理系統(tǒng)，可由發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)電機(jī)組充電，亦可由外接充電裝置(如充電樁)進(jìn)行充電，實(shí)現(xiàn)plug-in電動(dòng)拖拉機(jī)驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)；傳動(dòng)系統(tǒng)包括連接發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)電機(jī)組的萬向節(jié)和驅(qū)動(dòng)橋以及升速箱；測(cè)控系統(tǒng)包括高精度扭矩轉(zhuǎn)速傳感器(圖1b黃色護(hù)罩內(nèi))和dSPACE實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)，該測(cè)控系統(tǒng)采用分布式、上/下位機(jī)的分層控制結(jié)構(gòu)，各子系統(tǒng)均配置獨(dú)立的控制器，總控制器采用能夠支持Matlab/Simulink編程的dSPACE快速原型實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)，對(duì)各子系統(tǒng)控制器進(jìn)行協(xié)調(diào)和決策；輔助系統(tǒng)包括冷卻裝置、外接充電裝置等。

圖1 電動(dòng)拖拉機(jī)快速原型試驗(yàn)平臺(tái)Fig.1 Rapid prototype platform for electric tractor1.動(dòng)力電池 2.通信轉(zhuǎn)換器 3.操作控制臺(tái) 4.便攜式計(jì)算機(jī)5.驅(qū)動(dòng)電機(jī)1控制系統(tǒng) 6.驅(qū)動(dòng)電機(jī)2控制系統(tǒng) 7.行走負(fù)載電機(jī)1 8.升速箱1 9.驅(qū)動(dòng)橋 10.升速箱2 11.行走負(fù)載電機(jī)2 12.發(fā)電機(jī)控制系統(tǒng) 13.發(fā)電機(jī) 14.排氣管 15.變頻整流系統(tǒng) 16.直流充電樁 17.驅(qū)動(dòng)電機(jī)2 18.驅(qū)動(dòng)電機(jī)119.PTO負(fù)載電機(jī) 20.鉛酸蓄電池 21.發(fā)動(dòng)機(jī)控制器 22.柴油發(fā)動(dòng)機(jī)

1.2 試驗(yàn)平臺(tái)關(guān)鍵部件

本試驗(yàn)臺(tái)架的關(guān)鍵部件包括發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)電機(jī)組、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、負(fù)載電機(jī)、動(dòng)力電池、扭矩轉(zhuǎn)速傳感器、驅(qū)動(dòng)橋、升速箱、并網(wǎng)逆變器和dSPACE軟硬件系統(tǒng)等。為了可以滿足不同功率下的中大型電動(dòng)拖拉機(jī)驅(qū)動(dòng)特性的研究需求，試驗(yàn)臺(tái)選擇了2臺(tái)相同的永磁同步電機(jī)，其額定功率均為22 kW?？紤]后期不同驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)的研究，結(jié)合市面常用發(fā)動(dòng)機(jī)類型，發(fā)動(dòng)機(jī)額定功率為36.8 kW；發(fā)電機(jī)額定功率為30 kW；動(dòng)力電池額定容量為132 A·h；驅(qū)動(dòng)橋減速比為22∶1，升速箱速比為1∶14。其各關(guān)鍵部件基本參數(shù)如表1所示。

表1 關(guān)鍵部件基本參數(shù)Tab.1 Basic parameters of key components

2 試驗(yàn)平臺(tái)測(cè)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 測(cè)控系統(tǒng)框架

該平臺(tái)的測(cè)控系統(tǒng)主要由dSPACE整車控制器(包括Micro-Auto box Ⅱ硬件、Controldesk軟件和24 V電源供應(yīng)器)、信號(hào)連接器、子系統(tǒng)控制器單元、傳感器接收器和便攜式計(jì)算機(jī)等組成。其中，dSPACE與Matlab/Simulink可以實(shí)現(xiàn)無縫連接，國(guó)內(nèi)更多的是將它用于汽車開發(fā)的硬件在環(huán)(HIL)仿真測(cè)試[22]。本文中dSPACE作為快速原型實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)，控制各子系統(tǒng)控制單元并運(yùn)行整個(gè)試驗(yàn)平臺(tái)設(shè)備。

圖2 測(cè)控系統(tǒng)框架簡(jiǎn)圖Fig.2 Framework diagram of measurement and control system

圖2為該測(cè)控系統(tǒng)的框架簡(jiǎn)圖。Micro-Auto box Ⅱ作為平臺(tái)的主控制器，通過網(wǎng)線從Controldesk中讀取輸入信息(如扭矩/速度模式控制命令、行駛速度、工況負(fù)載、PTO扭矩/速度等)，采用CAN通信協(xié)議，通過CAN BUS將命令發(fā)送到各子系統(tǒng)控制器單元并反饋狀態(tài)信息(如電池SOC、電池電流/電壓、電池溫度、驅(qū)動(dòng)電機(jī)速度/扭矩、發(fā)動(dòng)機(jī)速度、發(fā)電機(jī)充電電流、發(fā)電機(jī)溫度等)，從而運(yùn)行和監(jiān)控外部設(shè)備(如發(fā)動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、負(fù)載電機(jī)、電池等)。所有這些模塊都逐步級(jí)聯(lián)，協(xié)同工作以實(shí)現(xiàn)整個(gè)工作臺(tái)的操作。子控制系統(tǒng)包括發(fā)動(dòng)機(jī)電子控制單元、發(fā)電機(jī)控制器、2個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制器、3個(gè)負(fù)載電機(jī)控制器和電池管理系統(tǒng)(BMS)。測(cè)量系統(tǒng)由扭矩傳感器和扭矩功率儀組成。另外，通信協(xié)議對(duì)于測(cè)控系統(tǒng)的搭建至關(guān)重要，一旦確定，通常不會(huì)更改。

2.2 通信模塊化

CAN通信協(xié)議具有簡(jiǎn)單、可靠、低成本和高性能等特點(diǎn)，使其在汽車和自動(dòng)化行業(yè)中更具吸引力。更重要的是，它可以實(shí)現(xiàn)執(zhí)行器、控制器、傳感器和其他節(jié)點(diǎn)之間的實(shí)時(shí)串行總線通信協(xié)議，并且具有強(qiáng)大的抗電磁干擾和抗噪聲干擾能力[23]。因此，在該測(cè)試平臺(tái)中，選擇CAN通信協(xié)議作為每個(gè)子系統(tǒng)控制器和測(cè)量系統(tǒng)的通信模式，Controldesk的所有命令都通過實(shí)時(shí)接口RTICAN總線發(fā)送到子系統(tǒng)控制器和測(cè)量系統(tǒng)，反饋實(shí)時(shí)信號(hào)并記錄數(shù)據(jù)。每個(gè)子系統(tǒng)控制器的輸入/輸出接口都需要由CAN協(xié)議定義，需要說明的是，測(cè)量系統(tǒng)中的通信方式通常為RS232/485。因此，設(shè)計(jì)了485通信轉(zhuǎn)CAN通信單片機(jī)，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩的讀取。

由于該測(cè)試平臺(tái)的子控制器較多，為了試驗(yàn)平臺(tái)的二次開發(fā)，以及基于該平臺(tái)框架實(shí)現(xiàn)更多不同驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)研究的可能性，提出了通信模塊化的搭建理念，實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)平臺(tái)的重復(fù)利用，降低成本。因此，該快速原型平臺(tái)的測(cè)控系統(tǒng)有6個(gè)獨(dú)立的RTICAN通道，根據(jù)各控制器的ID地址和消息(包括發(fā)送消息和接收消息)來設(shè)置每個(gè)RTICAN通道的配置。具體為：RTICAN1表示3個(gè)負(fù)載電機(jī)控制器的CAN通信通道；RTICAN2表示發(fā)動(dòng)機(jī)ECU和發(fā)電機(jī)控制器的CAN通信通道；RTICAN3表示測(cè)量系統(tǒng)的6個(gè)扭矩傳感器的CAN通信通道；RTICAN4表示電池BMS的CAN通信通道；RTICAN5和RTICAN6分別表示2個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制器的CAN通信通道。

2.3 控制策略框架

上文通信模塊化的建立，為控制策略模塊化的設(shè)計(jì)提供了必要基礎(chǔ)。為實(shí)現(xiàn)不同控制策略算法的研究，提高試驗(yàn)平臺(tái)的利用率，本文還提出了控制策略模塊化框架設(shè)計(jì)方法。

具體來說，Matlab/Simulink為控制策略模型提供了編譯環(huán)境，并生成目標(biāo)代碼，該目標(biāo)代碼通過dSPACE的實(shí)時(shí)接口 (RTI) 工具加載到Controldesk軟件中。然后，Controldesk作為用戶界面在線運(yùn)行整個(gè)平臺(tái)設(shè)備，同時(shí)在系統(tǒng)運(yùn)行期間通過以太網(wǎng)電纜在計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)CAN消息的實(shí)時(shí)解析以及數(shù)據(jù)記錄。此外，還通過Simulink生成的代碼在Controldesk界面上設(shè)計(jì)了2個(gè)切換按鈕，以實(shí)現(xiàn)手動(dòng)/自動(dòng)輸入的切換以及速度/轉(zhuǎn)矩控制模式的邏輯切換功能。其他控制策略切換功能(如基于規(guī)則的控制策略、動(dòng)態(tài)規(guī)劃 (DP)、等效消耗最小化策略 (ECMS) 和模型預(yù)測(cè)控制 (MPC) 等)將在以后逐步完善。主要步驟如下：

(1)確定目標(biāo)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)力總成架構(gòu)。

(2)使用Matlab/Simulink設(shè)計(jì)控制策略。

(3)通過RTI工具的“build model”按鈕將已建立的Simulink模型生成后綴為.sdf的文件代碼。

(4)將.sdf文件加載到Controldesk軟件中并刷新配置。

(5)運(yùn)行試驗(yàn)平臺(tái)，實(shí)時(shí)測(cè)控和記錄數(shù)據(jù)。

如上所述，可以根據(jù)研究對(duì)象靈活地更改Matlab/Simulink中的控制策略，實(shí)現(xiàn)不同驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和不同控制策略算法的試驗(yàn)驗(yàn)證。圖3為控制策略框架設(shè)計(jì)流程圖。

圖3 控制策略框架流程圖Fig.3 Framework flow chart of control strategies

3 基于規(guī)則的控制策略設(shè)計(jì)

由圖3可知，控制策略模型的設(shè)計(jì)包括邏輯控制方式的選擇和控制策略優(yōu)化算法的設(shè)計(jì)。從控制方式模型中可知，2個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)和3個(gè)負(fù)載電機(jī)都可以通過轉(zhuǎn)矩控制方法和速度控制方法來進(jìn)行控制，因此，驅(qū)動(dòng)電機(jī)和相對(duì)應(yīng)的負(fù)載電機(jī)存在不同的控制方法組合。本文選擇驅(qū)動(dòng)電機(jī)1為轉(zhuǎn)速控制，PTO負(fù)載電機(jī)為轉(zhuǎn)矩控制；驅(qū)動(dòng)電機(jī)2為轉(zhuǎn)矩控制，2個(gè)模擬驅(qū)動(dòng)輪的負(fù)載電機(jī)為轉(zhuǎn)速控制。在控制策略優(yōu)化算法方面，目前有基于規(guī)則的控制策略、DP、ECMS和MPC等。本文為了驗(yàn)證快速原型試驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)理念的可行性，因此，設(shè)計(jì)了規(guī)則控制策略，如圖4(圖中SOC表示電池荷電狀態(tài))所示。

圖4 基于規(guī)則切換控制策略流程圖Fig.4 Framework flow chart of Rule-based switching control strategy

建立了Matlab/Simulink模型，該模型主要分為兩大子模型，即：Load_Drive_Motor和Engine_Generator_Battery，如圖5所示。圖5a為2個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)和3個(gè)負(fù)載電機(jī)之間的控制關(guān)系，Motor1、Motor2、PTO模塊代表2個(gè)模擬驅(qū)動(dòng)輪的負(fù)載電機(jī)和1個(gè)PTO負(fù)載電機(jī)的控制命令模塊，Left_load_motor、Right_load_motor模塊代表驅(qū)動(dòng)電機(jī)1和驅(qū)動(dòng)電機(jī)2的控制命令模塊。同樣地，圖5b為發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)電機(jī)組和電池之間的控制關(guān)系，Engine_Subsystem模塊為發(fā)動(dòng)機(jī)控制命令模塊(其中750 r/min為發(fā)動(dòng)機(jī)怠速值)，Generator_Subsystem模塊為發(fā)電機(jī)的控制命令模塊，Battery_Receive_Subsystem模塊為電池組的控制命令模塊。

圖5 控制策略Matlab/Simulink模型Fig.5 Control strategy in Matlab/Simulink

4 試驗(yàn)驗(yàn)證與結(jié)果分析

4.1 旋耕試驗(yàn)設(shè)計(jì)

為了模擬電動(dòng)拖拉機(jī)旋耕作業(yè)工況，本文以中小型電動(dòng)拖拉機(jī)旋耕機(jī)組為例，其主要參數(shù)如表2所示。結(jié)合試驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)的基本技術(shù)參數(shù)要求，可以得出：驅(qū)動(dòng)電機(jī)2的扭矩為14 N·m，2個(gè)模擬驅(qū)動(dòng)輪的負(fù)載電機(jī)轉(zhuǎn)速為225 r/min，驅(qū)動(dòng)電機(jī)1的轉(zhuǎn)速為540 r/min。以上這些參數(shù)可以通過Controldesk界面直接輸入。但是，土壤施加在旋耕刀軸上的阻力是隨機(jī)變化的，無法在界面上直接輸入。為此，建立一個(gè)“.mat”文件格式的實(shí)測(cè)負(fù)載扭矩?cái)?shù)據(jù)庫，該數(shù)據(jù)庫由實(shí)際田間耕作試驗(yàn)采集的數(shù)據(jù)組成，并將其寫入程序中，以模擬不同工況作業(yè)時(shí)阻力矩。采用的扭矩由課題組進(jìn)行田間旋耕試驗(yàn)獲得，如圖6所示，并通過多項(xiàng)式函數(shù)進(jìn)行平滑處理和插值處理。

表2 試驗(yàn)設(shè)置參數(shù)Tab.2 Basic setting parameters of trial

圖6 旋耕試驗(yàn)下PTO負(fù)載電機(jī)輸入轉(zhuǎn)矩變化曲線Fig.6 Curve of input torque of PTO motor

分別進(jìn)行了純電動(dòng)模式和混合動(dòng)力模式下的旋耕作業(yè)試驗(yàn)，以驗(yàn)證所搭建的快速原型試驗(yàn)平臺(tái)的通信模塊化和控制策略模塊設(shè)計(jì)的合理性和可行性，并能夠滿足拖拉機(jī)的工作特性要求。另外，根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)萬有特性曲線可知，該型號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速在1 600～2 000 r/min范圍內(nèi)燃油消耗率低，因此，在混合動(dòng)力模式下，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速設(shè)定為1 600 r/min，發(fā)電機(jī)充電電流為15 A，其余參數(shù)不變。

4.2 純電動(dòng)模式結(jié)果分析

在純電動(dòng)模式下旋耕試驗(yàn)結(jié)果如圖7、8所示，圖7為驅(qū)動(dòng)電機(jī)2、2個(gè)負(fù)載電機(jī)和PTO負(fù)載電機(jī)轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩曲線，需要說明的是，驅(qū)動(dòng)電機(jī)1與PTO負(fù)載電機(jī)是直接機(jī)械連接，中間無減速機(jī)構(gòu)。因此，驅(qū)動(dòng)電機(jī)1的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩曲線和PTO負(fù)載電機(jī)的相似。圖8為電池放電電流、電壓和SOC曲線。

圖7 純電動(dòng)模式下旋耕試驗(yàn)結(jié)果Fig.7 Result of torque and speed under rotary tillage operation in pure electric mode

圖8 純電動(dòng)模式下電池特性變化曲線Fig.8 Varied curves of basic parameters of battery under rotary tillage operation in pure electric mode

從圖7a可以看出，驅(qū)動(dòng)電機(jī)2的轉(zhuǎn)速響應(yīng)時(shí)間比2個(gè)模擬驅(qū)動(dòng)輪的負(fù)載電機(jī)的轉(zhuǎn)速響應(yīng)時(shí)間快，在驅(qū)動(dòng)電機(jī)1與PTO負(fù)載電機(jī)之間也會(huì)發(fā)生相同的現(xiàn)象，這是因?yàn)?個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)都是永磁同步電機(jī)，而負(fù)載電機(jī)均為異步電機(jī)。其次，右負(fù)載電機(jī)的響應(yīng)速度小于左負(fù)載電機(jī)的，這是由左、右負(fù)載電機(jī)之間的驅(qū)動(dòng)橋差速器機(jī)械摩擦阻力不同而引起的。驅(qū)動(dòng)電機(jī)2的轉(zhuǎn)速范圍為354～355 r/min，與理論值353.6 r/min的最大相對(duì)誤差約為0.396%；左負(fù)載電機(jī)轉(zhuǎn)速范圍為223～227 r/min，右負(fù)載電機(jī)轉(zhuǎn)速范圍為222～225 r/min，與設(shè)定值225 r/min的最大相對(duì)誤差分別約為0.889%和1.333%；PTO負(fù)載電機(jī)因加載可變轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)速波動(dòng)較大，其范圍為529～550 r/min，與設(shè)定值550 r/min的最大相對(duì)誤差約為2.037%，仍在誤差控制的允許范圍內(nèi)。

從圖7b可以看出，驅(qū)動(dòng)電機(jī)與2個(gè)模擬驅(qū)動(dòng)輪負(fù)載電機(jī)的轉(zhuǎn)矩幾乎同時(shí)響應(yīng)，表明該試驗(yàn)平臺(tái)具有良好的控制效果。另外，這也符合了電機(jī)特性。結(jié)合圖6可知，該組范圍為31～64 N·m的扭矩作為PTO負(fù)載電機(jī)輸入值，以循環(huán)方式進(jìn)行模擬旋耕阻力矩，與參考轉(zhuǎn)矩相比，其循環(huán)模擬完成度非常好，表明該平臺(tái)控制精度高。

由圖8a可知，當(dāng)施加了變化的PTO負(fù)載轉(zhuǎn)矩時(shí)，其電流會(huì)隨變化的轉(zhuǎn)矩有規(guī)律地變化，其放電電流為-16.4～-7.5 A(負(fù)值代表放電電流)。由圖8b可知，電池電壓和SOC會(huì)隨時(shí)間的推移而減小，符合電池放電特性規(guī)律。

4.3 混合動(dòng)力模式結(jié)果分析

圖9 混合動(dòng)力模式下旋耕試驗(yàn)結(jié)果Fig.9 Result of torque and speed under rotary tillage operation in series hybrid electric mode

由于控制策略的模塊化設(shè)計(jì)，對(duì)其進(jìn)行模式切換，就可以進(jìn)行串聯(lián)式混合動(dòng)力模式下的旋耕試驗(yàn)，圖9為在混合動(dòng)力模式下各電機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)電機(jī)組的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩曲線。圖10為發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)電機(jī)組充電電流、電池放電電流、電壓和SOC曲線。

圖10 混合動(dòng)力模式下電池特性變化曲線Fig.10 Varied curves of basic parameters of battery under rotary tillage operation in series hybrid electric mode

由圖9a可知，發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)速范圍為1 590～1 606 r/min，與設(shè)定值1 600 r/min的最大相對(duì)誤差為0.625%。由圖9b、10a可知，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)電機(jī)組收到恒定的充電電流控制命令時(shí)，其扭矩會(huì)迅速達(dá)到特定范圍，大約25 s后，扭矩開始緩慢下降，最終趨于在穩(wěn)定范圍內(nèi)波動(dòng)。出現(xiàn)該現(xiàn)象的原因可能為：一開始的25 s因?yàn)榘l(fā)電機(jī)溫度沒有達(dá)到冷卻系統(tǒng)允許工作的范圍而沒有運(yùn)行，但隨著發(fā)電機(jī)溫度的持續(xù)升高，這導(dǎo)致發(fā)電機(jī)的熱能損耗增加，為了產(chǎn)生恒定的充電電流，發(fā)動(dòng)機(jī)被迫提供更大的扭矩。當(dāng)冷卻系統(tǒng)開始工作時(shí)，發(fā)電機(jī)溫度逐漸降低，熱能損耗降至穩(wěn)定范圍，發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩也隨之緩慢降低并趨于某個(gè)范圍。

由圖10a可以看出，未啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)電機(jī)組時(shí)，電池處于放電狀態(tài)，且電流變化范圍為-16.4～-7.5 A(負(fù)值代表放電電流)；當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)電機(jī)組工作時(shí)，電流變化范圍為-2.1～7.4 A(正值代表充電電流)，此時(shí)電池處于充放電交換狀態(tài)。由于電池更多的是處于充電狀態(tài)，電池的電壓和SOC也逐漸增大，如圖10b所示。

5 結(jié)論

(1)在純電動(dòng)模式，驅(qū)動(dòng)電機(jī)2的轉(zhuǎn)速范圍為354～355 r/min，與理論值最大相對(duì)誤差約為0.396%；左、右負(fù)載電機(jī)轉(zhuǎn)速范圍分別為223～227 r/min和222～225 r/min，與設(shè)定值最大相對(duì)誤差分別約為0.889%和1.333%；PTO負(fù)載電機(jī)因加載可變轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)速波動(dòng)為529～550 r/min，雖然相對(duì)較大，但與設(shè)定值最大相對(duì)誤差約為2.037%，仍在誤差控制的允許范圍內(nèi)。表明該快速原型試驗(yàn)平臺(tái)各測(cè)控系統(tǒng)響應(yīng)速度和控制效果良好，能夠很好地模擬旋耕作業(yè)工況。

(2)在混合動(dòng)力模式下，未啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)電機(jī)組時(shí)，電池電流為-16.4～-7.5 A，啟動(dòng)后，電流為-2.1～7.4 A，且電池電壓和SOC也逐漸增大。發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)速范圍為1 590～1 606 r/min，與設(shè)定值最大相對(duì)誤差為0.625%。表明該平臺(tái)可以為不同驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)的研究提供試驗(yàn)，進(jìn)一步說明通信模塊化和控制策略模塊化設(shè)計(jì)方法的合理可行性。