拖拉機的電動機高效運行控制方法及系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及拖拉機的電動機高效運行控制方法及系統(tǒng)，方法是采集拖拉機油門踏板開度及檔桿位置信號；根據(jù)油門踏板開度及檔桿位置信號求得期望牽引力、期望輸出轉(zhuǎn)矩；根據(jù)期望輸出轉(zhuǎn)矩以電動機效率的數(shù)學模型為優(yōu)化目標進行搜索尋優(yōu)，得到電動機效率最大時的期望輸出轉(zhuǎn)速；將期望輸出轉(zhuǎn)速、期望輸出轉(zhuǎn)矩輸入電動機控制器，對電動機的運行進行控制；基于拖拉機的電動機模型以及整車數(shù)學模型，處理模塊為模糊控制器和智能處理模塊，因此實驗投入成本、開發(fā)成本小，適用于我國拖拉機電控技術不發(fā)達的現(xiàn)狀，且無須開發(fā)龐大的專家系統(tǒng)；且控制結(jié)果可以使電動機始終運行在效率最高區(qū)域附近，可以顯著提高電傳動效率，有效降低油耗，實現(xiàn)節(jié)能減排。
【專利說明】拖拉機的電動機高效運行控制方法及系統(tǒng)
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種拖拉機的電動機高效運行控制方法、控制系統(tǒng)。
【背景技術】
[0002]節(jié)能和環(huán)保是我國以及當今世界工業(yè)【技術領域】的兩個重要主題。應對今天世界范圍內(nèi)的能源短缺問題與溫室氣體排放問題，節(jié)能和高效成為了現(xiàn)代工業(yè)產(chǎn)品的主流趨勢。拖拉機作為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的主要動力，擔當著諸如農(nóng)田建設、犁耕、中耕、植保、收獲等農(nóng)業(yè)任務。我國的拖拉機保有量逐年增加，2010年底，全國大中型拖拉機保有量近400萬臺，小型拖拉機保有量近2000萬臺。盡管我國農(nóng)業(yè)機械化在“十一五”期間取得了長足發(fā)展，但與發(fā)達國家相比仍有較大差距，整體水平依然不高；與在工業(yè)化、城鎮(zhèn)化深入發(fā)展中同步推進農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的重大要求相比尚存諸多差距；與建設社會主義新農(nóng)村的任務要求還不相適應，面臨諸多矛盾和問題，“十二五”規(guī)劃明確提出，經(jīng)濟有效，節(jié)約資源、保護環(huán)境為農(nóng)業(yè)機械技術的發(fā)展目標之一。
[0003]國內(nèi)外對于混合動力拖拉機的研發(fā)處于起步階段，國外僅有展會展覽的個別樣機。由于我國農(nóng)業(yè)經(jīng)濟特點與發(fā)達國家存在許多差異，農(nóng)業(yè)機械產(chǎn)品對于節(jié)能和高效的需求更大?；旌蟿恿ν侠瓩C作為傳統(tǒng)拖拉機向純電動拖拉機過渡的產(chǎn)品，具有易于在原產(chǎn)品上改裝，且易改裝為純電動拖拉機的優(yōu)點。相較傳統(tǒng)拖拉機，混合動力拖拉機具有多種能源系統(tǒng)，可實現(xiàn)靈活多變的能量管理，為能源的高效利用提供了可能性；且由于電能的參與，可節(jié)省一部分燃油消耗。相較純電動拖拉機，混合動力拖拉機具有更好的續(xù)航能力，在電池技術和充電技術取得更大技術突破之前，混合動力拖拉機對于實際生產(chǎn)的意義更大。
[0004]對比混合動力汽車的控制方式,針對轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩作為動力輸出的車輛動力學系統(tǒng)，汽車作為交通工具，其路況相比拖拉機較好，而且使用串聯(lián)混合動力的汽車的目標主要在于節(jié)能減排，通常用于城市交通工具，工況主要變化在于車速，對于轉(zhuǎn)矩的變化通常不大。而車速取決于駕駛員意圖，所以采用這種基于轉(zhuǎn)矩的控制方式將導致整車犧牲車速的靈活變化，無法使用于汽車。相比電控系統(tǒng)，其核心ECU關鍵在于信號處理模塊，國內(nèi)之所以ECU方面技術相對國外落后的原因就是在于電控技術的類似于專家系統(tǒng)的控制系統(tǒng)的處理模塊沒有掌握核心技術，專家系統(tǒng)的建立很復雜。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的第一目的是提供一種拖拉機的電動機高效運行控制方法，使傳動系統(tǒng)中的牽引電動機始終以效率較高的工況運行，解決現(xiàn)有方式需建立復雜專家系統(tǒng)的難題。
[0006]本發(fā)明的第二目的是提供一種拖拉機的電動機高效運行控制方法控制系統(tǒng)，以使拖拉機的電動機運行在高效率工況下，提高能量使用效率，實現(xiàn)節(jié)能減排。
[0007]為實現(xiàn)第一發(fā)明目的，本發(fā)明的拖拉機的電動機高效運行控制方法步驟如下；
[0008]( I)采集拖拉機油門踏板開度及檔桿位置信號；
[0009](2)根據(jù)油門踏板開度及檔桿位置信號求得期望牽引力、期望輸出轉(zhuǎn)矩；[0010](3)第一種方式:根據(jù)期望輸出轉(zhuǎn)矩以電動機效率的數(shù)學模型為優(yōu)化目標進行搜索尋優(yōu)，得到電動機效率最大時的期望輸出轉(zhuǎn)速；或者是第二種方式:采用針對電動機效率的實驗并進行回歸分析得到相關最高效率的分段函數(shù)，根據(jù)期望牽引力求的期望車速，根據(jù)當前傳動比得到該期望車速下的期望輸出轉(zhuǎn)速；
[0011](4)將期望輸出轉(zhuǎn)速、期望輸出轉(zhuǎn)矩輸入電動機控制器，對電動機的運行進行控制。
[0012]所述步驟(2)中是根據(jù)油門踏板開度大小占踏板最大開度的比例估算駕駛員期望輸出轉(zhuǎn)矩，設踏板深度為A，最大開度為B，n檔位下的最大有效牽引力為Fmax.n，此時期望牽
引力大小估算為=根據(jù)當前傳動比得到該期望牽引力下的期望輸
出轉(zhuǎn)矩。
[0013]所述步驟(3)的第一種方式中以牽引電動機效率的理論數(shù)學模型作為目標函數(shù)，對以期望牽引力為中心的正負F kN (Fwant- F，F(xiàn)want+ F )為范圍采用智能區(qū)域搜索算法進行搜索尋優(yōu)，得到搜索范圍內(nèi)使目標函數(shù)最優(yōu)即電動機效率最高時的工作點(Fbest，Vbest),其中Fbest e (Fwant- F，F(xiàn)want+ F )，以Vbest代替Fwant下的使牽引電動機最高效運行的期望車速，當前傳動比得到該期望車速下的期望輸出轉(zhuǎn)速。
[0014]所述步驟(3)的第二種方式是通過設計實驗繪制不同檔位下電動機的運行效率曲線，通過采集電機臺架試驗以及負載試驗數(shù)據(jù)繪制等效率曲線的方式得到一條平滑的曲線，使該曲線通過電機運行高效率曲線區(qū)域；采集曲線上的點，進行回歸分析，擬合相關函數(shù)，以得到不同檔位下的分段函數(shù)。
[0015]所述步驟(4)之后，定時采集拖拉機油門踏板開度及檔桿位置信號，判斷是否需要重新進行期望輸出轉(zhuǎn)速的計算，如果是，則重新執(zhí)行步驟(2)至(4)，電動機控制器采用新的期望輸出轉(zhuǎn)速進行控制；如果不是，電動機控制器采用上次的期望輸出轉(zhuǎn)速進行控制。
[0016]進一步的，對是否需要重新進行期望輸出轉(zhuǎn)速的計算是首先判斷檔桿位置是否變化，若是變化則需重新計算，若是沒有變化則再采用關于踏板開度、踏板開度變化率構(gòu)成的模糊規(guī)則進行判斷。
[0017]為實現(xiàn)第二發(fā)明目的，本發(fā)明的拖拉機的電動機高效運行控制系統(tǒng)包括電動機控制器，包括用于采集油門踏板的位置信號的踏板位置傳感器、用于采集檔桿位置信號的檔桿位置傳感器和智能處理模塊，該智能處理模塊采用尋優(yōu)搜索算法對以期望牽引力為中心正負某范圍牽引力內(nèi)的電動機效率進行尋優(yōu)或者采用針對電動機效率的實驗并進行回歸分析得到相關最高效率的分段函數(shù)，得到電動機效率最大時的期望輸出轉(zhuǎn)速連同期望轉(zhuǎn)矩輸入電動機控制器；所述踏板位置傳感器、檔桿位置傳感器和智能處理模塊之間采用CAN總線作為通信總線。
[0018]進一步的，還包括用于判斷是否需要重新進行期望輸出轉(zhuǎn)速計算的邏輯模塊控制器，該邏輯模塊控制器包括模糊化算法模塊、推理模塊、解模糊模塊。
[0019]進一步的，還包括用于測量行駛速度信號的轉(zhuǎn)速傳感器和用于間接測量負載牽引力信號的轉(zhuǎn)矩傳感器，該轉(zhuǎn)矩傳感器和轉(zhuǎn)速傳感器輸出連接電動機控制器。
[0020]進一步的，所述踏板位置傳感器采用磁阻式角度傳感器，安裝于踏板位置；所述檔桿位置傳感器采用壓電式傳感器，貼于檔桿導向框板各檔位置槽內(nèi)側(cè)，當檔桿進入該檔位的槽內(nèi)時，觸碰擠壓壓電傳感器，產(chǎn)生此時的檔桿位置信號；所述轉(zhuǎn)速傳感器采用磁電式轉(zhuǎn)速傳感器，所述轉(zhuǎn)矩傳感器采用金屬電阻應變片轉(zhuǎn)矩傳感器。
[0021]本發(fā)明的拖拉機的電動機高效運行控制方法及控制系統(tǒng)，基于拖拉機的電動機模型以及整車數(shù)學模型，處理模塊為模糊控制器和智能處理模塊(智能算法單片機軟件實現(xiàn))，因此實驗的投入成本較小，開發(fā)成本也較小，而且適用于我國拖拉機電控技術不發(fā)達的現(xiàn)狀，且無須開發(fā)龐大的專家系統(tǒng)；且控制結(jié)果可以使電動機始終運行在效率最高區(qū)域附近，可以顯著提高電傳動效率，有效降低油耗，實現(xiàn)節(jié)能減排。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0022]圖1是本發(fā)明控制系統(tǒng)實施例的系統(tǒng)圖；
[0023]圖2是本發(fā)明邏輯模糊控制器控制流程圖；
[0024]圖3是某180馬力拖拉機所配牽引電機一檔下理論運行特性圖；
[0025]圖4是某180馬力拖拉機所配牽引電機三檔下理論運行特性圖；
[0026]圖5是踏板開度變化率隸屬度函數(shù)表示圖；
[0027]圖6是踏板開度隸屬度函數(shù)標示圖。[0028]圖2中:init代表初始化，hold代表保持，(^和ωη+1分別代表保持N秒周期下的期望轉(zhuǎn)速和N秒內(nèi)發(fā)生工況突變后的期望轉(zhuǎn)速，ΡΤη+1代表信號發(fā)生工況突變時的期望牽引力。
【具體實施方式】
[0029]一、拖拉機的電動機高效運行控制系統(tǒng)
[0030]拖拉機的電動機高效運行控制系統(tǒng)如圖1所示，該系統(tǒng)適用于采用手動變速器的拖拉機；或用于在保留動力橋和車身結(jié)構(gòu)的基礎上以現(xiàn)有傳統(tǒng)機型為裝機對象的串聯(lián)混合動力傳動系。
[0031]拖拉機的電動機高效運行控制系統(tǒng)包括踏板1、踏板位置傳感器2、通信總線3、邏輯模糊控制器4、電機控制器5、牽引電動機6、智能處理模塊7、變速器輸出軸8、轉(zhuǎn)速傳感器9、轉(zhuǎn)矩傳感器10、變速器11、變速器輸入軸12、倒檔位置傳感器13、4檔位置傳感器14、3檔位置傳感器15、2檔位置傳感器16、I檔位置傳感器17和離合器18。
[0032]智能處理模塊7采用尋優(yōu)搜索算法對以期望牽引力為中心正負某范圍牽引力內(nèi)的電動機效率進行尋優(yōu)或者采用針對電動機效率的實驗并進行回歸分析得到相關最高效率的分段函數(shù)，得到電動機效率最大時的期望輸出轉(zhuǎn)速連同期望轉(zhuǎn)矩輸入電動機控制器；智能處理模塊7可分析期望牽引力下使電動機高效運行的行駛速度，以便得出電機高效運行下的參照輸出轉(zhuǎn)速；踏板位置傳感器2、檔桿位置傳感器(包括1-4檔及倒檔位置傳感器)、邏輯模塊控制器4和智能處理模塊7之間采用CAN總線作為通信總線3。
[0033]邏輯模塊控制器4包括模糊化算法模塊、推理模塊、解模糊模塊。
[0034]轉(zhuǎn)速傳感器采用磁電式轉(zhuǎn)速傳感器，安裝于變速器輸出軸旁邊，通過間接測量的方法，測量行駛速度信號，并以此信號作為控制過程的反饋信號之一；轉(zhuǎn)矩傳感器采用金屬電阻應變片轉(zhuǎn)矩傳感器，安裝于變速器輸出軸上，其彈性元件為轉(zhuǎn)軸，轉(zhuǎn)軸的應變可以引起應變片的電阻發(fā)生改變，從而可通過間接測量的方式得到負載牽引力信號，并以此信號作為控制過程的反饋信號之一；轉(zhuǎn)速傳感器和轉(zhuǎn)矩傳感器輸出連接電動機控制器。
[0035]踏板位置傳感器采用磁阻式角度傳感器，安裝于踏板位置，提取瞬間油門踏板的位置信號，將其轉(zhuǎn)化為電信號傳遞給控制模塊，邏輯模糊控制器4和智能處理模塊7憑此信號得出踏板開度變化大小和變化率大??；1檔位置傳感器、2檔位置傳感器、3檔位置傳感器、4檔位置傳感器和倒檔位置傳感器采用壓電式傳感器，貼于檔桿導向框板各檔位置槽內(nèi)偵U，當檔桿進入該檔位的槽內(nèi)時，觸碰擠壓壓電傳感器，產(chǎn)生此時的檔桿位置信號。
[0036]二、拖拉機的電動機高效運行控制方法
[0037]拖拉機的電動機高效運行控制方法的步驟如下；
[0038]( I)通過踏板位置傳感器和檔桿位置傳感器分別采集拖拉機油門踏板開度及檔桿位置信號，并將信號通過CAN總線上傳給邏輯模糊控制器和智能處理模塊；
[0039](2)智能處理模塊根據(jù)油門踏板開度及檔桿位置信號求得期望牽引力、期望輸出轉(zhuǎn)矩；
[0040](3)根據(jù)期望輸出轉(zhuǎn)矩以電動機效率的數(shù)學模型為優(yōu)化目標進行搜索尋優(yōu)，得到電動機效率最大時的期望輸出轉(zhuǎn)速；
[0041](4)將期望輸出轉(zhuǎn)速、期望輸出轉(zhuǎn)矩輸入電動機控制器，對電動機的運行進行控制。
[0042]步驟(2)中是根據(jù)油門踏板開度大小占踏板最大開度的比例估算駕駛員期望輸出轉(zhuǎn)矩(此處期望轉(zhuǎn)矩是指中央傳動處轉(zhuǎn)矩，可以理解為車輪處輸出轉(zhuǎn)矩需求；由于電動機的輸出轉(zhuǎn)矩于車輪后橋處輸出轉(zhuǎn)矩之間，在達到附著極限之前的差別為主減速器和變速器的速比作用，二者之間為定比關系。)。具體方法為，以某180馬力拖拉機為例，設計其傳動系統(tǒng)為:某156kW柴油機/發(fā)電機組作為其主能源，某130kW電動機作為其發(fā)動機，匹配蓄電池組或蓄電池/超級電容組作為輔助電源，以國內(nèi)某品牌180馬力拖拉機為裝機對象，保留其車橋及車身部分，對其設計4檔變速器進行功率變換。經(jīng)理論分析計算和計算機仿真，此串聯(lián)混合動力傳動系滿足原機性能需求。根據(jù)檔桿位置信號判斷當前工況所處檔位，根據(jù)此檔位下的有效牽引力范圍，如圖3、圖4所示，以其踏板最大開度對應該檔位下的最大有效牽引力，以1/N踏板開度對應其牽引力最小值，以其中間的(N-l)/N踏板開度范圍對應其期望牽引力變化范圍。如駕駛員踏踏板深度為A (根據(jù)具體使用的踏板位置傳感器得到)，最大開度為B，n檔位下的最大有效牽引力為Fmax.n，此時駕駛員的期望牽引力大小可估算為:
【權(quán)利要求】
1.拖拉機的電動機高效運行控制方法，其特征在于，該方法的步驟如下； (1)采集拖拉機油門踏板開度及檔桿位置信號； (2)根據(jù)油門踏板開度及檔桿位置信號求得期望牽引力、期望輸出轉(zhuǎn)矩； (3)第一種方式:根據(jù)期望輸出轉(zhuǎn)矩以電動機效率的數(shù)學模型為優(yōu)化目標進行搜索尋優(yōu)，得到電動機效率最大時的期望輸出轉(zhuǎn)速；或者是第二種方式:采用針對電動機效率的實驗并進行回歸分析得到相關最高效率的分段函數(shù)，根據(jù)期望牽引力求的期望車速，根據(jù)當前傳動比得到該期望車速下的期望輸出轉(zhuǎn)速； (4)將期望輸出轉(zhuǎn)速、期望輸出轉(zhuǎn)矩輸入電動機控制器，對電動機的運行進行控制。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的拖拉機的電動機高效運行控制方法，其特征在于，所述步驟(2)中是根據(jù)油門踏板開度大小占踏板最大開度的比例估算駕駛員期望輸出轉(zhuǎn)矩，設踏板深度為A，最大開度為B，n檔位下的最大有效牽引力為Fmax.n，此時期望牽引力大小估算為:
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的拖拉機的電動機高效運行控制方法，其特征在于:所述步驟(3)的第一種方式中以牽引電動機效率的理論數(shù)學模型作為目標函數(shù)，對以期望牽引力為中心的正負F kN (Fwant- F，F(xiàn)want+ F )為范圍采用智能區(qū)域搜索算法進行搜索尋優(yōu)，得到搜索范圍內(nèi)使目標函數(shù)最優(yōu)即電動機效率最高時的工作點(Fbest，Vbest),其中Fbest e (Fwant-F，F(xiàn)want+ F )，以Vbest代替Fwant下的使牽引電動機最高效運行的期望車速，當前傳動比得到該期望車速下的期望輸出轉(zhuǎn)速。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的拖拉機的電動機高效運行控制方法，其特征在于，所述步驟(3)的第二種方式是通過設計實驗繪制不同檔位下電動機的運行效率曲線，通過采集電機臺架試驗以及負載試驗數(shù)據(jù)繪制等效率曲線的方式得到一條平滑的曲線，使該曲線通過電機運行高效率曲線區(qū)域；采集曲線上的點，進行回歸分析，擬合相關函數(shù)，以得到不同檔位下的分段函數(shù)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1-4中任一項所述的拖拉機的電動機高效運行控制方法，其特征在于，所述步驟(4)之后，定時采集拖拉機油門踏板開度及檔桿位置信號，判斷是否需要重新進行期望輸出轉(zhuǎn)速的計算，如果是，則重新執(zhí)行步驟(2)至(4)，電動機控制器采用新的期望輸出轉(zhuǎn)速進行控制；如果不是，電動機控制器采用上次的期望輸出轉(zhuǎn)速進行控制。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的拖拉機的電動機高效運行控制方法，其特征在于，對是否需要重新進行期望輸出轉(zhuǎn)速的計算是首先判斷檔桿位置是否變化，若是變化則需重新計算，若是沒有變化則再采用關于踏板開度、踏板開度變化率構(gòu)成的模糊規(guī)則進行判斷。
7.拖拉機的電動機高效運行控制系統(tǒng)，包括電動機控制器，其特征在于，包括用于采集油門踏板的位置信號的踏板位置傳感器、用于采集檔桿位置信號的檔桿位置傳感器和智能處理模塊，該智能處理模塊采用尋優(yōu)搜索算法對以期望牽引力為中心正負某范圍牽引力內(nèi)的電動機效率進行尋優(yōu)或者采用針對電動機效率的實驗并進行回歸分析得到相關最高效率的分段函數(shù)，得到電動機效率最大時的期望輸出轉(zhuǎn)速連同期望轉(zhuǎn)矩輸入電動機控制器；所述踏板位置傳感器、檔桿位置傳感器和智能處理模塊之間采用CAN總線作為通信總線。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的拖拉機的電動機高效運行控制系統(tǒng)，其特征在于，還包括用于判斷是否需要重新進行期望輸出轉(zhuǎn)速計算的邏輯模塊控制器，該邏輯模塊控制器包括模糊化算法模塊、推理模塊、解模糊模塊。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的拖拉機的電動機高效運行控制系統(tǒng)，其特征在于:還包括用于測量行駛速度信號的轉(zhuǎn)速傳感器和用于間接測量負載牽引力信號的轉(zhuǎn)矩傳感器，該轉(zhuǎn)矩傳感器和轉(zhuǎn)速傳感器輸出連接電動機控制器。
10.根據(jù)權(quán)利要求7-9中任一項所述的拖拉機的電動機高效運行控制系統(tǒng)，所述踏板位置傳感器采用磁阻式角度傳感器，安裝于踏板位置；所述檔桿位置傳感器采用壓電式傳感器，貼于檔桿導向框板各檔位置槽內(nèi)側(cè)，當檔桿進入該檔位的槽內(nèi)時,觸碰擠壓壓電傳感器，產(chǎn)生此時的檔桿位置信號；所述轉(zhuǎn)速傳感器采用磁電式轉(zhuǎn)速傳感器，所述轉(zhuǎn)矩傳感器采用金屬電阻應變片轉(zhuǎn)矩傳感器。`
【文檔編號】B60L15/20GK103625308SQ201310332242
【公開日】2014年3月12日 申請日期:2013年8月1日 優(yōu)先權(quán)日:2013年8月1日
【發(fā)明者】徐立友, 劉孟楠, 周志立, 王偉, 李晴, 方樹平, 劉海亮, 游昆云, 王心彬 申請人:河南科技大學