CN109733175B - 一种园艺电动拖拉机双电机动力汇流的控制装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电动拖拉机双电机动力汇流的控制装置及方法，涉及电动拖拉机领域，该装置包括动力电池组、电机控制器、行走电机、PTO电机以及动力汇流变速箱；该控制装置通过控制动力汇流变速箱第三轴上的湿式离合器的工作状态，来确定双电机动力汇流系统的驱动模式。该控制系统主要包括整车控制器、电机控制器、提升电机控制器以及湿式离合器控制油路等。该控制方法在某工况下，整车控制器通过采集参数信息，来分析计算电动拖拉机所受负载转矩，与单电机在高效率区间的最大目标转矩T_emax和和最小目标转矩T_emin作比较，进而通过控制离合器的工作状态，来确定双电机动力汇流系统的驱动模式，实现经济性和动力性的最优控制。

Description

一种园艺电动拖拉机双电机动力汇流的控制装置及方法

技术领域

本发明属于电动拖拉机领域，涉及一种电动拖拉机双电机动力汇流的控制装置及方法。

背景技术

随着设施园艺、果园与茶园规模逐年增长，其生产劳动强度大、作业标准化程度高、作业功能多样，基于传统拖拉机平台的园艺拖拉机在整机布置、排放性能、动力传动等方面已经不能适应现代果园或茶园生产与管理的需要。在新的战略背景与新技术发展的驱动下，有必要加大对园艺电动拖拉机技术的研究，推动园艺电动拖拉机向智能化、自动化、环保化与绿色化方向发展。

园艺电动拖拉机的牵引性能、使用经济性性能的好坏，很大程度上取决于驱动系统结构型式、系统参数的匹配及控制方法。因此研究电动拖拉机的传动系统控制策略具有重要的理论意义与实用价值。而目前在纯电动驱动方式上，有的是采用单电机和变速箱，有的是采用多电机分布式驱动，即电机分别驱动前后桥或者驱动轮。目前主要存在的不足之处在于，由于拖拉机需要完成多种大负荷的农田作业，所受到的负荷波动频繁，需要能适时地适应负荷和行驶阻力的不断变化而调整输出的转矩，保证拖拉机的动力性。以上两种驱动结构驱动模式单一，无法进行多驱动模式切换。此外，若是单电机加变速箱，可能会导致变速箱的结构复杂，同时也会加大对驱动电机的要求。若是多电机分布式驱动，可能增加了对整车驱动系统的控制难度。该方法主要是根据拖拉机所需要克服的负载转矩，来进行动力分汇流驱动模式的选取，最终达到最优控制。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提出了一种园艺电动拖拉机双电机动力汇流驱动系统的控制方法。不仅实现了电动拖拉机不同驱动模式之间的切换，而且能够协调两个电机的工作区域，提高两个电机的工作效率，全面提高园艺电动拖拉机的动力性和经济性，完全满足现代果园或者茶园生产与管理的要求。

为了实现上述目标，本发明采用如下技术方案：

一种园艺电动拖拉机双电机动力汇流的控制装置，包括行走电机、PTO电机、离合器、驱动行走轴和动力输出轴、第一主动齿轮、第一从动齿轮、第二从动齿轮、第二主动齿轮、第三主动齿轮与第三从动齿轮；所述第一从动齿轮与第二从动齿轮安装在驱动行走轴上；第三从动齿轮安装在动力输出轴上；所述第一主动齿轮安装在与行走电机输出轴通过联轴器连接的轴上，第三主动齿轮与第二主动齿轮安装在与PTO电机输出轴通过联轴器连接的轴上，且第二主动齿轮与第三主动齿轮之间设置有离合器，离合器控制第二从动齿轮所在轴与第三主动齿轮轴的连接与断开；所述第二主动齿轮与第二从动齿轮处于常啮合状态。

进一步的，所述离合器为湿式离合器，通过湿式离合器控制油路控制湿式离合器的分离与结合；所述湿式离合器控制油路包括液压阀、液压油缸、油箱和液压泵。

进一步的，所述第一主动齿轮与第二主动齿轮啮合；第三主动齿轮与第三从动齿轮啮合。

进一步的，还包括加速踏板位置传感器、制动踏板位置传感器、车速传感器、安装在提升拉杆上的提升装置角度传感器、行走电机转速传感器、PTO电机转速传感器、行走电机控制器、PTO电机控制器、提升电机控制器、湿式离合器操纵机构控制器、电池管理系统和整车控制器。

进一步的，车速传感器是用实时记录拖拉机行驶速度；提升装置角度传感器是用于记录拖拉机后提升装置中提升杆的转动角度，以计算出农具的作业深度；行走电机转速传感器是用于实时检测行走电机的输出转速，PTO电机转速传感器是用于实时检测PTO电机的输出转速，当行走电机、PTO电机的转速到达一定关系时，进行驱动系统模式切换操作；湿式离合器操纵机构控制器是用于控制湿式离合器的结合与分离。

一种园艺电动拖拉机双电机动力汇流的控制方法，包括如下步骤：

步骤一：整车控制器通过系统自检，若检测到无严重故障，则启动拖拉机，整车控制器、提升装置控制器、电机控制器进行信息交互，确定整车的运行状态；

步骤二：将分析计算得到的整车所需克服负载转矩T_f与单电机目标转矩T_e作比较，进行驱动模式选择，并生成控制指令，将生成的控制指令通过CAN通讯传递给湿式离合器操纵机构控制器，确定湿式离合器的工作状态，实现双电机动力分汇流驱动；

步骤三：整车控制器接收各控制器的反馈信息，与其余控制器共同实现闭环控制。

进一步的，步骤二中，通过提升装置角度传感器实时采集拖拉机提升装置提升杆的角度变化，得到机具的作业深度h，依据拖拉机作业参数：作业耕深h、作业幅宽b_n、整车速度v以及土壤比阻k，计算出该工况下整车所需要克服的负载转矩T_f，即T_f＝a·k·Z·b_n·h·r；再建立电机输出转矩T_e与动力源输出电流i的函数关系式，即T_e＝K·i；然后，根据整车需要满足输出转矩T_e与负载转矩T_f的关系式，最终得到电流i与整车所需负载转矩T_f的关系式，即K·i-a·k·Z·b_n·h·r>0；通过调节动力源输出电流i的大小，来实现兼顾动力性和经济性的最优控制。

进一步的，步骤二中，计算出的整车所需要克服的负载转矩T_f，与行走电机在高效率区间的最大目标转矩T_emax和最小目标转矩T_emin作比较：

双电机动力汇流驱动模式：所需要克服的负载转矩T_f大于单电机最大目标转矩T_emax，即：T_f>T_emax，则需要进行模式切换，进入双电机动力汇流驱动模式，此大负载模式下需要优先保证拖拉机的动力性；

单电机驱动模式：所需要克服的负载转矩T_f小于最小目标转矩T_emin，即：T_f<T_emin，则继续进行单电机驱动模式，此模式兼顾动力性和经济性；

根据电流确定的驱动模式：所需要克服的负载转矩在两目标转矩之间，即：T_emin<T_f<T_emax，依据单电机工作时的电流i与双电机同时工作时的电流之和i₁+i₂，进行对比判断，做出是否进行模式切换，此模式下不仅保证整车的动力性，最重要的是提高整车的经济性。

进一步的，针对同一负载转矩，则所需电机的输出转矩是一定的，则需判断两种模式下电池组输出的总电流i大小：

1)当双电机同时工作时，双电机的电流分别为i₁和i₂，即i＝i₁+i₂；

2)当单电机单独工作时，电机的电流为i＝i’；

当电流i’>i₁+i₂时，考虑经济性要求，则需要进行模式切换，单电机驱动模式切换到双电机驱动模式；

当电流i’<i₁+i₂时，考虑经济性要求，则需要继续保持单电机驱动模式，不进行模式切换。

若两电机都处于正常工作状态，则通过调节动力电池的输出电流i，控制电机的输出转矩T_e，最终达到满足整车的动力性和经济性的要求。但当某电机出现了故障，单电机的输出转矩无法满足大负载作业时，整车控制器与各控制器通过CAN进行信息交互，通过减小机具作业深度h以及降低车速v等，达到减小整车所需要克服的负载转矩T_f，优先保证拖拉机能正常行走。

本发明的有益效果：

1、电动拖拉机的驱动电机在选型及匹配的过程中主要考虑整车的动力性要求，这样会导致驱动电机往往选的比较大，这就容易出现“大马拉小车”的现象。但本方案可以利用两个小的电机来实现大转矩的输出，同时，也简化了驱动系统的结构。

2、双电机动力汇流驱动系统，不仅仅能够提供多种驱动模式，而且在大负载下还可以将两个电机的维持在高效率区域工作，提高了电机的工作效率，避免出现电机由于温度过高导致电机效率下降的现象，进而能够获得优良的经济性。

3、目前市场上成熟的双电机动力汇流控制方法是都用于电动汽车，绝大部分都是把速度作为模式切换的出发点，本发明从拖拉机所需要克服负载转矩出发，把单电机在高效率区间的目标转矩作为模式切换的出发点，有利于提升园艺电动拖拉机双电机动力汇流驱动系统控制方法的研究水平。

附图说明

图1为双电机动力耦合机构机构简图；

图2为双电机动力汇流驱动系统控制方法流程图；

图3为双电机同时工作时的原理图；

图4为单电机工作时的原理图。

附图标记如下：

1-第一主动齿轮；2-第一从动齿轮；3-第二主动齿轮；4-第二从动齿轮；5-第三主动齿轮；6-第三从动齿轮；7-行走电机；8-PTO电机；9-离合器；10-驱动行走轴；11-动力输出轴。

具体实施方式

为对本发明做进一步的了解，现结合附图做如下说明：

结合附图1，一种园艺电动拖拉机双电机动力汇流的控制装置，包括行走电机7、PTO电机8、离合器9、驱动行走轴10和动力输出轴11、第一主动齿轮1、第一从动齿轮2、第二从动齿轮4、第二主动齿轮3、第三主动齿轮5与第三从动齿轮6；所述第一从动齿轮2与第二主动齿轮3安装在驱动行走轴10上；第三从动齿轮6安装在动力输出轴11上；所述第一主动齿轮1安装在与行走电机输出轴10通过联轴器连接的轴上，第三主动齿轮5与第二从动齿轮4安装在与PTO电机8输出轴通过联轴器连接的轴上，且第二从动齿轮4与第三主动齿轮5之间设置有离合器9，离合器9控制第二从动齿轮4所在轴与第三主动齿轮5轴的连接与断开；所述第二主动齿轮3与第二从动齿轮4处于常啮合状态。

所述离合器为湿式离合器，通过湿式离合器控制油路控制湿式离合器的分离与结合；所述湿式离合器控制油路包括液压阀、液压油缸、油箱和液压泵。所述第一主动齿轮1与第一从动齿轮2啮合；第三主动齿轮5与第三从动齿轮6啮合。还包括加速踏板位置传感器、制动踏板位置传感器、车速传感器、安装在提升拉杆上的提升装置角度传感器、行走电机转速传感器、PTO电机转速传感器、行走电机控制器、PTO电机控制器、提升电机控制器、湿式离合器操纵机构控制器、电池管理系统和整车控制器。

车速传感器是用实时记录拖拉机行驶速度；提升装置角度传感器是用于记录拖拉机后提升装置中提升杆的转动角度，以计算出农具的作业深度；行走电机转速传感器是用于实时检测行走电机的输出转速，PTO电机转速传感器是用于实时检测PTO电机的输出转速，当行走电机7、PTO电机8的转速到达一定关系时，进行驱动系统模式切换操作；湿式离合器操纵机构控制器是用于控制湿式离合器的结合与分离。

结合附图2，一种园艺电动拖拉机双电机动力汇流的控制方法，包括如下步骤：

步骤一：整车控制器通过系统自检，若检测到无严重故障，则启动拖拉机，整车控制器、提升装置控制器、电机控制器进行信息交互，确定整车的运行状态；

步骤二：将分析计算得到的整车所需克服负载转矩T_f与单电机目标转矩T_e作比较，进行驱动模式选择，并生成控制指令，将生成的控制指令通过CAN通讯传递给湿式离合器操纵机构控制器，确定湿式离合器的工作状态，实现双电机动力分汇流驱动；

步骤三：整车控制器接收各控制器的反馈信息，与其余控制器共同实现闭环控制。

进一步的，步骤二中，通过提升装置角度传感器实时采集拖拉机提升装置提升杆的角度变化，得到机具的作业深度h，依据拖拉机作业参数：作业耕深h、作业幅宽b_n、整车速度v以及土壤比阻k，计算出该工况下整车所需要克服的负载转矩T_f，即T_f＝a·k·Z·b_n·h·r；再建立电机输出转矩T_e与动力源输出电流i的函数关系式，即T_e＝K·i；然后，根据整车需要满足输出转矩T_e与负载转矩T_f的关系式，最终得到电流i与整车所需负载转矩T_f的关系式，即K·i-a·k·Z·b_n·h·r>0；通过调节动力源输出电流i的大小，来实现兼顾动力性和经济性的最优控制。

进一步的，步骤二中，计算出的整车所需要克服的负载转矩T_f，与行走电机在高效率区间的最大目标转矩T_emax和最小目标转矩T_emin作比较：

双电机动力汇流驱动模式：所需要克服的负载转矩T_f大于单电机最大目标转矩T_emax，即：T_f>T_emax，则需要进行模式切换，进入双电机动力汇流驱动模式，此大负载模式下需要优先保证拖拉机的动力性；

单电机驱动模式：所需要克服的负载转矩T_f小于最小目标转矩T_emin，即：T_f<T_emin，则继续进行单电机驱动模式，此模式兼顾动力性和经济性；

根据电流确定的驱动模式：所需要克服的负载转矩在两目标转矩之间，即：T_emin<T_f<T_emax，依据单电机工作时的电流i与双电机同时工作时的电流之和i₁+i₂，进行对比判断，做出是否进行模式切换，此模式下不仅保证整车的动力性，最重要的是提高整车的经济性。

其中：T_f：整车所需要克服的负载转矩；T_emin：单电机最小目标转矩；T_emax：单电机最大目标转矩；i：单电机工作时，动力电池的输出电流；i₁：双电机同时工作时，行走电机的输入电流；i₂：双电机同时工作时，PTO电机的输入电流。

结合附图3与4，针对同一负载转矩，则所需电机的输出转矩是一定的，则需判断两种模式下电池组输出的总电流i大小：

1)当双电机同时工作时，双电机的电流分别为i₁和i₂，即i＝i₁+i₂；

2)当单电机单独工作时，电机的电流为i＝i’；

当电流i’>i₁+i₂时，考虑经济性要求，则需要进行模式切换，单电机驱动模式切换到双电机驱动模式；

当电流i’<i₁+i₂时，考虑经济性要求，则需要继续保持单电机驱动模式，不进行模式切换。

若两电机都处于正常工作状态，则通过调节动力电池的输出电流i，控制电机的输出转矩T_e，最终达到满足整车的动力性和经济性的要求。但当某电机出现了故障，单电机的输出转矩无法满足大负载作业时，整车控制器与各控制器通过CAN进行信息交互，通过减小机具作业深度h以及降低车速v等，达到减小整车所需要克服的负载转矩T_f，优先保证拖拉机能正常行走。

结合附图3和4，不同模式下各执行元件的工作状态以及动力传动路线，如下表所示：

针对同一负载转矩，则所需电机的输出转矩是一定的，则需判断两种模式下电池组输出的总电流i大小。

1)当双电机同时工作时，双电机的电流分别为i₁和i₂，即i＝i₁+i₂；

2)当单电机单独工作时，电机的电流为i＝i’。

当电流i’>i₁+i₂时，考虑经济性要求，则需要进行模式切换，单电机驱动模式切换到双电机驱动模式；

当电流i’<i₁+i₂时，考虑经济性要求，则需要继续保持单电机驱动模式，不进行模式切换。

若两电机都处于正常工作状态，则通过调节动力电池的输出电流i，控制电机的输出转矩T_e，最终达到满足整车的动力性和经济性的要求。但当某电机出现了故障，单电机的输出转矩无法满足大负载作业时，整车控制器与各控制器通过CAN进行信息交互，通过减小机具作业深度h以及降低车速v等，达到减小整车所需要克服的负载转矩T_f，优先保证拖拉机能正常行走。

当电动拖拉机需要进行大负荷作业时，即单电机无法满足整车负载转矩要求时，PTO电机E2启动，然后将湿式离合器K由分离切换至结合状态，整车进入到双电机动力耦合驱动模式，即可满足电动拖拉机大转矩的工作要求。为了让离合器K可以平稳结合，需满足如下条件：

式中：n₁：行走电机E1的转速；n₂：PTO电机E₂的转速；i₁：第一主动齿轮1与第一从动齿轮2的传动比；i₂：第二主动齿轮3与第二从动齿轮4的传动比。

所述实施例为本发明的优选的实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种电动拖拉机双电机动力汇流的控制装置的控制方法,其特征在于，包括如下步骤：

步骤一：整车控制器通过系统自检，若检测到无严重故障，则启动拖拉机，整车控制器、提升装置控制器、电机控制器进行信息交互，确定整车的运行状态；

步骤二：将分析计算得到的整车所需克服负载转矩T_f与单电机目标转矩T_e作比较，进行驱动模式选择，并生成控制指令，将生成的控制指令通过CAN通讯传递给湿式离合器操纵机构控制器，确定湿式离合器的工作状态，实现双电机动力分汇流驱动；

步骤三：整车控制器接收各控制器的反馈信息，与其余控制器共同实现闭环控制；实现控制方法还包括行走电机(7)、PTO电机(8)、离合器(9)、驱动行走轴(10)和动力输出轴(11)、第一主动齿轮(1)、第一从动齿轮(2)、第二从动齿轮(4)、第二主动齿轮(3)、第三主动齿轮(5)与第三从动齿轮(6)；所述第一从动齿轮(2)与第二主动齿轮(3)安装在驱动行走轴(10)上；第三从动齿轮(6)安装在动力输出轴(11)上；所述第一主动齿轮(1)安装在与行走电机(7)通过联轴器连接的轴上，第三主动齿轮(5)与第二从动齿轮(4)安装在与PTO电机(8)输出轴通过联轴器连接的轴上，且第二从动齿轮(4)与第三主动齿轮(5)之间设置有离合器(9)，离合器(9)控制第二从动齿轮(4)所在轴与第三主动齿轮(5)轴的连接与断开；所述第二主动齿轮(3)与第二从动齿轮(4)处于常啮合状态。

2.根据权利要求1所述的电动拖拉机双电机动力汇流的控制装置的控制方法，其特征在于，通过湿式离合器控制油路控制湿式离合器的分离与结合；所述湿式离合器控制油路包括液压阀、液压油缸、油箱和液压泵。

3.根据权利要求1所述的电动拖拉机双电机动力汇流的控制装置的控制方法，其特征在于，所述第一主动齿轮(1)与第一从动齿轮(2)啮合；第三主动齿轮(5)与第三从动齿轮(6)啮合。

4.根据权利要求1所述的电动拖拉机双电机动力汇流的控制装置的控制方法，其特征在于，还包括加速踏板位置传感器、制动踏板位置传感器、车速传感器、安装在提升拉杆上的提升装置角度传感器、行走电机转速传感器、PTO电机转速传感器、行走电机控制器、PTO电机控制器、提升电机控制器、湿式离合器操纵机构控制器、电池管理系统和整车控制器。

5.根据权利要求4所述的电动拖拉机双电机动力汇流的控制装置的控制方法，其特征在于，车速传感器是用实时记录拖拉机行驶速度；提升装置角度传感器是用于记录拖拉机后提升装置中提升杆的转动角度，以计算出农具的作业深度；行走电机转速传感器是用于实时检测行走电机的输出转速，PTO电机转速传感器是用于实时检测PTO电机的输出转速，当行走电机(7)、PTO电机(8)的转速到达一定关系时，进行驱动系统模式切换操作；湿式离合器操纵机构控制器是用于控制湿式离合器的结合与分离。

6.根据权利要求1所述的电动拖拉机双电机动力汇流的控制装置的控制方法，其特征在于，步骤二中，通过提升装置角度传感器实时采集拖拉机提升装置提升杆的角度变化，得到机具的作业深度h，依据拖拉机作业参数：作业耕深h、作业幅宽b_n、整车速度v以及土壤比阻k，比例系数a与土壤系数有关，犁铧数Z，车轮半径r，从而计算出整车所需要克服的负载转矩T_f，即T_f＝a·k·Z·b_n·h·r；再建立电机输出转矩T_e与动力源输出电流i的函数关系式，即T_e＝K·i；其中，K为电机转矩输出系数，与电机内部结构相关，然后，根据整车需要满足输出转矩T_e与负载转矩T_f的关系式，最终得到电流i与整车所需负载转矩T_f的关系式，即K·i-a·k·Z·b_n·h·r>0；通过调节动力源输出电流i的大小，来实现兼顾动力性和经济性的最优控制。

7.根据权利要求6所述的电动拖拉机双电机动力汇流的控制装置的控制方法，其特征在于，步骤二中，计算出的整车所需要克服的负载转矩T_f，与行走电机在高效率区间的最大目标转矩T_emax和最小目标转矩T_emin作比较：

双电机动力汇流驱动模式：所需要克服的负载转矩T_f大于单电机最大目标转矩T_emax，即：T_f>T_emax，则需要进行模式切换，进入双电机动力汇流驱动模式，此大负载模式下需要优先保证拖拉机的动力性；

单电机驱动模式：所需要克服的负载转矩T_f小于最小目标转矩T_emin，即：T_f<T_emin，则继续进行单电机驱动模式，此模式兼顾动力性和经济性；

根据电流确定的驱动模式：所需要克服的负载转矩在两目标转矩之间，即：T_emin<T_f<T_emax，依据单电机工作时的电流i与双电机同时工作时的电流之和i₁+i₂，进行对比判断，做出是否进行模式切换，此模式下不仅保证整车的动力性，最重要的是提高整车的经济性。

8.根据权利要求7所述的电动拖拉机双电机动力汇流的控制装置的控制方法，其特征在于，针对同一负载转矩，则所需电机的输出转矩是一定的，则需判断两种模式下电池组输出的总电流i大小：

1)当双电机同时工作时，双电机的电流分别为i₁和i₂，即i＝i₁+i₂；

2)当单电机单独工作时，电机的电流为i＝i’；

当电流i’>i₁+i₂时，考虑经济性要求，则需要进行模式切换，单电机驱动模式切换到双电机驱动模式；

当电流i’<i₁+i₂时，考虑经济性要求，则需要继续保持单电机驱动模式，不进行模式切换。

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