电动拖拉机动力系统设计与驱动控制方法研究

发布时间：2020-08-20 20:26

【摘要】：现代农业生产环境对零排放、无污染、低噪音的绿色动力农机具的需求越来越迫切,对电动拖拉机动力系统的设计开发逐渐成为研究热点。然而,目前针对电动拖拉机动力系统参数的匹配和优化,没有一套系统的设计方法,同时面对拖拉机复杂多样的作业工况,需要能够适用于电动拖拉机不同作业需求的驱动控制方法。为此,本文以设施园艺用电动拖拉机为研究对象,在制定电动拖拉机动力系统驱动方案的基础上,进行动力系统参数设计方法和驱动控制策略的研究,并基于硬件在环仿真平台和台架试验平台进行试验验证。本文的具体研究内容如下:(1)针对电动拖拉机底盘总体设计要求和作业动力需求,进行了底盘总体结构方案和整机控制系统方案的设计。在此基础上,制定了适用于电动拖拉机不同作业工况的双电机耦合动力系统驱动方案,并建立了电动拖拉机动力系统数学模型。(2)通过分析电动拖拉机整机动力性和经济性需求,研究动力系统关键部件参数的匹配设计方法,并对驱动电机、动力电池、变速箱挡位数等关键结构参数进行了匹配设计。在此基础上,研究了传动系统各传动比参数的优化设计方法,建立了以驱动功率利用率为动力性目标函数、以连续作业时间为经济性优化目标函数的多目标优化问题,同时建立了地面允许附着力约束和各传动关系约束的约束条件,基于混合罚函数法与粒子群优化算法的结合算法对优化设计问题进行了求解,并对优化前后两方案的电动拖拉机牵引特性进行了仿真对比分析,结果表明优化设计后的电动拖拉机动力覆盖范围更广,提高了整机重负载能力,两电机工作趋势较为一致,更加充分、合理地利用了电机驱动力。(3)根据驱动控制目标制定了基于双电机耦合驱动型式的电动拖拉机驱动控制策略,包含输入层、识别层、决策层和执行层四个基本层次。对识别层的需求转矩识别控制策略进行了研究,采用模糊PID算法对定速作业下的需求转矩进行识别,与PID控制器的仿真效果进行对比,结果表明模糊PID控制器有效提高了对目标车速和牵引阻力的响应速度和精度。对决策层的功率分配控制策略进行了研究,以基于最小功率损耗作为优化分配目标,针对不同耦合驱动模式建立功率分配算法,通过离线仿真得到了控制规则,并与基于定比例功率分配控制策略下的控制效果进行了仿真对比,结果表明基于最小功率损耗的功率分配控制策略能够有效减少动力系统功率损耗,提高整机驱动效率。(4)基于电动拖拉机驱动控制策略进行了驱动控制系统的设计开发。基于dSPACE搭建了电动拖拉机动力系统驱动控制的硬件在环仿真平台,仿真结果表明驱动控制系统的控制效果具有良好的有效性和实时性。同时搭建了台架试验平台,试验结果表明驱动控制系统在驱动真实动力总成机构时具有较好的适应性和控制效果。
【学位授予单位】：中国农业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：S219.4
【图文】：

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欧美国家在７０？９０年代，由于当时的能源危机，很早就开始了电动拖拉机的研宄工作，很多逡逑技术较为成熟的产品己推向市场ｍ。逡逑２０世纪７０年代，美国Ｇｅｎｅｒａｌ邋Ｅｌｅｃｔｒｉｃ公司设计了邋Ｅｌｅｃ－Ｔｒａｋ系列电动拖拉机％如图１－１所逡逑示，可用来进行修剪草坪、推雪、牵引挂车等作业，采用直流无刷电机驱动，由６组铅酸电池作逡逑为动力源，功率范围为５．９？ｌｌｋＷ，工作速度在４．８？１４．４ｋｍ／ｈ之间。美国Ａｌｌｉｓ－Ｃｈａｌｍｅｒｓ公司逡逑推出以燃料电池作为动力源的电动拖拉机，功率可达１４．７ｋＷ，通过调节燃料电池的数量来控制逡逑拖拉机的行驶速度，如图１－２所示。逡逑漏逡逑图１－１邋Ｅｌｅｃ－Ｔｒａｋ电动拖拉机逦图１－２邋Ａｌｌｉｓ－Ｃｈａｌｍｅｒｓ燃料电池电动拖拉机逡逑Ｆｉｇ．邋１－１邋Ｅｌｅｃ－Ｔｒａｋ邋ｅｌｅｃｔｒｉｃ邋ｔｒａｃｔｏｒ逦Ｆｉｇ．邋１－２邋Ａｌｌｉｓ－Ｃｈａｌｍｅｒｓ邋ｆｕｅｌ邋ｃｅｌｌ邋ｅｌｅｃｔｒｉｃ邋ｔｒａｃｔｏｒ逡逑上世纪９０年代以来，汽车电子、电池技术取得了重大进展，许多新的电子技术也开始应用逡逑到拖拉机的设计中，开始向着电气化、智能化方向发展。美国Ｇｏｒｉｌｌａ邋Ｖｅｈｉｃｌｅｓ公司生产的ｅ－ＡＴＶ逡逑系列电动拖拉机如图１－３所示，采用６．２ｋＷ的直流电机驱动，由３？４组８Ｖ／１２５Ａｈ密封铅酸电池逡逑作为动力源

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【参考文献】