电动拖拉机作为一种新型农用动力机械,具有效率高、污染小、噪音低等优点,开展适合不同用途的电动拖拉机研究,解决新产品设计中的理论方法和技术问题,具有十分重要的学术和工程实际意义。论文针对电动拖拉机结构方案、驱动系统、电源系统设计及控制策略开展研究,以期为电动拖拉机新产品开发提供理论和技术支持。本文的主要研究内容为:通过对电动拖拉机功能分析,确定了电动拖拉机的性能需求,给出了电动拖拉机牵引动力性和经济性评价方法,建立了性能评价指标的数学模型。对电动拖拉机主要组成部件进行了特性分析和选型研究,设计了适用于拖拉机作业特点的电动拖拉机电源系统、驱动系统和总体结构方案,分析了电源系统、驱动系统和拖拉机的工作模式。通过电动拖拉机主要参数计算流程,给出了设计输入、电源系统、电动机、传动系统和总体参数的数学模型。分析了电动拖拉机的牵引动力性和经济性,结果表明,设计的电动拖拉机结构方案和给出的参数计算方法,可以保证拖拉机具有较好的作业性能。提出了以牵引性、经济性和连续作业性能为目标的电动拖拉机性能优化方法,确定了电动拖拉机优化的设计变量,建立了目标函数和约束条件数学模型。分析了电动拖拉机优化设计数学模型,基于改进非支配目标遗传算法设计了优化算法,制定了电动拖拉机优化设计流程。设计验证实例结果表明,所提出的优化设计方法,能较好地改善电动拖拉机牵引性、经济性和连续作业性能。根据电动拖拉机功能、作业要求和总体结构,提出了基于规则的电源管理策略。利用小波变换分析构造双通道正交滤波器组的方法,针对电源管理策略中的动态功率分配问题,设计了功率分配控制算法,推导了超级电容荷电状态(State of Charge,简称SOC)估计算法模型。根据电动拖拉机驱动系统的动力性和经济性控制需求,设计了基于全局优化的驱动电动机控制策略和变速器换挡策略,采用粒子群算法、模糊逻辑门限算法,设计了处理驱动控制信号的转矩推断算法、全局优化算法、转速控制算法和初始化算法。设计了满足整体控制功能需求的电动拖拉机总体控制策略,制定了基于J1939的电动拖拉机通信协议。研究了电动拖拉机硬件在环(Hardware in the Loop,简称HIL)测试方法,构建了电动拖拉机的HIL平台,分析了平台的性能。基于AVL Cruise建立了电动拖拉机犁耕和旋耕作业仿真模型,开发了整机控制器,基于dSPACE Simulator平台构建了电动拖拉机HIL系统,进行了犁耕和旋耕作业的HIL测试。犁耕和旋耕作业的HIL测试结果表明,设计的电动拖拉机控制策略优化了电源系统在田间作业时的工作状态,提升了犁耕等牵引作业时的电动拖拉机经济性,增加了连续作业时间,实现了旋耕等旋转动力输出工况中动力输出轴(Power Take off,简称PTO)转速切换的功能要求,达到了预期控制目标。
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