[发明专利]一种轮边驱动电动拖拉机的控制方法

权利要求书

1.一种轮边驱动电动拖拉机的控制方法，所述轮边驱动电动拖拉机，包括电控箱(2)、后电池组(6)、驱动总成(8)、驱动轮(10)、轮边减速器(11)、前电池组(12)、车架总成(13)、前桥总成(14)和转向轮(15)；

所述车架总成(13)包括前车架与后车架，前、后车架固定为一体；前车架用于安装电控箱(2)、前电池组(12)和前桥总成(14)，后车架用于安装驱动总成(8)；所述后车架左右两侧设有驱动总成安装孔，轮边减速器(11)通过驱动总成安装孔与后车架连接；后车架上面安装后电池组(6)，后电池组(6)与后车架固定；所述前电池组(12)与后电池组(6)串联组成动力电池组；

所述转向轮(15)安装在前桥总成(14)上；所述驱动总成(8)包括左、右驱动电机和轮边减速器(11)，其中，左、右驱动电机与轮边减速器(11)通过花键轴联接，轮边减速器(11)一端与车架侧面的驱动总成安装孔通过螺栓连接，另一端与驱动轮(10)的轮毂连接，由左、右驱动电机提供动力，经轮边减速器(11)传递到驱动轮(10)；

整机控制器信号采集端口通过控制器线束与接线端子连接，然后分别与钥匙、挡位、油门踏板、制动踏板、作业模式开关等传感器信号输出线连接，采集电动拖拉机整机状态信息与驾驶员操作信息；

驱动电机控制器控制左、右驱动电机；

转向控制器连接前轮转向角度传感器实时采集前轮转向角δ；整机控制器通过CAN总线与驱动控制器、转向控制器连接；

整机控制器与驱动电机控制器安装在电控箱(2)中；

其特征在于：所述控制方法包括如下步骤：

步骤1：整机控制器采集钥匙/档位信号、油门踏板信号、制动踏板信号、作业模式信号等驾驶员的操作信息以判断整机状态；

步骤2：当电动拖拉机被判断为驱动状态时，整机控制器结合整机状态信息计算整机总需求转矩T_req，所述整机状态信息包括电池允许使用功率、电机转速和转矩、实际车速；

步骤2.1：电动拖拉机在驱动状态下，整机控制器对采集的加速踏板信号进行解析，基于一阶滤波算法过滤踏板干扰信号；加速踏板信号滤波后的电压值表示为

u(k)＝(1-λ)u_filt(k)+λu(k-1) 公式1

其中，u(k)为加速踏板本次输出电压，单位为V；u(k-1)为加速踏板上次输出电压，单位为V；u_filt(k)为加速踏板滤波后电压，单位为V；λ为滤波系数，取值范围为0～1；

随后设置踏板信号死区电压参数，在加入最小电压参数u₀和最大电压参数u₁₀₀后，得到加速踏板开度θ(k)：

其中，θ(k)为加速踏板开度；u_filt(k)为加速踏板滤波后电压，单位为V；u₀为最小电压参数，单位为V；u₁₀₀为最大电压参数，单位为V；

在公式2的基础上引入踏板开度映射参数δ(k)实现不同的踏板输出响应，最后得到使用踏板开度θ：

其中，θ为使用踏板开度；δ(k)为踏板开度映射参数；θ(k)为加速踏板开度；

步骤2.2：电动拖拉机在田间作业时，基于使用踏板开度θ进行驱动转矩控制得到基准需求转矩T_bas；

步骤2.2.1电动拖拉机在田间作业时，电机目标转速与使用踏板开度θ呈线性关系，基于使用踏板开度和拖拉机最高标定车速确定整机目标速度，进而得到驱动电机目标转速；为更好地跟踪驱动电机目标转速，结合驱动电机目标转速与实际转速的数值来调节驱动电机基准需求转矩T_bas，同时基于动力电池SOC、温度、开路电压、内阻等电池状态参数，计算动力电池最大输出功率，通过限制驱动电机基准转矩T_bas来限制驱动电机需求功率；

步骤2.2.2若驱动电机转矩变化过快并不加以控制，容易对电动拖拉机造成冲击，继而影响整个传动系统的寿命；在步骤2.2.1限制驱动电机基准转矩T_bas的基础上，进一步对驱动电机基准转矩T_bas进行平滑处理，限制每一循环内的转矩变化量；经过电机目标转速计算、电机基准转速计算、电池最大功率限制以及驱动转矩平滑四个阶段后得到基准需求转矩T_bas；

步骤2.3：对基准需求转矩T_bas进行限制，主要包括电机过载保护、系统过温与欠压保护，考虑电机过载运行时间、电机与控制器温度以及系统输入电压等因素对拖拉机作业能力的影响，其中电机温度由温度传感器获得；在系统过载、过温、欠压等工况下对基准需求转矩T_bas进行限制，最终得到整机总需求转矩T_req；

步骤3：随后，整机控制器通过CAN总线与转向控制器实时通讯获取电动拖拉机转向轮的转向角度，基于阿克曼转向模型计算左、右驱动轮的理论速度；

基于阿克曼转向模型，拖拉机在低速转向时，两驱动轮的目标转速比表示为

其中，ρ为目标转速比；ω_w1为左驱动轮实际转速，单位为rad·s^-1；ω_w2为右驱动轮实际转速，单位为rad·s^-1；L为拖拉机轴距，单位为m；B为拖拉机后轴轮距，单位为m；δ为前轮偏转角，单位为°；

步骤4：整机控制器结合整机总需求转矩T_req与拖拉机转向左、右驱动轮理论速度，计算左、右驱动电机的驱动转矩分配比例，使得左、右驱动轮的滑转状态一致，最终得到左、右驱动电机的目标驱动转矩；

为保证拖拉机田间作业下获得良好的牵引驱动性能，控制右驱动轮的转速与左驱动轮的转速比ω_w2/ω_w1逼近公式4给出的目标转速比ρ；

基于滑模控制方法，设计滑模函数s_δ如下：

s_δ＝ω_w2-ρ·ω_w1 公式5

则滑模面的一阶导数为

且

为保证令

式中，k₁和k₂是趋近律中对应指数趋近项和等速趋近项的控制参数，影响实际转速比向目标转速比的收敛速度；

sgn(s_δ)为关于滑模面s_δ的符号函数，联立公式5、6、7、8得：

根据拖拉机两驱动轮在转动方向的合外力矩，得到驱动轮的动力学方程：

进一步，左、右驱动电机输出转矩表示为

式中，J_w为车轮转动惯量，单位为kg·m²；T_w1为左驱动车轮驱动转矩，单位为N·m；T_w2为右驱动车轮驱动转矩，单位为N·m；F_x1为左驱动轮胎纵向力，单位为N；F_x2为右驱动轮胎纵向力，单位为N；R_r为后轮滚动半径，单位为m；T_f1为左驱动车轮滚动力矩，单位为N·m；T_f2为右驱动车轮滚动力矩，单位为N·m；T_m1为左驱动电机输出转矩，单位为N·m；T_m2为右驱动电机输出转矩，单位为N·m；i_g为传动系总速比；η_t为传动系效率；ρ为目标转速比；T_req为整机总需求转矩，单位为N·m；ω_w1为左驱动轮实际转速，单位为rad·s^-1；ω_w2为右驱动轮实际转速，单位为rad·s^-1；k₁和k₂是趋近律中对应指数趋近项和等速趋近项的控制参数，影响实际转速比向目标转速比的收敛速度；

在公式11中，左驱动轮转速ω_w1和右驱动轮转速ω_w2通过电机转速换算得到，而电机转速由霍尔转速传感器信号获得；整机总需求转矩T_req由加速踏板等驾驶输入信息解析得到；目标转速比ρ通过测量前轮偏转角δ计算得到；

步骤5：整机控制器将步骤4计算得到的左、右驱动电机输出转矩T_m1、T_m2通过CAN总线下发至驱动电机控制器，驱动电机控制器通过转矩闭环矢量控制实现对左、右驱动电机的转矩控制。