電動拖拉機快速原型平臺測控系統設計與試驗

汪珍珍 周 俊 楊杭旭,2 王 旭

(1.南京農業大學工學院， 南京 210031； 2.金華職業技術學院， 金華 321017)

0 引言

近年來，日益嚴重的環境污染問題和國家提倡的綠色農業政策，促使國內外掀起了對電動拖拉機的研究熱潮。2017年巴黎國際農業展覽會上，美國約翰迪爾公司展示了首款全電動拖拉機，同年，美國愛科旗下的Fendt推出了E100系列電動拖拉機[1-3]。2018年我國發布了首款無人駕駛純電動拖拉機樣機“超級拖拉機Ⅰ號”[4]。然而，拖拉機作業工況特殊且復雜多變，樣機實測試驗存在很多不確定因素，且對試驗田地、試驗車以及試驗設備等都有更高的要求，而臺架試驗具有擴展性強、效率高、開發時間少、成本低等優點，已成為電動拖拉機研發過程中一個重要的環節。

高輝松等[5-7]搭建了一臺小功率電動拖拉機試驗臺架，基于LabVIEW平臺，開發了試驗臺虛擬測控系統，對其驅動力特性及傳動效率特性進行了試驗研究。鄧曉亭等[8-10]搭建了一臺并聯式混合動力拖拉機臺架，該臺架首次借鑒混合動力汽車中的動力耦合理念，提出了適用于拖拉機作業要求的耦合裝置，并將其在自行設計的混合動力拖拉機試驗臺上進行臺架試驗驗證。之后，又相繼搭建了串聯式混合動力拖拉機臺架[11]以及四輪獨立驅動式拖拉機臺架[12]。文獻[13-17]分別搭建了雙輪驅動純電動拖拉機傳動試驗平臺和雙電機耦合驅動純電動拖拉機傳動試驗平臺，根據雙電機耦合動力匯流思想，設計出動力耦合變速箱，并對其進行傳動特性研究，另外，對動力電池進行了壓載構型設計與參數優化研究。毛鵬軍等[18-19]搭建了功率為5 kW的電動拖拉機驅動系統平臺，采用LabVIEW圖形化可編程軟件，并結合多功能數據采集卡USB-4622作為平臺的測控系統。陳黎卿等[20]根據丘陵山區中小型拖拉機使用特點，提出一種三軸直連式電驅動系統試驗平臺，對其進行了外特性、傳動效率和噪聲等試驗。徐立友等[21]搭建了可以滿足90 kW以下的電動拖拉機試驗系統，采用ET4100型測控儀對其進行了能源系統性能試驗和動力系統性能試驗等。

上述研究更多的是對電動拖拉機的驅動系統和傳動系統等進行了試驗平臺的設計和搭建，但對試驗平臺的測控系統通信設計以及控制策略設計關注很少。為此，本文提出一種測控系統通信模塊化和控制策略模塊化的設計方法，搭建新型的電動拖拉機快速原型試驗平臺，基于規則控制策略對試驗平臺進行純電動模式和混合動力模式下的旋耕試驗驗證，以期為道路車輛和非道路車輛驅動系統的測控平臺研究提供方法參考。

1 試驗平臺整體結構設計

本試驗平臺的硬件和軟件部分均采取模塊化設計理念，同時各系統采用模塊化安裝方式，極大地提高了平臺的利用率。平臺功能全、能耗低、易安裝，便于后期的二次開發試驗，用于研究驅動結構的匹配優化和驅動系統能量管理策略，測控系統具有開源性、實時性、安全、可靠、穩定特點，且數據采集完整準確、精度高。

1.1 總體結構方案

本平臺主要由動力源系統、模擬負載系統、動力電池系統、傳動系統、測控系統和輔助系統組成(圖1)。其中，動力源系統包括發動機和2個驅動電機，發動機與發電機機械連接，構成發動機發電機組，從而將發動機輸出的機械能轉為電能，驅動電機可由動力電池供電驅動，也可由發動機發電機組供電驅動；模擬負載系統采用3個負載電機分別模擬兩驅動輪行駛阻力和PTO作業阻力，且通過并網逆變器將負載電機再生制動產生的電能反饋到電網，降低平臺能耗；動力電池系統配備BMS電池管理系統，可由發動機發電機組充電，亦可由外接充電裝置(如充電樁)進行充電，實現plug-in電動拖拉機驅動結構；傳動系統包括連接發動機發電機組的萬向節和驅動橋以及升速箱；測控系統包括高精度扭矩轉速傳感器(圖1b黃色護罩內)和dSPACE實時控制系統，該測控系統采用分布式、上/下位機的分層控制結構，各子系統均配置獨立的控制器，總控制器采用能夠支持Matlab/Simulink編程的dSPACE快速原型實時控制系統，對各子系統控制器進行協調和決策；輔助系統包括冷卻裝置、外接充電裝置等。

圖1 電動拖拉機快速原型試驗平臺Fig.1 Rapid prototype platform for electric tractor1.動力電池 2.通信轉換器 3.操作控制臺 4.便攜式計算機5.驅動電機1控制系統 6.驅動電機2控制系統 7.行走負載電機1 8.升速箱1 9.驅動橋 10.升速箱2 11.行走負載電機2 12.發電機控制系統 13.發電機 14.排氣管 15.變頻整流系統 16.直流充電樁 17.驅動電機2 18.驅動電機119.PTO負載電機 20.鉛酸蓄電池 21.發動機控制器 22.柴油發動機

1.2 試驗平臺關鍵部件

本試驗臺架的關鍵部件包括發動機發電機組、驅動電機、負載電機、動力電池、扭矩轉速傳感器、驅動橋、升速箱、并網逆變器和dSPACE軟硬件系統等。為了可以滿足不同功率下的中大型電動拖拉機驅動特性的研究需求，試驗臺選擇了2臺相同的永磁同步電機，其額定功率均為22 kW。考慮后期不同驅動結構的研究，結合市面常用發動機類型，發動機額定功率為36.8 kW；發電機額定功率為30 kW；動力電池額定容量為132 A·h；驅動橋減速比為22∶1，升速箱速比為1∶14。其各關鍵部件基本參數如表1所示。

表1 關鍵部件基本參數Tab.1 Basic parameters of key components

2 試驗平臺測控系統設計

2.1 測控系統框架

該平臺的測控系統主要由dSPACE整車控制器(包括Micro-Auto box Ⅱ硬件、Controldesk軟件和24 V電源供應器)、信號連接器、子系統控制器單元、傳感器接收器和便攜式計算機等組成。其中，dSPACE與Matlab/Simulink可以實現無縫連接，國內更多的是將它用于汽車開發的硬件在環(HIL)仿真測試[22]。本文中dSPACE作為快速原型實時控制系統，控制各子系統控制單元并運行整個試驗平臺設備。

圖2 測控系統框架簡圖Fig.2 Framework diagram of measurement and control system

圖2為該測控系統的框架簡圖。Micro-Auto box Ⅱ作為平臺的主控制器，通過網線從Controldesk中讀取輸入信息(如扭矩/速度模式控制命令、行駛速度、工況負載、PTO扭矩/速度等)，采用CAN通信協議，通過CAN BUS將命令發送到各子系統控制器單元并反饋狀態信息(如電池SOC、電池電流/電壓、電池溫度、驅動電機速度/扭矩、發動機速度、發電機充電電流、發電機溫度等)，從而運行和監控外部設備(如發動機、發電機、驅動電機、負載電機、電池等)。所有這些模塊都逐步級聯，協同工作以實現整個工作臺的操作。子控制系統包括發動機電子控制單元、發電機控制器、2個驅動電機控制器、3個負載電機控制器和電池管理系統(BMS)。測量系統由扭矩傳感器和扭矩功率儀組成。另外，通信協議對于測控系統的搭建至關重要，一旦確定，通常不會更改。

2.2 通信模塊化

CAN通信協議具有簡單、可靠、低成本和高性能等特點，使其在汽車和自動化行業中更具吸引力。更重要的是，它可以實現執行器、控制器、傳感器和其他節點之間的實時串行總線通信協議，并且具有強大的抗電磁干擾和抗噪聲干擾能力[23]。因此，在該測試平臺中，選擇CAN通信協議作為每個子系統控制器和測量系統的通信模式，Controldesk的所有命令都通過實時接口RTICAN總線發送到子系統控制器和測量系統，反饋實時信號并記錄數據。每個子系統控制器的輸入/輸出接口都需要由CAN協議定義，需要說明的是，測量系統中的通信方式通常為RS232/485。因此，設計了485通信轉CAN通信單片機，實現轉速和轉矩的讀取。

由于該測試平臺的子控制器較多，為了試驗平臺的二次開發，以及基于該平臺框架實現更多不同驅動系統結構研究的可能性，提出了通信模塊化的搭建理念，實現試驗平臺的重復利用，降低成本。因此，該快速原型平臺的測控系統有6個獨立的RTICAN通道，根據各控制器的ID地址和消息(包括發送消息和接收消息)來設置每個RTICAN通道的配置。具體為：RTICAN1表示3個負載電機控制器的CAN通信通道；RTICAN2表示發動機ECU和發電機控制器的CAN通信通道；RTICAN3表示測量系統的6個扭矩傳感器的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個驅動電機控制器的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計提供了必要基礎。為實現不同控制策略算法的研究，提高試驗平臺的利用率，本文還提出了控制策略模塊化框架設計方法。

具體來說，Matlab/Simulink為控制策略模型提供了編譯環境，并生成目標代碼，該目標代碼通過dSPACE的實時接口 (RTI) 工具加載到Controldesk軟件中。然后，Controldesk作為用戶界面在線運行整個平臺設備，同時在系統運行期間通過以太網電纜在計算機上實現CAN消息的實時解析以及數據記錄。此外，還通過Simulink生成的代碼在Controldesk界面上設計了2個切換按鈕，以實現手動/自動輸入的切換以及速度/轉矩控制模式的邏輯切換功能。其他控制策略切換功能(如基于規則的控制策略、動態規劃 (DP)、等效消耗最小化策略 (ECMS) 和模型預測控制 (MPC) 等)將在以后逐步完善。主要步驟如下：

(1)確定目標驅動系統動力總成架構。

(2)使用Matlab/Simulink設計控制策略。

(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)運行試驗平臺，實時測控和記錄數據。

如上所述，可以根據研究對象靈活地更改Matlab/Simulink中的控制策略，實現不同驅動系統結構和不同控制策略算法的試驗驗證。圖3為控制策略框架設計流程圖。

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

3 基于規則的控制策略設計

由圖3可知，控制策略模型的設計包括邏輯控制方式的選擇和控制策略優化算法的設計。從控制方式模型中可知，2個驅動電機和3個負載電機都可以通過轉矩控制方法和速度控制方法來進行控制，因此，驅動電機和相對應的負載電機存在不同的控制方法組合。本文選擇驅動電機1為轉速控制，PTO負載電機為轉矩控制；驅動電機2為轉矩控制，2個模擬驅動輪的負載電機為轉速控制。在控制策略優化算法方面，目前有基于規則的控制策略、DP、ECMS和MPC等。本文為了驗證快速原型試驗平臺設計理念的可行性，因此，設計了規則控制策略，如圖4(圖中SOC表示電池荷電狀態)所示。

圖4 基于規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個驅動電機和3個負載電機之間的控制關系，Motor1、Motor2、PTO模塊代表2個模擬驅動輪的負載電機和1個PTO負載電機的控制命令模塊，Left_load_motor、Right_load_motor模塊代表驅動電機1和驅動電機2的控制命令模塊。同樣地，圖5b為發動機發電機組和電池之間的控制關系，Engine_Subsystem模塊為發動機控制命令模塊(其中750 r/min為發動機怠速值)，Generator_Subsystem模塊為發電機的控制命令模塊，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 試驗驗證與結果分析

4.1 旋耕試驗設計

為了模擬電動拖拉機旋耕作業工況，本文以中小型電動拖拉機旋耕機組為例，其主要參數如表2所示。結合試驗平臺設計的基本技術參數要求，可以得出：驅動電機2的扭矩為14 N·m，2個模擬驅動輪的負載電機轉速為225 r/min，驅動電機1的轉速為540 r/min。以上這些參數可以通過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變化的，無法在界面上直接輸入。為此，建立一個“.mat”文件格式的實測負載扭矩數據庫，該數據庫由實際田間耕作試驗采集的數據組成，并將其寫入程序中，以模擬不同工況作業時阻力矩。采用的扭矩由課題組進行田間旋耕試驗獲得，如圖6所示，并通過多項式函數進行平滑處理和插值處理。

表2 試驗設置參數Tab.2 Basic setting parameters of trial

圖6 旋耕試驗下PTO負載電機輸入轉矩變化曲線Fig.6 Curve of input torque of PTO motor

分別進行了純電動模式和混合動力模式下的旋耕作業試驗，以驗證所搭建的快速原型試驗平臺的通信模塊化和控制策略模塊設計的合理性和可行性，并能夠滿足拖拉機的工作特性要求。另外，根據發動機萬有特性曲線可知，該型號發動機轉速在1 600～2 000 r/min范圍內燃油消耗率低，因此，在混合動力模式下，發動機轉速設定為1 600 r/min，發電機充電電流為15 A，其余參數不變。

4.2 純電動模式結果分析

在純電動模式下旋耕試驗結果如圖7、8所示，圖7為驅動電機2、2個負載電機和PTO負載電機轉速、轉矩曲線，需要說明的是，驅動電機1與PTO負載電機是直接機械連接，中間無減速機構。因此，驅動電機1的轉速轉矩曲線和PTO負載電機的相似。圖8為電池放電電流、電壓和SOC曲線。

圖7 純電動模式下旋耕試驗結果Fig.7 Result of torque and speed under rotary tillage operation in pure electric mode

圖8 純電動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，驅動電機2的轉速響應時間比2個模擬驅動輪的負載電機的轉速響應時間快，在驅動電機1與PTO負載電機之間也會發生相同的現象，這是因為2個驅動電機都是永磁同步電機，而負載電機均為異步電機。其次，右負載電機的響應速度小于左負載電機的，這是由左、右負載電機之間的驅動橋差速器機械摩擦阻力不同而引起的。驅動電機2的轉速范圍為354～355 r/min，與理論值353.6 r/min的最大相對誤差約為0.396%；左負載電機轉速范圍為223～227 r/min，右負載電機轉速范圍為222～225 r/min，與設定值225 r/min的最大相對誤差分別約為0.889%和1.333%；PTO負載電機因加載可變轉矩，轉速波動較大，其范圍為529～550 r/min，與設定值550 r/min的最大相對誤差約為2.037%，仍在誤差控制的允許范圍內。

從圖7b可以看出，驅動電機與2個模擬驅動輪負載電機的轉矩幾乎同時響應，表明該試驗平臺具有良好的控制效果。另外，這也符合了電機特性。結合圖6可知，該組范圍為31～64 N·m的扭矩作為PTO負載電機輸入值，以循環方式進行模擬旋耕阻力矩，與參考轉矩相比，其循環模擬完成度非常好，表明該平臺控制精度高。

由圖8a可知，當施加了變化的PTO負載轉矩時，其電流會隨變化的轉矩有規律地變化，其放電電流為-16.4～-7.5 A(負值代表放電電流)。由圖8b可知，電池電壓和SOC會隨時間的推移而減小，符合電池放電特性規律。

4.3 混合動力模式結果分析

圖9 混合動力模式下旋耕試驗結果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計，對其進行模式切換，就可以進行串聯式混合動力模式下的旋耕試驗，圖9為在混合動力模式下各電機和發動機發電機組的轉速、轉矩曲線。圖10為發動機發電機組充電電流、電池放電電流、電壓和SOC曲線。

圖10 混合動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，發動機發電機組轉速范圍為1 590～1 606 r/min，與設定值1 600 r/min的最大相對誤差為0.625%。由圖9b、10a可知，當發動機發電機組收到恒定的充電電流控制命令時，其扭矩會迅速達到特定范圍，大約25 s后，扭矩開始緩慢下降，最終趨于在穩定范圍內波動。出現該現象的原因可能為：一開始的25 s因為發電機溫度沒有達到冷卻系統允許工作的范圍而沒有運行，但隨著發電機溫度的持續升高，這導致發電機的熱能損耗增加，為了產生恒定的充電電流，發動機被迫提供更大的扭矩。當冷卻系統開始工作時，發電機溫度逐漸降低，熱能損耗降至穩定范圍，發動機的輸出轉矩也隨之緩慢降低并趨于某個范圍。

由圖10a可以看出，未啟動發動機發電機組時，電池處于放電狀態，且電流變化范圍為-16.4～-7.5 A(負值代表放電電流)；當發動機發電機組工作時，電流變化范圍為-2.1～7.4 A(正值代表充電電流)，此時電池處于充放電交換狀態。由于電池更多的是處于充電狀態，電池的電壓和SOC也逐漸增大，如圖10b所示。

5 結論

(1)在純電動模式，驅動電機2的轉速范圍為354～355 r/min，與理論值最大相對誤差約為0.396%；左、右負載電機轉速范圍分別為223～227 r/min和222～225 r/min，與設定值最大相對誤差分別約為0.889%和1.333%；PTO負載電機因加載可變轉矩，轉速波動為529～550 r/min，雖然相對較大，但與設定值最大相對誤差約為2.037%，仍在誤差控制的允許范圍內。表明該快速原型試驗平臺各測控系統響應速度和控制效果良好，能夠很好地模擬旋耕作業工況。

(2)在混合動力模式下，未啟動發動機發電機組時，電池電流為-16.4～-7.5 A，啟動后，電流為-2.1～7.4 A，且電池電壓和SOC也逐漸增大。發動機發電機組轉速范圍為1 590～1 606 r/min，與設定值最大相對誤差為0.625%。表明該平臺可以為不同驅動結構的研究提供試驗，進一步說明通信模塊化和控制策略模塊化設計方法的合理可行性。