基于電力驅動的拖拉機動力系統設計分析

朱學軍

(河南交通職業技術學院,鄭州 450000)

0 引言

我國是一個農業大國,拖拉機在農業生產過程中的作用越來越重要。傳統的拖拉機采用燃油提供動力,能量利用率低、噪聲大且容易造成環境污染。目前,國際能源緊缺、環境污染嚴重,因此研發低噪聲、低污染和高能源利用率的綠色農用機械成為各國的重點研究方向。隨著制造業的飛速發展,電動農業技術由于其具有零排放和無污染的特征,成為了各國解決能源問題的主要途徑之一[1]。

隨著制造業的迅速發展,有很多汽車業的新技術應用到了拖拉機上,拖拉機的制造水平有了較大的提升[2-3]。隨著電動汽車技術的應用逐漸增加,電力驅動技術也開始應用于拖拉機,即集成了電池和電機技術[4],通過電動機將蓄電池的電能轉化為機械能,為拖拉機提供動力,可有效地解決環境污染和噪聲大的問題。

拖拉機的主要工作環境是農田,工況比較復雜、阻力較大,對電力驅動的拖拉機動力要求較高。目前,我國電動拖拉機發展較慢,動力系統動力較小,無法應用于農田的耕種。隨著低速度大扭矩的電機和電動汽車的發展,為拖拉機大功率驅動電機提供了可能。因此,本文以電力驅動為基礎,對拖拉機的動力系統進行了設計研究。

1 硬件設計

1.1 技術路線

電力驅動的拖拉機主要分為硬件部分和軟件部分,硬件部分的主要組成為電源模塊、動力輸出模塊、負載模塊和駕駛引導模塊,軟件部分則分為系統通道模塊和數據存儲模塊。該拖拉機的主要動力來源為蓄電池,其總體結構如圖1所示。

圖1 拖拉機動力系統總體設計結構

1.2 電源模塊

拖拉機的動力源為蓄電池,通過功率轉換器將電壓和電流轉換為拖拉機的匹配值。蓄電池作為拖拉機的車載電源,為保證其能夠為拖拉機提供穩定的動力,需要滿足以下的要求[5]:①較大的比能量和比功率;②較長的循環壽命;③較好的充放電性能和較低的自放電率;④對環境不會造成污染。鉛蓄電池由于其具有較好的穩定性和較高的性價比,因此選做拖拉機的電池。根據拖拉機得到預計行駛歷程和載荷質量,可以估算出蓄電池所需要的功率P,即

其中,η1為拖拉機蓄電池的負載功率,η2為電動機的效率,η3為蓄電池的放點效率,M為拖拉機與負載的總質量,g為重力加速度,Vmax為拖拉機的最高可行駛速度,C為空氣阻力系數。

另外,拖拉機在驅動過程中,還可以將多余的動能轉化為電能儲存在蓄電池內,為拖拉機的行駛提供動力。

1.3 動力輸出模塊

動力輸出模塊的作用是將蓄電池中的電能轉化為動能,主要組成為電動機和AMT自動離合器,以保證拖拉機所需動力和較快的反應速度。

由于拖拉機的主要工作環境為農田,環境惡劣、阻力較大,因此需要電動機具有較強的抗腐蝕能力、較強的承載力和低轉速大扭矩。將市場上的各類電動機進行對比,直流串勵電機的綜合性能較好,因此最終選定直流串勵電機作為拖拉機的驅動電機,如表1所示。

表1 電動機性能對比

拖拉機的AMT自動離合器對拖拉機速度檔位進行調整,工作原理圖如圖2所示。

圖2 拖拉機AMT自動離合器工作原理

該離合器為電控-電動式離合器,由電動機作為動力,通過發動機傳感器、車速傳感器和位置傳感器分別測量發動機的轉速、拖拉機速度和位置,并由離合控制器(ECU)接收轉速、車速和位置等信息;然后,利用絲杠和螺母等機構將電機的圓周運動轉換為離合器的直線運動,從而實現對離合器的控制;最后,由離合器控制變速器,實現對拖拉機速度的控制。在對拖拉機的AMT自動離合器進行調控時,需要采用模糊控制和自適應的控制方法[6],以提高拖拉機速度控制系統的精確性,保證換擋的平穩性,延長離合器的壽命。

1.4 負載模塊

負載模塊即為拖拉機的承重或者載荷,其質量需要通過電源模塊和動力輸出模塊共同計算得出。在進行工作裝載時,必須保證在最大載荷以內,以保證拖拉機的安全行駛。

1.5 駕駛引導模塊

駕駛引導模塊位于拖拉機的駕駛室內。通過在駕駛室內安裝電子顯示屏,在作業之前規劃好拖拉機的行駛路線,駕駛員按照路線或者拖拉機自動行駛,還可以根據需求在行駛時依據土地狀況更改路線。當拖拉機的作業面積較大時,該模塊可以有效地減少重復行駛路線,提高作業效率。

1.6 數據存儲模塊和系統通道模塊

數據存儲模塊用于存儲拖拉機的運行歷史數據,系統通道模塊用于對拖拉機的行駛過程進行控制,采用模糊控制原理進行。

2 軟件設計

拖拉機的AMT自動離合器的換擋包括升檔和降檔規律,傳統換擋規律的方法是:利用解析法確定升檔規律,降檔規律則是在升檔規律后有一定的速度延遲。該種方法的缺點是易在拖拉機速度變化較快時,造成頻繁換擋,從而降低拖拉機的動力性,不易于拖拉機性能的發揮。因此,本文利用模糊控制的原理,對拖拉機的換擋規律進行改進。

拖拉機的行駛速度與很多因素有關系,包括地況、農作物的狀態及作業工況等,但決定因素是拖拉機的電力輸出P和滑轉率δ。其中,電力輸出P直接決定了拖拉機的速度V,滑轉率δ則反映路況和作業工況對速度V的影響。因此,模糊控制算法選取電力輸出P和滑轉率δ作為雙輸入量,檔位修正量ΔR則作為單輸出量。

1)電力輸出隸屬度函數的確定。定義電力輸出P的模糊子集為{VS,S,MS,MB,B,VB},為保證論域的覆蓋程度,確定模糊控制域為XP=[1,13],建立電力輸出各模糊子集的隸屬度函數為

從式中可以看出:電力輸出隸屬函數與σ關系密切,為方便計算,設定σ1=σ2=σ3=σ4=σ5=σ6=1.189。同時,該系統的控制還與相鄰子集的影響有關,若影響較大,則會降低系統的靈敏度[7-8],一般選取影響因子為0.5。由此可以得到

max[μVS∧μS]=max[μS∧μMS]=0.5

max[μMS∧μMB]=max[μMB∧μB]=0.5

max[μB∧μVB]=0.5

通過計算可以得出:b2=2.6,b3=5.2,b4=7.8,b5=11.2,確定了電力輸出的隸屬度函數。

2)滑轉率隸屬度函數的確定。定義滑轉率δ的模糊子集為{VS,WS,WB,MB,B,VB},確定模糊控制域為Xδ=[0,14],建立滑轉率各模糊子集的隸屬度函數為

同理可以得到:b2=2.6,b3=5.2,b4=7.8,b5=11.2。由此確定了滑轉率的隸屬度函數。

3)檔位修正量隸屬度函數的確定。定義檔位修正量ΔR的模糊子集為{NS,NZ,PZ},確定模糊控制域為XΔR=[-3,1],在控制域內建立各模糊子集的隸屬度函數為

設定式中參數分別為σ1=σ2=σ3=0.85,建立以下函數關系,即

max[μNS∧μNZ]=max[μNZ∧μPZ]=0.5

由此確定了檔位修正量的隸屬度函數。

模糊控制算法的模型如圖3所示。當某一個時刻模糊控制系統的輸入量為P和δ時,確定輸出變量ΔR,將輸入量和輸出量的論域關系進行反模糊化,其實際數值即為對應換擋規則。

3 試驗

3.1 負載試驗

固定拖拉機踏板的位置,調節拖拉機的負載,通過電壓和電流變速器測量拖拉機不同載荷情況下的蓄電池的輸出電壓和電流及驅動級的轉速,驗證該動力系統輸出是否能夠滿足要求。試驗結果如表2所示。

表2 拖拉機不同負載下的各參數

由表2可知:隨著負載的載荷增加,驅動輪的轉速下降,轉矩下降,輸出電力逐漸增加,壓降增大,從而為增加的載荷提供足夠的動力需求。

3.2 檔位調節試驗

調節拖拉機踏板的位置,使拖拉機的檔位分別處于Ⅰ～Ⅵ擋,采集不同位置蓄電池的電壓,電流信號和驅動輪的轉矩,試驗結果如圖4所示。

(a) 電壓

由圖4可知:在不同的檔位,拖拉機的電壓、電流和驅動輪的轉矩變化趨勢相同,電壓隨著轉速的增加而增加,電流隨著轉速的增加而下降,驅動輪的轉矩隨轉速的增加也呈下降趨勢。

4 結論

1)針對電力驅動的拖拉機動力系統進行了設計和分析。該拖拉機的動力系統主要分為硬件部分和軟件部分,硬件組成為駕駛引導模塊、電源模塊、動力輸出模塊和負載模塊;軟件部分為系統通道模塊和數據存儲模塊。

2)對拖拉機的動力系統采用模糊控制原理進行控制,以提高拖拉機的動力和性能。

3)試驗結果表明:拖拉機的動力系統可以為拖拉機的作業提供足夠的動力,滿足農業需求。