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基于simulink的电动拖拉机系统建模与仿真,对电动拖拉机所搭载的直流无刷电机进行分析,采取了直接转矩的控制策略,之后建立了DLTC的本体和控制的模型并在simulink中仿真后,结果显示出电机的转矩速度脉动符合要求。对不同工况下的电动拖拉机受力情况分析后,在此基础上依次建立了其数学模型和整车的仿真模型。根据不同工况下采取不同的控制策略,犁地模式下采用模糊自调整PID控制,失效模式下采用跛行行车策略,仿真结果显示,在犁地时,车速能维持在目标车速附近;失效模式下,电池SOC值下降显著变缓,能够按照预定车速进行跛行行车。 本文在C1402型拖拉机传动系的基础结构上,对纯电拖拉机的控制策略和其仿真模型进行了分析研究,具体情形如下: (1)分析了拖拉机的DLTC的数学模型,并在Simulink中构建了其仿真模型,通过对这些模型的仿真研究,我们得出结论:在DTC策略下,DLTC输出转矩的波动基本满足了要求,结果表明采用该控制方法是可行的。 (2)针对拖拉机的犁地工况,对其进行受力分析,建立了对应的动力学模型,并在Simulink建立了整机的仿真模型。 (3)拖拉机在正常驱动模式采用了模糊自调整
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题目:基于 simulink 的电动拖拉机系统建模与仿真
2023 年 5 月 18 日
2
基于 simulink 的电动拖拉机系统建模与仿真
摘要:对电动拖拉机所搭载的直流无刷电机进行分析,采取了直接转矩的控制策略,之后建立了 DLTC 的本体和控制的模型
并在 simulink 中仿真后,结果显示出电机的转矩速度脉动符合要求。对不同工况下的电动拖拉机受力情况分析后,在此基
础上依次建立了其数学模型和整车的仿真模型。根据不同工况下采取不同的控制策略,犁地模式下采用模糊自调整 PID 控
制,失效模式下采用跛行行车策略,仿真结果显示,在犁地时,车速能维持在目标车速附近;失效模式下,电池 SOC 值下
降显著变缓,能够按照预定车速进行跛行行车。
关键词:电动拖拉机;控制策略;驱动系统
Modeling and simulation of electric tractor system based on simulink
Abstract:The brushless DC motor carried by electric tractor is analyzed, and the direct torque control
strategy is adopted. Then the body and control model of DLTC are established and simulated in simulink.
The results show that the motor torque velocity pulsation meets the requirements. After analyzing the force
of electric tractor under different working conditions, the mathematical model and the simulation model of
the whole vehicle are established successively. According to different control strategies under different
working conditions, fuzzy self-adjusting PID control is used in plowing mode, and limping strategy is used in
failure mode. The simulation results show that the vehicle speed can maintain near the target speed when
plowing. In the failure mode, the SOC value of the battery decreases significantly and can be limped
according to the predetermined speed.
Key words:Electric tractor; Control strategy; Driving system
目 录
1.绪论..........................................................................................................................................................................4
1.1 研究背景及意义...........................................................................................................................................4
1.2 研究内容及方法...........................................................................................................................................4
2.无刷直流电机的控制策略研究与仿真建模..........................................................................................................4
2.1 电机数学模型...............................................................................................................................................4
2.1.1 电机电压方程....................................................................................................................................5
2.1.2 电机转矩与运动方程........................................................................................................................5
2.2 电机的直接转矩控制策略...........................................................................................................................6
2.2.1 逆变器开关控制与电压空间矢量的实现........................................................................................6
2.2.2 磁链测量的方法................................................................................................................................8
2.3 电机直接转矩控制系统建模与仿真...........................................................................................................9
2.3.电机本体的建模仿真...........................................................................................................................9
2.3.2 无电机直接转矩控制仿真模型......................................................................................................10
2.3.3 电机直接转矩控制仿真结果..........................................................................................................12
3
2.3.4 仿真结果分析..................................................................................................................................13
3. 电动拖拉机动力学分析与整机建模..................................................................................................................14
3.1 电动拖拉机动力传动系统总体布置及主要参数.....................................................................................14
3.2 电动拖拉机在工作状态下的动力学分析.................................................................................................15
3.3 电动拖拉机工作状态下的功率平衡.........................................................................................................17
3.4 电动拖拉机的仿真模型的建立.................................................................................................................17
3.4.1 整车计算模型..................................................................................................................................18
3.4.2 电机模型..........................................................................................................................................18
3.4.3 电池模型..........................................................................................................................................18
4.电动拖拉机驱动系统控制策略的研究................................................................................................................19
4.1 驱动系统控制模型.....................................................................................................................................19
4.2 驱动模式分析.............................................................................................................................................21
4.3 正常驱动模式的模糊自调整 PID 控制系统建模 ....................................................................................21
4.3.1 输入的模糊量化..............................................................................................................................22
4.3.2 模糊控制规则的建立......................................................................................................................23
4.3.3 模糊自调整 PID 控制系统 Simulink 模型.....................................................................................27
4.4 失效模式下驱动系统跛行行车控制策略的研究.....................................................................................28
4.4.1 失效模式判定..................................................................................................................................28
4.4.2 失效模式下的跛行行车控制策略..................................................................................................28
4.4.3 电池 SOC 低于设定值时的控制策略 ..........................................................................................29
4.5 整车控制仿真建模.....................................................................................................................................30
4.6 仿真及仿真结果分析.................................................................................................................................30
4.6.1 建立测试工况..................................................................................................................................30
4.6.2 仿真结果分析..................................................................................................................................31
5.总结........................................................................................................................................................................33
参考文献:...............................................................................................................................................................33
1.绪论
1.1 研究背景及意义
随着能源消耗和环境污染问题的日益严峻,石油资源的日益稀缺和环境污染等重大问题
已经成为全球关注的焦点
[1]
。在这样的背景下,我国采用电动拖拉机替代传统内燃机拖拉机
是一种有效解决方案,并且也是未来农机行业发展的必然趋势
[2]
。
与传统内燃机拖拉机相比,电动拖拉机具有绿色、可持续、经济、环保等优势。它可以
4
避免因燃油排放而产生的环境污染和噪音污染,同时也能够节省燃油成本。因此,电动拖拉
机在农业生产中的应用前景广阔。
然而,尽管电动拖拉机具有许多优势,但其发展相对缓慢且需加强驱动系统控制策略的
研究。电动拖拉机的使用场景和作业任务不同,需要制定相应的驱动系统控制策略。这些控
制策略需要考虑到驱动系统的输出特性和能耗,因为这些因素将直接影响其动力性能和经济
性能
[3]
。因此,未来电动拖拉机的研究和发展应注重驱动系统控制策略的研究和优化,以提
高其综合性能和竞争力。
1.2 研究内容及方法
本文以 C1402 型拖拉机为研究对象,通过对其进行动力学分析,构建了数学模型,基于
此搭建了整机的 simulink 仿真模型,并重点研究了电机的控制策略,以及不同工况下的驱动
系统的控制策略。具体而言包括以下三个方面:
首先,本文基于 C1402 型拖拉机的实际情况,进行了动力学分析,并建立了相应的数学
模型,以便进一步研究电动拖拉机的控制策略。其次,针对电机的特点,本文提出了一种直
接转矩控制策略,并在 Simulink 中建立了相应的电机仿真模型并进行仿真分析。最后,针对
不同的工况,制定了多种控制策略,如模糊自调整 PID 和跛行行车控制策略,并进行了仿真
分析。通过仿真结果的比较和分析,验证了所提出的控制策略的有效性和优越性。
这些研究旨在进一步提高电动拖拉机的运行效率和可靠性,为拖拉机的智能化发展打下
基础。
2.无刷直流电机的控制策略研究与仿真建模
2.1 电机数学模型
因为 BLDC 的定子与转子间非正弦形式的互感,所以不便于采用 d-q 方程求解。因而采用
电机的相变量构建数学模型来简化计算,也为简化分析,对电机进行一下假设
[4]
:
1)三相彼此对称,反电动势的波形为梯形,分别占 1/3 的电角度;
2)忽略开关管和续流二极管的电势差;
3)忽略齿槽反应、电枢效应、磁路饱和的作用;
4)相绕组的等效电感不变;
5)电机的转速不变(换相时)。
5
2.1.1 电机电压方程
三相无刷直流电机通过矩阵可以表示其数学模型为:
𝑢
𝑎
𝑢
𝑏
𝑢
𝑐
=
𝑅
0
0
0
𝑅
0
0
0
𝑅
𝑖
𝑎
𝑖
𝑏
𝑖
𝑐
+
𝐿
―
𝑀
0
0
0
𝐿
―
𝑀
0
0
0
𝐿
―
𝑀
𝑃
𝑖
𝑎
𝑖
𝑏
𝑖
𝑐
+
𝑒
𝑎
𝑒
𝑏
𝑒
𝑐
#
(
2.1
)
其中,M 为相绕组间的互感,L 为相绕组的自感,且 L、M 都不变。u、e、i 分别为各个相绕组的端
电压、电流与反电动势的瞬时值,p 为积分因子。
其中
𝑈
𝑎
𝑈
𝑏
𝑈
𝑐
=
𝑈
𝐴
―
𝑢
𝑛
𝑢
𝐵
―
𝑢
𝑛
𝑈
𝐶
―
𝑢
𝑛
#
(
2.2
)
其中,
𝑈
𝑎
、
𝑈
b
、
𝑈
c
分别是电机的路端电压,
𝑢
𝑛
是电机的中性点的电压值。
不换相时,假定 i,j 相两相导通(i、j = a、b、c,i ≠ j),联立式(2.1)、(2.2)可得
𝑈
𝑛
=
𝑈
𝑖
+
𝑈
𝑗
2
―
𝑒
𝑖
―
𝑒
𝑗
2
#
(
2.3
)
换相时
𝑈
𝑛
=
𝑈
A
+
𝑈
B
+
𝑈
C
3
―
𝑒
a
+
𝑒
b
+
𝑒
c
3
#
(
2.4
)
无刷直流电机的反电动势是梯形波,因其与位置角有关,所以采用分段函数的方式来表达改变量,以
𝑒
c
为例:
𝑒
𝑐
=
𝜔
𝑟
𝑘
𝑒
×
𝜃
𝑒
/(𝜋/6)
0
≤
𝜃
𝑒
≤
𝜋/6
―
1
𝜋/6
≤
𝜃
𝑒
≤
5𝜋/6
(
𝜃
𝑒
―
𝜋
)
/(𝜋/6)
5𝜋/6
≤
𝜃
𝑒
≤
7𝜋/6
1
7𝜋/6
≤
𝜃
𝑒
≤
11𝜋/6
(2𝜋
―
𝜃𝑒)/(𝜋/6)
11𝜋/6
≤
𝜃
𝑒
≤
2𝜋
#
(
2.5
)
其中,
ω
r
是转子的电角速度,
k
e
是电机的反电动势,
θ
e
是坐标轴 c 与转子间的夹角。而
𝑒
b
、
𝑒
a
分
别超前
𝑒
c
120°与 240°的电角度。
2.1.2 电机转矩与运动方程
由功率是扭矩与转速的乘积,可得其电磁转矩方程:
𝑇
𝑒
=
1
�
(
𝑒
𝑎
𝑖
𝑎
+
𝑒
𝑏
𝑖
𝑏
+
𝑒
𝑐
𝑖
𝑐
)
#
(
2.6
)
其中,Ω 是电机的机械角速度,而
𝑖
𝑎
、
𝑖
𝑏
、
𝑖
𝑐
与
𝑒
𝑎
、
𝑒
𝑏
、
𝑒
𝑐
分别是三相的定子电流和反电动势。
若忽略电机运动过程产生的扭转惯性与摩擦力,则其运动方程为:
𝑑
�
𝑑𝑡
=
1
𝐽
(
𝑇
𝑒
―
𝑇
𝑙
)
=
1
𝑝
𝑑𝜔
𝑑𝑡
#
(
2.7
)
其中,p 是电机的电极数,
𝐽
是电机的转动惯量,
𝑇
𝑙
是负载的转矩,
𝑇
𝑒
是电机的电磁转矩。
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