雙電機獨立驅動式電動拖拉機協同控制器開發

胡晨明，劉孟楠，魏垂泉，王 通

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

0 引言

拖拉機以機組形式進行作業，作業工況種類繁多[1]，對整機協同控制策略進行設計時，需考慮動力輸出軸(power take-off,PTO)電動機和驅動電動機同時工作帶來的聯合作業問題[2-3]，控制策略的合理性影響著整機的農藝適應性及作業質量[4-5]。整車控制器是雙電機獨立驅動式電動拖拉機實現整機控制和管理的關鍵設備，核心功能主要有信號采集處理、運行狀態管理、驅動力矩控制和顯示信息管理等，是實現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，技術相對成熟[9]。豐田開發的FINE-N車型整車控制器，采用雙輪轂電動機驅動的動力方案，由兩個同樣的輪轂電動機分別驅動左右后輪[10]。英飛凌的整車控制器架構可用于12 V供電系統和24 V供電系統，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]。國內車企和部分高校對整車控制器進行了研究和開發，例如：天津大學、一汽天津夏利股份有限公司和中國汽車技術研究中心等合作開發的XL2000車型的整車控制器[12]。

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

1 協同控制器開發

1.1 控制策略設計

協同控制主要針對動力輸出軸由單獨電機驅動的控制問題[15]，實現動力輸出軸的跟隨式轉速輸出和標準式轉速輸出功能。本文采用雙電機獨立驅動式電動拖拉機結構方案，如圖1所示。針對雙電機獨立驅動式電動拖拉機結構設計了協同控制策略，構建了動力輸出軸的轉速恒定模式和轉速跟隨模式，

圖1 雙電機獨立驅動式電動拖拉機結構方案

使驅動系統和PTO機械解耦，以滿足不同作業工況需求，實現動力輸出軸在跟隨式和標準轉速之間自由切換，提高對不同農機具和農藝的適用性。

轉速恒定模式下PTO電機為農機具提供恒定的輸入轉速，設置標準轉速選擇開關M，開關置于狀態1時,控制器控制PTO電機以540 r/min輸出動力；開關置于狀態2時，PTO電機以1 000 r/min輸出動力。

轉速跟隨模式下PTO電機轉速以定比例跟隨車速。駕駛室設置跟隨模式選擇開關K，開關置于狀態ON表示轉速跟隨模式啟動；開關置于狀態OFF表示轉速跟隨模式關閉。轉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作為協同控制器的輸入信號，協同控制器生成期望轉速模塊進一步轉化成PTO電機所需的目標轉速信號，并發送控制信號給PTO電機驅動器，控制PTO電機轉速以定比例跟隨拖拉機行駛速度。根據PTO電機實際轉速和目標轉速的偏差e，采用自適應PID控制方式，實現驅動電機和PTO電機之間的協同控制，從而輸出期望轉速。

np=kv，

(1)

其中：np為PTO電機目標轉速，r/min；k為協同比例系數；v為拖拉機行駛速度，m/s。

轉速跟隨過程中，協同控制器進行實時在線監測、反饋，在作業負載過大時，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，降低拖拉機作業行駛速度，從而降低PTO電機輸出轉速，使電機需求功率與作業負載相平衡。當行駛速度降至作業速度的最小閾值，PTO電機輸出功率還未降回至額定功率范圍內，則控制提升系統提升農具，直至PTO電機的實際輸出功率等于額定功率，結束提升農具。當行駛速度恢復正常,落在規定閾值范圍內時，PTO電機的實際輸出功率小于額定功率，提升系統恢復提升高度。在PTO電機調速系統中，為防止跟隨式轉速輸出模式PTO電機轉速出現超調，本文采用速度閉環控制。以目標轉速為輸入信號，電機實際轉速為反饋信號，在單位步長△t下，如果當前轉速波動較大，超出預值，下一個步長將調整輸出，控制器將實際轉速與目標轉速進行定量對比分析，實時調節輸出轉速，使PTO電機維持在目標轉速工作。

進一步考慮轉速跟隨過程中的轉速變化平滑問題、轉矩變化引起的整機沖擊度的情況，本文采用執行協同控制策略式的PTO電機響應穩定性進行控制，PTO電機轉速控制系統框圖如圖2所示。

圖2 PTO電機轉速控制系統框圖

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

輸入輸出模糊子集分布及隸屬度函數圖如圖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、輸出隸屬度函數均采用三角形。

(a) e、ec

(b) △Kp、△Ki、△Kd

1.2 控制器硬件設計

控制平臺硬件包括主控芯片模塊、最小系統模塊、控制器局域網絡(controller area network,CAN)通信模塊和輔助電路模塊，協同控制器硬件框架如圖4所示。其中，主控芯片內置整機控制策略程序，最小系統模塊為在最少的外部電路支持下，形成能夠穩定發揮主控芯片基本性能的電路系統，包含電源電路、時鐘電路、復位電路和后臺調試電路、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，穩定性好；復位及調試電路采用6引腳雙排接口，含調試數據引腳；CAN通信電路使用TIA1050T型芯片，波特率為60 kb/s～1 Mb/s。

圖4 協同控制器硬件框架

圖5 硬件電路模塊

根據應用環境和控制策略功能，匹配整機協同控制平臺硬件，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內存，由異步串行通信接口、串行外設接口、8通道增強捕獲定時器、16通道12位模數轉換器、8通道脈寬調制器、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 協同控制器軟件設計

協同控制器軟件主要包含應用層程序和底層程序。應用層程序是協同控制策略的程序化體現，可以直接調用底層程序預留的軟件接口。底層程序以驅動硬件的形式實現控制功能，通過底層軟件接口實現應用層和底層的信息交互。

應用層程序通過對底層程序發送相應的指令，對硬件的動作進行控制，同時，底層程序將硬件運行狀態、實時數據傳送給應用層程序，使應用層程序獲取數據變化情況，進而達成控制目標。協同控制器軟件架構如圖6所示。

圖6 協同控制器軟件架構

應用層程序采用基于模型的設計(model based-design，MBD)方法。使用MATLAB/Simulink軟件建立協同控制策略模型，通過即時工具箱(real time workshop，RTW)將模型轉為RTW文件，使用目標語言編譯器(target language compiler，TLC)將RTW文件轉換成一系列源文件，包括系統目標文件、模塊目標文件以及支持代碼生成的TLC函數庫等文件。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，模型的系統目標文件，硬件實現規定。其中，系統目標文件選擇ert.tlc格式，目標語言選擇C語言；硬件實現規定選擇飛思卡爾MC9S12X系列。參數配置完成，執行創建命令，自動生成代碼，產生代碼生成報告。

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，結合應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

協同控制器硬件在環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為整機質量,kg;Fq、Ft、Ff、Fi分別為輪邊驅動力、牽引阻力、滾動阻力以及爬坡阻力，N;it為傳動系統總速比；ηm為傳動系統效率，%；rw為驅動輪滾動半徑，m。驅動力由驅動電機輸出轉矩決定：

(4)

其中：T為輸出轉矩，N·m。

電動拖拉機的驅動電機和PTO電機都選用無刷直流電機，采用常用的二相導通星形三相六狀態類型。永磁無刷電機負載作業時，電磁轉矩[17]為：

(5)

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

電機穩態運行時的電磁轉矩[18]可表示為：

(6)

其中：kT為轉矩因數；Ut為電源電壓，V；kE為反電動勢常數；Rs為定子繞組內阻，Ω。

對控制系統微分方程進行拉氏變換，可得無刷直流電機轉速的傳遞函數[19]為：

(7)

根據電動拖拉機數學模型，在MATLAB/Simulink仿真軟件中建立整機模型用于測試。

3 硬件在環測試

圖8 硬件在環仿真平臺

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

將所設計整機控制器的輸入信號接入DS1007的數字量板卡，將各控制量轉碼，在ControlDesk中，設置監控界面查看整機控制器的驗證試驗數據。表1為雙電機獨立驅動式電動拖拉機動力系統參數，無刷直流電機試驗參數如表2所示。

表1 雙電機獨立驅動式電動拖拉機動力系統參數

表2 無刷直流電機試驗參數

4 仿真結果分析

PTO電機響應穩定性控制測試曲線如圖9所示。由圖9可知：在普通閉環控制下，系統出現了嚴重超調，系統調節時間ts達0.280 s，超調量高達49%；自適應模糊PID控制方式下調節時間ts為0.052 s，超調量為4.3%，比閉環控制方式的時間減少了0.228 s。采用自適應模糊PID控制的系統響應速度更快、超調量更小、調節時間更短，提高了電機的動態和穩態性能。因此,采用自適應模糊PID控制方式進行穩定性控制，以處理協同控制過程中PTO電機的轉速波動，使PTO電機轉速在變化過程中更為平順。

(a) 普通閉環控制轉速響應輸出曲線

(b) 自適應模糊PID轉速響應曲線

對硬件在環平臺進行上電測試，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表示從斷開狀態切換到閉合狀態；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，進入預充狀態，預充電信號由0到1，經過1 s預充電完成，預充繼電器斷開，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。

根據模式開關a的兩個狀態，整機控制器能夠實現PTO的標準轉速模式，分別為540 r·min-1和1 050 r·min-1；根據模式開關b的狀態，可以實現PTO跟隨式轉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) 預充繼電器信號

(e) 主正繼電器信號

圖11為協同模式PTO轉速測試。由圖11可知：電動拖拉機測試過程按照車速可分為低速區間、中等車速區間和較高車速區間。對測試結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,處于低速區間；同時，PTO轉速處于A～B段，在A點模式開關a置于狀態1時，PTO轉速從0 r·min-1提升到540 r·min-1的標準轉速，一直保持到B點時，模式開關b有新的動作。

圖11 協同模式PTO轉速測試

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，處于中等車速區間；期間PTO轉速處于B～C段，在B點模式開關a從狀態1切換到狀態2，PTO轉速從540 r·min-1快速提升到1 050 r·min-1的標準轉速并保持。

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，處于較高車速區間。期間模式開關b置于狀態1，PTO進入跟隨式轉速模式屏蔽模式開關a的狀態，PTO轉速處于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實現了跟隨式轉速模式。

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，處于中等車速區間；期間模式開關b置0，模式開關a處于狀態2，結束跟隨式轉速模式，PTO轉速下降到1 050 r·min-1并保持。由上述協同模式工作狀況分析可知：所設計的整機控制器協同控制模式，能夠準確實現跟隨式轉速和標準轉速之間的切換，且能夠實現設計目標。

5 結論

(1)根據應用環境和控制策略功能，針對系統方案采用模糊神經網絡自適應PID，設計了執行協同控制策略式的PTO電機轉速響應穩定性控制方法。

(2)基于MC9S12XEP100型單片機，設計了電源、CAN通信和數字量輸入等電路模塊，開發了控制平臺硬件；根據協同控制策略，提出了在CodeWarrior中編寫底層程序的方法，用于聯接應用層軟件和硬件，結合軟件和硬件，完成了協同控制器開發。

(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碼，建立了基于DS1007板卡型號的硬件在環平臺，通過ControlDesk搭建監控測試界面，完成了整機控制器協同模式測試。

(3)協同控制器能夠實現控制動力輸出軸在跟隨式轉速和標準轉速之間的自由切換，采用自適應模糊PID控制作為雙電機協同過程中的轉速穩定性控制，具有較好的動態和穩態性能，滿足雙電機獨立驅動式電動拖拉機作業過程的協同控制要求。