基于磁-热双向耦合的电动拖拉机轮边电机电磁性能分析与结构优化

为预测和评估电动拖拉机轮边驱动电机的电磁性能同时优化电磁转换装置结构,该研究以一种减速式12槽7对极永磁无刷直流轮边驱动电机为对象,建立电机电磁有限元模型并通过试验验证模型的正确性,分析了空载、半载和额定负载工况下电机的动态特性。在此基础上,基于热损耗载荷构建电机的磁-热双向耦合模型,模拟分析额定负载工况下电机的温度场分布规律。结果表明,3种工况下电机最高温度均发生在永磁体部位,温升分别为54.61、77.63和87.1 ℃。以气隙宽度、定子槽口宽度、永磁体间距和宽度为变量,以齿槽转矩、转矩密度和永磁体损耗为优化目标,提出一种田口法-响应面法双层多目标优化方法,确定电机最佳结构参数为：永磁体间距为0.4 mm、永磁体宽度为3.5 mm、气隙宽度为1.1 mm、定子槽口宽度为4.75 mm。仿真结果表明,优化后的电机转矩密度较优化前增加了8%,永磁体损耗降低了18.6%。样机台架试验结果表明,优化后电机齿槽转矩较优化前降低了20.9%,验证了所提优化方法的有效性,对电机性能研究具有一定的参考价值。     

电动拖拉机田间巡航作业驱动转矩管理模型

针对电动拖拉机整机控制中与驱动转矩相关且通用性较强的功能环节,在驱动系统上层搭建了一种通用型的驱动转矩管理控制模型。以满足田间作业需求、提升作业质量为目标,将输入信号标定为期望作业车速,并进一步转化为电机目标转速。根据实际转速与目标转速的偏差,计算电机目标输出转矩,以使电机需求功率与作业负载相平衡。进一步考虑巡航作业过程中驱动转矩变化引起的整机冲击度、当前转速下电机可用最大转矩以及驱动系统过温、电池放电欠压的影响,依次搭建了针对目标输出转矩的斜坡限制、基于转速的转矩容量限制和极端工况下的比例减载限制模型。搭建了包括电池、驱动电机以及整机纵向动力学在内的电动拖拉机模型。基于驱动转矩管理模型设计了目标控制器,并搭建了dSPACE硬件在环测试平台,分别对转矩管理模型中的各个参数进行了标定,并对牵引作业工况下驱动系统的输出特性进行了测试,结果表明:在牵引作业时,实际车速可平稳跟踪期望作业车速,跟踪误差主要取决于驱动轮的滑转程度,当期望车速改变时,实际车速按标定斜率向期望值平缓过渡;作业过程中,模型输出转矩始终处于电机转矩容量范围以内,且转矩变化率不超过35N·m/s,与未经斜坡限制处理的原始目标转矩相比,转矩变化趋于缓和;当电池输出电压低于欠压报警阈值时,驱动转矩管理模型根据电池欠压程度将模型输出转矩比例缩减10%～27%,确保电池输出电压不低于停机阈值。所搭建的驱动转矩管理模型可为电动拖拉机整机控制器的设计提供技术参考。     

考虑机电耦合的电动轮系统纵向振动特性建模及验证

为了研究机电耦合对电动轮系统的纵向振动特性的影响,该文首先建立了电动轮纵扭耦合动力学模型,基于该模型分析了考虑机电耦合前后电动轮系统模态特征的变化,并通过轮毂电机驱动电动轮系统的振动特性试验,验证了该动力学解析模型的准确性;其次分析了机电耦合对电动轮系统纵向振动的影响,指出转矩波动引起定转子发生相对运动,导致电机发生偏心,从而产生不平衡磁拉力。不平衡磁拉力的作用导致非簧载部分纵向振动出现不同程度的恶化,当轴承刚度为12.5 MN/m时,在定子纵向平移模态频率下电机的定转子、轮胎纵向振动加速度分别恶化113.35%、105.69%、27.15%,影响其使用寿命和结构安全,而对于簧载部分纵向振动的影响较小。     

基于PWM信号的农用柔性底盘驱动与转向协同控制特性试验

针对四轮独立驱动独立转向的农用柔性底盘驱动转向时需要同时打开和锁紧电磁摩擦锁的矛盾,该文提出一种基于脉冲宽度调制信号(pulse width modulation,PWM)的电磁摩擦锁控制方法来实现偏置转向轴机构的分时步进驱动和转向,并利用自制偏置转向轴试验台,采用双因素试验测试了PWM波频率和占空比对偏置转向轴电磁摩擦锁脉冲锁紧力矩的影响,采用三元二次正交旋转组合试验测试了分时步进驱动和转向时频率、占空比和轮毂电机转速对转向特性的影响。双因素试验结果表明:频率、占空比及其交互作用对脉冲锁紧力矩均有极显著影响(P0.01);在频率4~24 Hz、占空比20%~80%时,锁紧力矩变化范围为6.822~40.046 N·m;旋转组合试验结果表明:频率、占空比、两者交互作用及轮毂电机初始转速对分时步进转向时转向平均角速度均有显著影响(P0.05),转向平均角速度随占空比和轮毂电机初始转速增大而减小,随频率增大而缓慢增大,在频率4~24 Hz、占空比20%~80%、初始转速30~120 r/min时,转向平均角速度变化范围为0~0.514 rad/s。该结论可为农用柔性底盘驱动与转向协同控制提供参考。     

电磁耦合强混合动力车技术研究

混合动力车的节油和减排效果应明显,开发强混合动力车是最现实的解决方案。基于动力伺服概念,以直接电磁耦合技术,选择机械功率透过式双电机方案,开发了动力伺服油电强混合动力系统,同时对整车动力系统结构、工作原理以及整车控制策略进行了分析。运用Matlab/Simulink建立整车模型,对发动机、电动机以及双转子发电机的输出转矩进行了仿真分析,在电机试验台架上对电机的外特性以及工作效率进行了相关试验。研究结果表明：输出转矩仿真值能很好的满足循环工况需求,且电机输出效率高,可达86%,满足混合动力车设计要求。上述研究对今后电磁耦合油电强混合动力车的整车标定匹配工作具有参考作用。     

采用双定子泵的多级恒功率调速系统回路特性分析与试验

传统恒功率调速系统的调节原理(转速与转矩的乘积必为定值)决定其无法满足转矩不变、输出不同转速的工况要求。为解决上述问题,采用双定子泵对其进行改进,对组成的多级恒功率调速系统性能与传统系统进行了对比分析,并搭建试验台进行了试验论证。结果表明,采用双定子泵组成的多级恒功率调速系统既具有传统系统适应恒功率工况的特性,传动效率可比普通定量泵系统提高7%,又能满足多级恒功率负载的工况。在工况要求转矩输出恒定的前提下,若要求马达输出多级转速,多级恒功率调速系统可以通过控制双定子泵的工作方式以较少的功率满足要求,而传统恒功率调速系统则只能采用节流调速的方式溢流掉一部分流量来满足要求,因此前者比后者减少了能量的损失。该研究既丰富了双定子泵的应用领域,也可为恒功率调速系统应用于农业机械并提高其工作效率提供参考。     

拖拉机液压传动系统特性模型修正与参数辨识

精准描述无级变速系统特性是拖拉机动力装置设计和控制策略制定的前提,是节能减排和动力提高的关键。为解决拖拉机常用无级变速系统特性随工况变化而导致原理论模型精度受限问题,该研究对受工况影响最为显著的液压传动系统的调速和效率特性进行研究。采用台架试验获取液压传动系统特性的样本数据,基于偏最小二乘法对比不同工况对调速和效率特性的影响,结合原理论模型和改进的模拟退火算法,提出液压传动系统特性的模型修正及其参数辨识方法,并分别建立调速特性和效率特性的改进半经验模型。结果表明,输入转速和输出端负载转矩对调速特性的影响程度分别为0.36和0.92;输入转速、输出端负载转矩和排量比对效率特性的影响程度分别为0.05、0.71和0.26;修正后模型参数较少,辨识容易,且精度高,估测值与实际值基本吻合（2参数调速特性半经验模型的决定系数R2为0.97、平均绝对百分比误差为7.93%,5参数效率特性半经验模型的决定系数R2为0.93、平均绝对百分比误差为2.50%）。研究以期为拖拉机等农业机械的动力传动装置的特性分析与评估、优化设计和控制策略制定提供依据和参考。     

ISAD技术混合动力柴油机起动系统的低温试验

针对ISAD技术混合动力柴油机起动系统低温下的性能问题,该文结合柴油机的起动阻力矩、最低起动转速、ISG电机工作特性和电机热效应等因素,研究了起动阻力矩随环境温度、起动转速的变化规律,分析了起动阻力矩与ISG电机功率、蓄电池容量之间匹配关系,以及影响蓄电池性能的主要因素。通过ISAD柴油机起动台架试验可以看出：相同的环境温度下,起动阻力矩随起动转速的提高而增大,每提高50 r/min,每缸平均起动阻力矩增加3～8 N·m;起动阻力矩随环境温度的下降而增加,0℃以下时,每降低5℃,平均每缸起动阻力矩增加2.5 N·m。研究表明：ISAD混合动力柴油机的着火转速较之原柴油机大幅度提高,可达350 r/min以上,从静止到着火转速的起动时间为0.5 s,到怠速稳定的时间为3.1 s,起动时间比原柴油机缩短,且转速波动较小。     

非聚光光伏-热电耦合系统表面换热影响分析及模型验证

目前光伏-热电耦合系统模型多是基于能量守恒原理建立的一维传热模型,忽略了系统表面自然对流及自然辐射换热的影响,对非聚光光伏-热电耦合系统能量分析影响较大。该研究通过ANSYS建立了光伏-热电耦合模型,分析考虑系统表面对流及辐射换热后的系统能量传递过程,研究不同冷却模式下3种不同光伏电池的光伏-热电耦合系统特性,并通过试验对比仿真效率与测量效率,分析仿真模型误差。研究发现系统表面换热对非聚光光伏-热电耦合系统热通量影响主要与环境温度与光伏温度有关,光伏温度越接近环境温度,系统表面对流及辐射换热影响越小。考虑系统表面对流及辐射换热后,3种光伏-热电耦合系统在不同冷却模式下,光伏背板热通量最多减少22.60%。系统表面对流及辐射换热对自然风冷散热模式的光伏-热电耦合系统精度影响最大,光伏背板热通量至少减少9.21%。当冷却效果较好时系统表面对流及辐射换热会导致光伏背板热通量增加,最多增加7.17%。非聚光模式下GaAs光伏-热电耦合系统受辐照度影响最小,600～1 400 W/m2辐照度范围内效率最多减少0.12%。该文所建模型仿真效率最大绝对误差为-0.299 5%,最大相对误差为-3.032 0%,较为适用于非聚光模式的光伏-热电耦合系统特性分析。     

混合动力拖拉机动力耦合装置的研制

近年来,农用车辆特别是拖拉机对环境和资源造成的压力逐年增大,开展节能环保拖拉机特别是混合动力拖拉机的研发已成为迫在眉睫的重要课题,而动力耦合装置是混合动力拖拉机的核心。该文根据拖拉机工作特性和传动特性要求,对混合动力拖拉机动力耦合装置传动比、特征参数和齿数匹配等进行了设计。根据传动载荷需求和制造工艺要求进行了结构设计和强度校核,研制了适用于并联式混合动力拖拉机的动力耦合装置。在自行搭建的混合动力拖拉机试验台上对该耦合装置进行了测试。试验结果表明,该装置能够满足拖拉机工作状态下的工作特性要求,输出端转速对动力源的转速变化很敏感,实时变化性能优,而输出端转矩对动力源转速变化不敏感。该耦合装置的研制为混合动力拖拉机的研发提供了基础。     

设施园艺移动平台分布式驱动自适应防滑控制

针对设施园艺特殊作业场景对电驱移动平台灵活作业与高操纵稳定性需求,该研究设计了一种四轮轮毂电机独立驱动的分布式设施园艺电驱移动平台,并提出了一种可提高转向灵活性与稳定性的自适应防滑控制策略。在该控制策略中,首先构建电驱移动平台动力学模型与Ackermann差速转向模型,结合速度瞬心原理及轮胎侧偏角确定各车轮转向目标转速;其次,为提高电驱移动平台对时变附着系数的适应能力,采用改进的强跟踪自适应无迹卡尔曼滤波算法设计复杂路面识别器,实现对路面附着系数准确估计;最后,设计基于自适应滑模算法的防滑控制器,根据路面附着系数估计值确定车轮相对最佳滑转率并实时控制滑转率。为验证所提控制策略的有效性,开展了Carsim-MATLAB/Simulink联合仿真与分布式设施园艺电驱移动平台实车试验。试验结果表明,所提控制策略可准确估计复杂道路下路面附着系数,降低车轮滑转率误差;在不变路面、对接路面与对开路面3种工况下,左侧车轮滑转率误差分别为0.031、0.015和0.038,右侧车轮滑转率误差分别为0.026、0.005和0.028;在不变路边随机路面实测路况下,电驱移动平台路面附着系分别数约为0.44和0.47,最大滑转率分别约为0.69和0.68,有效抑制了轮胎转向时的过度滑转,提高了电驱移动平台的行驶稳定性。研究可为设施园艺车辆驱动防滑控制提供具体理论依据和实施方案。     

电动轮式移动小车控制系统设计与试验

为了实现电动轮式移动小车能在实际不同的负载和路况下可以稳定的运行工作,该文研制了小车的四轮独立驱动的电机驱动和四轮转向控制系统,该系统由主控制芯片STM32F103RCT6对移动小车进行解算得出4个驱动轮的速度,然后对每个驱动电机进行转矩分配,控制4台用于驱动的无刷直流轮毂电机、2台转向直流电机以及2台制动用直流电机,使得小车实现直线行驶、转向和原地转向;通过单片机ATMEGA48PA控制4台无刷直流轮毂电机换相;采用驱动芯片IR2113驱动场效应管FQA140N10,并利用电机内部霍尔传感器输出的脉冲信号检测无刷直流电机的速度,采用放大器LM358搭建过载保护电路。试验结果表明,所开发的小车驱动控制系统实现了四轮电子差速与转矩分配,移动小车能在水泥路面、干泥土路面、斜坡和草地上稳定可靠运行,小车限速20 km/h,爬坡度为8°。在空载情况下能匀速运行8~10 h,带额定负载250 kg情况下能匀速运行4~5 h,有较好的负载性能,满足农业运输及农田作业的需求,减轻人的体力劳动,提高生产效率。该研究可为应用于田间作业的电动移动小车的机械设计及电气控制系统设计提供参考。     

力平衡型多输入齿轮马达的转矩特性分析与试验

针对传统齿轮马达径向力不平衡、只能输出一种转矩和转矩脉动较高的问题,提出了力平衡型多输入齿轮马达。该马达在一个壳体内有内、外两种马达,可通过不同的连接方式实现4种定转矩和定转速的输出。通过对马达的输出转矩进行理论计算和试验,分析了马达在4种工作方式下的瞬时转矩及转矩脉动,结果表明,单个马达工作时的转矩脉动与啮合齿轮的齿数有关。多个马达同时工作时的转矩脉动与齿轮啮合点的位置及脉动周期有关,当3个内马达共同工作,内、外马达共同工作,内、外马达差动工作时,在内、外马达脉动周期相同的前提下,可调节啮合点的位置,分别使3个小齿轮的轮齿啮合位置相差1/3,内、外马达轮齿啮合位置相差1/2,内、外马达轮齿啮合位置相同,通过瞬时转矩的叠加,使输出合转矩的脉动最小。试验结果表明,在调节齿轮啮合点的位置后,相同工作方式下的转矩脉动程度明显减少,该研究为多输入马达的进一步研究提供了参考。     

基于轮壤接触力学行为的蓝莓采收机行走驱动系统设计

针对当前中国自走式蓝莓采收机作业通过性差等问题,建立轮壤接触力学模型,分析车轮驱动力矩、负载、沉陷量及挂钩牵引力等力学行为,得到车轮通过性影响因素为土壤属性、车轮结构参数和行走速度。采用离散元法建立蓝莓采收机轮壤接触模型,以车轮结构参数(宽度195、205、215 mm,直径615、627、639 mm)、行走速度0~11 km/h为试验因素,车轮结构参数或行走速度增加时,车轮阻力矩和土壤波动速度随之增加。依据车轮阻力矩设计行走驱动系统,采用闭式静液压四轮行走驱动系统,通过工况适应性仿真验证各车轮输出特性一致,稳定行走;系统可以克服车轮沉陷,平稳越障。通过样机田间试验得到行走驱动系统满足行驶速度范围0~11 km/h要求,运行平稳;车轮沉陷越障时无非目的性转向偏移,越障时间为3.3 s,与仿真结果一致;行走驱动系统与采收系统匹配性良好,采收效率为7.01 kg/min,果树采净率为92%,果树损伤率为11.5%。研究表明建立的轮壤接触模型可靠,行走驱动系统作业通过性效果好,可为蓝莓采收机研发提供参考。     

机器人肩关节的动力学建模及伺服电机峰值预估

为了增加机器人肩关节的工作空间和承载能力,提出一种基于三自由度正交球面并联机构的机器人肩关节.首先,采用第二类拉格朗日方程方法建立了肩关节的动力学模型,推导了肩关节的惯性矩、哥氏力—离心力和重力项的表达式.在肩关节动力学模型的基础上,建立了肩关节伺服电机峰值预估模型.其次,通过给定的动平台运动轨迹,分析了肩关节伺服电机...     

降低铜耗的容错式磁通切换永磁电机容错控制算法

容错式磁通切换永磁电机（fault-tolerant flux-switching permanent-magnet motor,FT-FSPM motor）是一种新型的定子永磁型容错电机。为了提高电机驱动系统带故障运行性能,并降低容错运行时的电机铜耗,提出一种适用于五相FT-FSPM电机的容错控制方法。在对FT-FSPM电机基本结构特点进行分析的基础上,基于铜耗最小和转矩等效原则,建立了容错电流方程。以一台10/19极FT-FSPM电机为例,建立了电路、磁路瞬态联合仿真模型,搭建了电机系统试验平台,对所提出的容错控制算法进行了验证。该控制方法使得故障前后转矩保持不变,同时降低电机铜耗,保证系统稳定运行。仿真和试验结果验证了理论分析的正确性。     

新型无轴承无刷直流电动机结构与模型研究

目前研究的无轴承电机均是将电机和转子悬浮磁路合为一体,两个磁场的叠加一方面容易造成磁饱和,使电机的承载能力下降,影响电机的稳定悬浮;另一方面电磁转矩与径向悬浮力之间具有很强的非线性耦合,而实现解耦控制是非常复杂的。将无刷直流电机的优点与磁悬浮轴承的优点结合,提出一种六自由度可控的无轴承无刷直流电动机结构,通过研究其悬浮原理和运行原理,建立了转子偏心时的精确数学模型和PWM（脉宽调制）调速的精确数学模型,经仿真测试,表明了这种电机结构的合理性。主要特点是承载能力高且电磁转矩控制与径向悬浮力的控制相互独立,无需复杂的非线性解耦控制。     

高地隙自走式玉米去雄机驱动系统设计与特性分析

针对中国高地隙自走式玉米去雄机研究起步晚、技术基础薄弱等问题,该文提出了一种静液压驱动系统方案并对驱动系统特性进行了仿真分析和试验研究。根据去雄机的结构特点,建立了包含四轮独立悬架系统及驱动系统的高地隙自走式玉米去雄机整机数学模型。利用Matlab/Simulink建立了仿真模型并进行了仿真分析,利用去雄机样机进行了实车试验研究,得到去雄机在I挡、II挡和III挡时能达到的最高车速分别约为15、19和24 km/h,稳态压力分别为6.361、7.286和8.717 MPa左右,可分别满足不同的作业工况需求,驱动系统动态响应快,性能良好。通过对比分析有无悬架去雄机驱动系统压力对地面激励的响应,得出有悬架去雄机压力波动小、变化平稳,悬架有效地缓解了地面冲击、改善了驱动系统性能。研究结果表明该文所建整机模型是正确的。该文可为中国高地隙自走式玉米去雄机的研发提供参考。