大功率內(nèi)燃電傳動拖拉機(jī)傳動控制技術(shù)研究

黃 凱，王雪迪，周 鵬，宋君健

(中車大連電力牽引研發(fā)中心有限公司，遼寧 大連 116022)

0 引 言

隨著國家節(jié)能環(huán)保意識的提高和農(nóng)業(yè)規(guī)模化產(chǎn)業(yè)化的需求，農(nóng)機(jī)裝備正朝著電動化、網(wǎng)聯(lián)化和智能化的方向加速發(fā)展，大型化大功率農(nóng)機(jī)得到越來越廣泛的應(yīng)用，市場前景廣闊。

拖拉機(jī)是一種重要的農(nóng)機(jī)裝備，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動中應(yīng)用廣泛。傳統(tǒng)拖拉機(jī)采用內(nèi)燃機(jī)驅(qū)動機(jī)械傳動的方式工作，動力強(qiáng)勁，但是無法實現(xiàn)走行部件和工作部件的解耦，柴油機(jī)不能一直工作在最佳效率區(qū)，傳動損耗較大，效率低。機(jī)械傳動系統(tǒng)不能完全適應(yīng)智能化和網(wǎng)聯(lián)化的發(fā)展需求，操作復(fù)雜，復(fù)雜的傳動結(jié)構(gòu)也需要付出較大的維護(hù)代價。

本文設(shè)計了一種大功率內(nèi)燃電傳動拖拉機(jī)傳動控制系統(tǒng)，系統(tǒng)采用新型傳動方式，由于驅(qū)動功率較大，保留了柴油機(jī)作為穩(wěn)定可靠的動力能量來源，加入發(fā)電機(jī)和電動機(jī)進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換，以電力電子功率器件作為核心驅(qū)動部件，通過電子控制實現(xiàn)傳動系統(tǒng)的能量動態(tài)分配。柴油機(jī)被控制在定速模式，由于柴油機(jī)與整車運動機(jī)構(gòu)完全機(jī)械解耦，通過功率分析設(shè)了一種燃油優(yōu)化策略動態(tài)調(diào)整其給定轉(zhuǎn)速，使其一直工作在效率最優(yōu)模式，降低燃油損耗。采用基于電流反饋線性化和負(fù)載功率前饋的矢量控制技術(shù)實現(xiàn)異步發(fā)電機(jī)的控制和穩(wěn)定直流母線電壓，針對拖拉機(jī)復(fù)雜的運行工況，采用模糊自適應(yīng)策略實現(xiàn)整車的定速控制和坡起輔助控制功能。通過現(xiàn)場試驗證明了本文提出的傳動控制技術(shù)的有效性和可靠性[1]。

1 傳動系統(tǒng)工作原理

1.1 主回路拓?fù)浜凸ぷ髟?/h3>

內(nèi)燃電傳動拖拉機(jī)傳動系統(tǒng)原理圖如圖1所示，系統(tǒng)主要由柴油機(jī) 、三相異步發(fā)電機(jī)、牽引變流器(包括發(fā)電機(jī)側(cè)變流器和電動機(jī)側(cè)變流器)、DCDC變流器和三相異步電動機(jī)組成[2]。

圖1 內(nèi)燃電傳動系統(tǒng)原理圖

系統(tǒng)工作時，柴油機(jī)首先起動運行在定速模式，帶動三相異步發(fā)電機(jī)旋轉(zhuǎn)。然后DCDC變流器工作在升壓模式，把DC12 V控制電壓升高到DC200 V，為變流器直流母線充電。發(fā)電機(jī)變流器起動，通過直流母線DC200 V電壓為異步發(fā)電機(jī)勵磁，勵磁完成后，異步發(fā)電機(jī)工作在制動模式，以直流母線電壓作為外環(huán)控制目標(biāo)，把母線電壓穩(wěn)定在DC910 V，DCDC變流器切換到降壓模式，為系統(tǒng)控制供電和蓄電池充電?？刂破鹘邮盏剿究掌髦噶詈?，電動機(jī)變流器起動，驅(qū)動電動機(jī)旋轉(zhuǎn)帶動拖拉機(jī)運行。系統(tǒng)運行過程中，如果直流母線電壓超過設(shè)定的電壓閾值，制動控制器把制動電阻接入直流母線，抑制母線過壓，保證傳動系統(tǒng)正常運行。

1.2 控制器硬件架構(gòu)

控制器硬件架構(gòu)基于結(jié)構(gòu)化和模塊化的原則進(jìn)行設(shè)計。

拖拉機(jī)傳動控制單元(TCU)實現(xiàn)傳動系統(tǒng)與整車網(wǎng)絡(luò)通信，邏輯控制和保護(hù)，柴油機(jī)轉(zhuǎn)速控制，發(fā)電機(jī)控制和電動機(jī)控制功能。TCU整體結(jié)構(gòu)如圖2所示，分為信號母板和CPU控制板兩部分，兩塊板卡采用疊板的方式組裝。

圖2 TCU整體結(jié)構(gòu)圖

信號母板實現(xiàn)異步發(fā)電機(jī)和電動機(jī)電壓、電流、溫度，逆變器直流母線電壓和逆變器溫度等模擬信號的采集和處理，發(fā)電機(jī)和電動機(jī)轉(zhuǎn)速信號的采集和處理，司控器模擬信號和數(shù)字量輸入輸出信號的采集和處理。

CPU控制板實現(xiàn)控制算法和通信功能，采用ARM+DSP+FPGA的硬件架構(gòu)，合理分配系統(tǒng)任務(wù)資源，提升系統(tǒng)性能[5]。

CPU控制板ARM處理器使用的芯片型號為STM32F417ZG，作為網(wǎng)絡(luò)控制器，使能內(nèi)部2組CAN通信模塊，通過CAN1與DCDC控制器和變流器漏電保護(hù)模塊通信，通過CAN2與司控器和柴油機(jī)控制器通信。通過對輸入模擬和數(shù)字信號的處理，實現(xiàn)拖拉機(jī)整車邏輯判斷保護(hù)和網(wǎng)路控制的功能。ARM處理器同時實現(xiàn)柴油機(jī)轉(zhuǎn)速實時控制功能和柴油機(jī)燃油效率優(yōu)化控制策略。

DSP控制器使用的芯片型號為TI公司的TMS320F28335，實現(xiàn)發(fā)電機(jī)和電動機(jī)矢量控制算法，PWM調(diào)制算法，生成PWM比較值。

FPGA芯片使用XILINX公司SPARTAN6系列，接收DSP生成PWM比較值，通過內(nèi)部三角波比較，輸出逆變器PWM控制信號。FPGA同時實現(xiàn)逆變器和發(fā)電機(jī)電動機(jī)過壓，過流和過溫硬件保護(hù)功能，發(fā)電機(jī)和電動機(jī)轉(zhuǎn)速信號讀取和計算功能。

以上CPU硬件架構(gòu)設(shè)計中，ARM主要負(fù)責(zé)與控制器外部聯(lián)系，其外設(shè)資源豐富，方便讀取和處理通信和硬線信號；DSP只負(fù)責(zé)算法部分，可以充分發(fā)揮其浮點運算能力；FPGA程序固化后運行穩(wěn)定，響應(yīng)速度快，能很好地實現(xiàn)驅(qū)動和硬件保護(hù)功能。同時實現(xiàn)了邏輯和算法、輸入和輸出功能的分離，便于后續(xù)優(yōu)化升級和現(xiàn)場維護(hù)。

2 燃油優(yōu)化控制策略

針對內(nèi)燃電傳動系統(tǒng)的特點，本文設(shè)計了一種燃油效率優(yōu)化控制方法，以提高傳動系統(tǒng)的工作效率。其的核心在于對柴油機(jī)轉(zhuǎn)速的控制，使其一直工作在最優(yōu)效率區(qū)，較少不必要的功率損失和浪費，同時通過柴油機(jī)、發(fā)電機(jī)和負(fù)載電動機(jī)控制的配合，保證系統(tǒng)穩(wěn)定運行。

2.1 柴油機(jī)控制

綜合考慮負(fù)載電動機(jī)功率、柴油機(jī)負(fù)載率和直流母線電壓的約束，柴油機(jī)目標(biāo)轉(zhuǎn)速為

ndisel=f1(Pload)+f2(δload)+f3(Udc)

(1)

式中,ndisel為生成的柴油機(jī)目標(biāo)轉(zhuǎn)速。Pload為負(fù)載功率，包括電動機(jī)輸出功率和補(bǔ)償功率兩部分，補(bǔ)償功率考慮了機(jī)械損耗和動態(tài)過程中功率的過沖，通過臺架試驗標(biāo)定得到。f1為柴油機(jī)轉(zhuǎn)速功率曲線，可以通過查閱柴油機(jī)數(shù)據(jù)手冊得到。δload為柴油機(jī)負(fù)載率，燃油效率優(yōu)化控制的目標(biāo)是在動態(tài)過程中保證柴油機(jī)負(fù)載率一直最高，同時保證系統(tǒng)穩(wěn)定。這里采用簡單的比例控制策略，把目標(biāo)負(fù)載率控制在96%～100%的范圍內(nèi)，當(dāng)負(fù)載率大于100%時迅速升高柴油機(jī)轉(zhuǎn)速，防止柴油機(jī)停機(jī)，當(dāng)負(fù)載率小于96%時，迅速降低柴油機(jī)轉(zhuǎn)速，保證燃油效率最優(yōu)，如:

f2(δload)=Kp*25.0*(0.96-δload)

(2)

Udc為直流母線電壓，為使驅(qū)動系統(tǒng)有足夠的功率輸出，直流母線電壓需要限制在合理的范圍內(nèi)，通過調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速，即柴油機(jī)轉(zhuǎn)速可以提高直流母線電壓，f3(Udc)為根據(jù)母線電壓得到的柴油機(jī)轉(zhuǎn)速補(bǔ)償量，f3與當(dāng)前柴油機(jī)轉(zhuǎn)速和負(fù)載功率相關(guān)，可以采用簡單的比例模型，通過試驗得到近似參數(shù)。

2.2 發(fā)電機(jī)控制

發(fā)電機(jī)采用基于轉(zhuǎn)子磁場定向的矢量控制策略[6]，系統(tǒng)控制框圖如圖3所示。

圖3 轉(zhuǎn)子磁場定向矢量控制策略

系統(tǒng)外環(huán)的控制目標(biāo)是直流母線電壓，當(dāng)拖拉機(jī)處于牽引狀態(tài)運行時，異步發(fā)電機(jī)工作在制動狀態(tài)，柴油機(jī)作為原動機(jī)向系統(tǒng)輸入能量，當(dāng)拖拉機(jī)處于電制動狀態(tài)運行時，異步發(fā)電機(jī)工作在牽引狀態(tài)，一部分能量回饋到柴油機(jī)使其轉(zhuǎn)速升高，本系統(tǒng)所采用的柴油機(jī)能吸收最大30%額定功率的制動能量回饋。

考慮拖拉機(jī)運行工況，為保證負(fù)載突變時直流母線電壓的穩(wěn)定，需要對三相異步發(fā)電機(jī)定子電流勵磁分量和轉(zhuǎn)矩分量精確解耦，同時加入負(fù)載功率前饋，提高系統(tǒng)的動態(tài)性能。文運用反饋線性化的基本方法對異步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)電流內(nèi)環(huán)解耦控制器進(jìn)行設(shè)計[4]，同時加入負(fù)載功率前饋控制策略。

根據(jù)反饋線性化理論，推導(dǎo)出異步電機(jī)二階動態(tài)方程:

(3)

(4)

其中,

(5)

式中,G(x)為系統(tǒng)輸入矩陣:

(6)

(7)

上述推導(dǎo)出的數(shù)學(xué)模型為兩輸入-兩輸出系統(tǒng)，需要根據(jù)多輸入多輸出系統(tǒng)反饋線性化的方式對其進(jìn)行處理。對系統(tǒng)中的非線性耦合部分進(jìn)行分離，首先需要求取系統(tǒng)的相對階，這里系統(tǒng)的相對階為1，對系統(tǒng)輸出進(jìn)行1次微分。

(8)

其中,

Lg1h1(x1)=1/σLs≠0
Lg2h2(x2)=1/σLs≠0

(9)

求得解耦矩陣E(x)。

(10)

矩陣E(x)可逆，于是得到系統(tǒng)輸入變換

(11)

此時，系統(tǒng)輸出和新的輸入的線性關(guān)系為

(12)

基于反饋線性化的電流環(huán)解耦控制方案如圖4所示。

圖4 反饋線性化電流環(huán)解耦控制方案

轉(zhuǎn)矩電流給定

(13)

(14)

式中,Pmotor為負(fù)載電動機(jī)功率給定值，Kisq_p為發(fā)電機(jī)功率-轉(zhuǎn)矩電流變換系數(shù)，由于系統(tǒng)控制存在滯后性和實際參數(shù)的偏差，加入功率補(bǔ)償調(diào)節(jié)系數(shù)λ，λ大于1時為過補(bǔ)償，λ小于1時為欠補(bǔ)償，λ的值根據(jù)實際情況進(jìn)行調(diào)節(jié)。

2.3 電動機(jī)控制

電動機(jī)也采用圖3所示的轉(zhuǎn)子磁場定向矢量控制策略。

對于異步電動機(jī)的控制主要在于功率和轉(zhuǎn)矩的限制，電動機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩給定公式:

Te-lim=KTe-n*Plim*f(δload)/n

(15)

式中,Te-lim為電動機(jī)轉(zhuǎn)矩指令外包絡(luò)線限制，KTe-n為單位變換常數(shù)，Plim為電動機(jī)功率限制，其取值不能大于當(dāng)前柴油機(jī)所能輸出最大功率，f(δload)為柴油機(jī)負(fù)載率調(diào)節(jié)系數(shù)，n為電動機(jī)轉(zhuǎn)速。

(16)

f(δload)的作用是保證負(fù)載較重時柴油機(jī)運行穩(wěn)定，δΔ是調(diào)節(jié)時電磁轉(zhuǎn)矩保留系數(shù)。

燃油效率優(yōu)化控制策略系統(tǒng)信號流圖如圖5所示，通過以上柴油機(jī)、發(fā)電機(jī)和電動機(jī)的聯(lián)合控制，即可實現(xiàn)燃油效率的優(yōu)化和系統(tǒng)穩(wěn)定可靠運行。

圖5 燃油效率優(yōu)化控制策略信號流圖

3 整車定速控制策略

根據(jù)整車控制要求，拖拉機(jī)有轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速兩種工作模式。拖拉機(jī)工作于轉(zhuǎn)矩模式時，油門踏板行程直接對應(yīng)目標(biāo)轉(zhuǎn)矩，工作于轉(zhuǎn)速模式時，通過定速手柄給定目標(biāo)轉(zhuǎn)速，目標(biāo)轉(zhuǎn)速通過濾波和單位變換即為外環(huán)電機(jī)轉(zhuǎn)速給定，轉(zhuǎn)速控制環(huán)的輸出為目標(biāo)轉(zhuǎn)矩。

3.1 模糊自適應(yīng)定速控制

圖6 模糊自適應(yīng)定速控制策略

本文采用如下模糊推理規(guī)則，以速度偏差e/E和偏差變化率(de/dt)/EC作為系統(tǒng)輸入，電機(jī)轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)系數(shù)λ/U作為輸出，通過模糊規(guī)則庫進(jìn)行推理，變量可劃分為正大(PB)、正中(PM)、正小(PS)、零(Z0)、負(fù)小(NS)、負(fù)中(NM)和負(fù)大(NB)。設(shè)計如下模糊規(guī)則：If E is NB and EC is NB then U is NB；If E is NB and EC is NS then U is PM。隸屬度函數(shù)如圖7所示。

圖7 隸屬度函數(shù)

3.2 坡起輔助控制

拖拉機(jī)坡起輔助功能對于提高駕駛的舒適性和安全性具有非常重要的意義，考慮拖拉機(jī)實際作業(yè)環(huán)境的路況，在系統(tǒng)中加入坡起輔助功能也十分必要[7]。

實現(xiàn)坡起輔助的功能需要對異步電動機(jī)進(jìn)行零速電制動控制，本文基于設(shè)計的整車定速控制方法，采用速度閉環(huán)，以零速為控制目標(biāo)，實現(xiàn)坡起輔助。

如圖8所示。對于行駛中的拖拉機(jī)，首先進(jìn)行坡道停車狀態(tài)判斷：當(dāng)電動機(jī)平均轉(zhuǎn)速小于設(shè)定閾值一定時間，油門踏板行程為零，踩住剎車踏板，系統(tǒng)進(jìn)入坡道停車狀態(tài)；此時若電動機(jī)轉(zhuǎn)速持續(xù)一定時間大于設(shè)定閾值，則退出坡道停車狀態(tài)。

圖8 坡起輔助控制流程

拖拉機(jī)進(jìn)入坡道停車狀態(tài)后，在油門踏板和剎車踏板均處于自由狀態(tài)的條件下，如果電動機(jī)轉(zhuǎn)速持續(xù)一定時間大于設(shè)定閾值，則進(jìn)入坡道溜車狀態(tài)，通過數(shù)據(jù)處理計算并記錄此時拖拉機(jī)的沖動加速度值，并通過電機(jī)旋轉(zhuǎn)方向得到上下坡信息。

拖拉機(jī)進(jìn)入坡道溜車狀態(tài)后，使能零速速度閉環(huán)控制，把之前記錄的加速度轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的牽引制動力作為前饋，減少系統(tǒng)動態(tài)調(diào)節(jié)時間。當(dāng)拖拉機(jī)穩(wěn)定停在坡道后，記錄此時電動機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩輸出值。

坡道起車時，若整車工作在定速模式，直接根據(jù)設(shè)定的轉(zhuǎn)速值控制即可，與坡道零速速度閉環(huán)無縫銜接。 若整車工作在轉(zhuǎn)矩模式，判斷坡路為下坡時，首先把坡道停車電制動力按一定斜率衰減到零，再切換到正常行駛模式，如果判斷為上坡，需要油門踏板行程對應(yīng)的轉(zhuǎn)矩給定大于坡道停車轉(zhuǎn)矩再切換到正常行駛模式，即可實現(xiàn)自動防止坡道溜車的功能。

本文采用的坡起輔助控制方法通過對拖拉機(jī)整車在自由狀態(tài)下的沖動加速度計算分析，得到坡道信息和轉(zhuǎn)矩預(yù)設(shè)值，無需傾角傳感器，符合拖拉機(jī)的實際應(yīng)用工況[8]。

4 現(xiàn)場試驗

搭載本文所設(shè)計傳動系統(tǒng)的拖拉機(jī)通過了充分的試驗驗證，拖拉機(jī)現(xiàn)場測試試驗分為空載運輸試驗和帶載犁地試驗兩部分，試驗方案符合相應(yīng)的農(nóng)機(jī)鑒定試驗標(biāo)準(zhǔn)，試驗數(shù)據(jù)通過車載數(shù)據(jù)記錄儀采集，使用Matlab處理并繪制成相應(yīng)的曲線。傳動系統(tǒng)參數(shù)如表1所示。

表1 拖拉機(jī)傳動系統(tǒng)參數(shù)

4.1 最大牽引功率試驗

拖拉機(jī)滿功率牽引時，柴油機(jī)負(fù)載率在98%～100%范圍內(nèi)，柴油機(jī)能力得到充分利用，既實現(xiàn)了大功率牽引的要求同時又保證了燃油效率最優(yōu)。相關(guān)數(shù)據(jù)如圖9所示。

圖9 柴油機(jī)運行數(shù)據(jù)和電動機(jī)功率

4.2 負(fù)載突變試驗

系統(tǒng)穩(wěn)定運行時，直流母線電壓波動在±5 V范圍內(nèi)，額定車速滿功率投切負(fù)載時，直流母線電壓波動在±15 V范圍內(nèi)，如圖10所示。

圖10 變流器實際運行數(shù)據(jù)

4.3 定速試驗

如圖11所示，實際車速和給定車速誤差在±0.5 km/h范圍內(nèi)。

圖11 車速跟蹤曲線

4.4 坡起輔助試驗

如圖12所示，停車后，系統(tǒng)能正確識別坡道狀態(tài)并施加電磁轉(zhuǎn)矩實現(xiàn)坡道停車功能，坡道起動無溜車現(xiàn)象。

圖12 坡起輔助功能測試

通過對現(xiàn)場試驗數(shù)據(jù)的分析可知：系統(tǒng)滿功率運行時，柴油機(jī)一直工作在最優(yōu)效率區(qū)(負(fù)載率98%-100%)，充分發(fā)揮了其牽引能力，降低了燃油損耗；對于動態(tài)過程中大功率負(fù)載的投切，直流母線電壓波動在合理的范圍內(nèi)(±1.65%)，能夠很好的滿足拖拉機(jī)現(xiàn)場作業(yè)工況；通過設(shè)計先進(jìn)的控制算法，實現(xiàn)了整車定速控制和坡起輔助功能，車速控制穩(wěn)態(tài)精度0.5 km/h，坡起響應(yīng)時間在2.0 s內(nèi)，簡化了司機(jī)操作，提高了整車的智能化水平。

5 結(jié) 語

本文對大功率內(nèi)燃電傳動拖拉機(jī)傳動系統(tǒng)若干關(guān)鍵控制技術(shù)進(jìn)行了深入研究。首先對傳動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了詳細(xì)分析說明，采用模塊化的設(shè)計思路進(jìn)行控制器硬件架構(gòu)設(shè)計。針對內(nèi)燃電傳動系統(tǒng)，提出一種燃油效率最優(yōu)控制策略對柴油機(jī)進(jìn)行定速控制，降低系統(tǒng)油耗，提高傳動效率。為了適應(yīng)拖拉機(jī)運輸和犁地時復(fù)雜多變的實際運行工況，設(shè)計基于電流內(nèi)環(huán)反饋線性化和負(fù)載功率前饋的矢量控制策略對發(fā)電機(jī)進(jìn)行控制，保證了負(fù)載突變時系統(tǒng)的快速動態(tài)響應(yīng)。采用模糊自適應(yīng)控制策略進(jìn)行整車定速控制，同時實現(xiàn)坡起輔助控制功能，滿足駕駛舒適性和保證拖拉機(jī)安全穩(wěn)定運行。通過現(xiàn)場運行試驗和犁地試驗驗證了本文所設(shè)計的軟硬件方案的有效性和可靠性。