CN108169691B - 一种基于can通信的多功能电动拖拉机试验台及其试验方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于CAN通信的多功能电动拖拉机试验台及其试验方法，包括电源模块、动力模块、驱动模块和控制***；电源模块包括蓄电池组、充电***、充电***控制器、电压传感器、电池模拟器、温度传感器、霍尔电流传感器和电荷积累SOC估值模块，充电***连接蓄电池组，电压传感器连接在蓄电池组的充电端和放电端，温度传感器和霍尔电流传感器连接在蓄电池组的放电端，电池模拟器外端连接三相电网，电池模拟器内端与蓄电池组连接，霍尔电流传感器和电荷积累SOC估值模块连接，充电***控制器和电荷积累SOC估值模块连接；本发明以电池模拟器工况可编程功能实现蓄电池组放电负载的模拟，没有传动功率损失，更准确的对蓄电池组放电特性试验。

Description

一种基于CAN通信的多功能电动拖拉机试验台及其试验方法
技术领域
本发明涉及农业机械技术领域，具体地说是涉及一种基于CAN通信的多功能电动拖拉机试验台及其试验方法。
背景技术
节能和环保逐渐成为了全世界需要共同面对的问题。我国为了应对目前越来越严重的环境污染问题以及不可再生石油资源紧缺的问题，一方面对车辆排放标准越来越严格的控制标准，从国IV严格控制到现阶段的国V排放标准；另一方面大力加大对电动车辆方面关键技术的研发。
拖拉机是现代农业生产上的主要动力车辆，可以实现农业作业中的犁耕、旋耕、植保、收货等农业任务。我国是一个农业大国，农业拖拉机使用广泛。近年来，拖拉机整机保有量不断的增加。尽管我国农业机械化取得了长足发展，但与发达国家相比尚存在诸多差距。我国农业经济与发达国家的差异主要在于，耕地面积广，农机产品需求量大，由此迫切需要加快对电动拖拉机的研制，以应对需要面临的挑战。所以大力发展电动拖拉机是我国农机面临的重大课题，拖拉机电动化是解决我国面对的能源危机以及环保问题有效的方式。
试验是电动拖拉机的必要途径，能够在缺少样车的情况下对电动拖拉机的动力***、传动***、驱动***等关键技术进行研究，而且能够验证设计思想和理论方法、缩短开发周期、降低开发成本和风险。传统拖拉机试验开发有实车道路试验和仿真测试两种方式。由于仿真测试过程中存在的误差不能准确的反应整车在路况行驶中的实际情况，导致试验结果的不稳定性；实车试验根据相关道路试验标准，可以得到整车相关性能参数，但是开发成本太大。
电动拖拉机试验台技术可以真实模拟拖拉机在作业条件下的负载，为电动拖拉机研发提供准确的数据，对电动拖拉机开发具有重大的意义。
国外电动拖拉机技术在上个世纪已经有通过电网接入的电动样车，电动拖拉机关键技术发展时间较长。我国电动拖拉机相关项目研究尚处于技术储备阶段，国内尚无相关样机，主流企业也并未进行相关研究；相关高校只是局限于理论研究阶段。随着锂电池组在电池能量密度上的优点，以及矢量法对三相交流电动机控制理论的发展和完善，锂电池组电动机作为动力***的电动车辆已经出现在了人们的生活中。电动车辆试验台技术也取得了一定的技术发展，解决了一定的关键技术问题。但是由于电动拖拉机工况要求和电动车辆的不同，无法直接移植电动车辆试验台技术。电动拖拉机的主要工况是田间工作，工作负载大，要求电动拖拉机在低速时恒转矩工作，高速时处于恒功率工作条件。
发明内容
本发明的目的在于，为解决现有技术中存在的问题提供一种基于CAN通信的多功能电动拖拉机试验台及其试验方法，以电池模拟器工况可编程功能实现蓄电池组放电负载的模拟，不同于传统机械传动连接，没有传动功率损失，更准确的对蓄电池组放电特性试验。蓄电池试验***，不同于传统电池试验利用负载电机模拟电池放电过程中的负载，本发明特点在于利用电池模拟器实现蓄电池组放电试验模拟工况负载。
为实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：一种基于CAN通信的多功能电动拖拉机试验台，包括电源模块、动力模块、驱动模块和控制***；其中，电源模块连接动力模块，动力模块连接驱动模块，电源模块、动力模块、驱动模块均与控制***连接；
电源模块包括蓄电池组、充电***、充电***控制器、电压传感器、电池模拟器、温度传感器、霍尔电流传感器和电荷积累SOC估值模块，充电***连接蓄电池组并为蓄电池组供电，电压传感器连接在蓄电池组的充电端和放电端，温度传感器和霍尔电流传感器连接在蓄电池组的放电端，充电***由充电***控制器控制，电池模拟器外端连接三相电网，电池模拟器内端与蓄电池组连接，霍尔电流传感器和电荷积累SOC估值模块连接，充电***控制器和电荷积累SOC估值模块连接；
所述动力模块包括主电动机，主电动机由主电机控制器控制，主电机控制器连接蓄电池组，主电动机上安装有转矩转速传感器；
所述驱动模块包括变速箱、驱动系、驱动轮、双滚筒装置；变速箱的输入轴连接主电动机，变速箱的输出轴连接驱动系，驱动系连接驱动轮，驱动轮连接双滚筒装置，双滚筒装置连接液压传动装置，并由液压传动装置控制其转动；驱动系上安装有转矩转速传感器，双滚筒装置上安装有力矩传感器和速度传感器；
所述控制***包括CAN总线，CAN总线包括微处理器、CAN控制器和CAN收发器；
充电***控制器、电荷积累SOC估值模块和电池模拟器均连接微处理器并向微处理器发送指令，微处理器接收相应指令并传送给CAN控制器，CAN控制器将接收的指令按照CAN协议格式标准帧发送至CAN收发器，CAN收发器将标准帧格式指令转化为电平信号传输到CAN总线；
转矩转速传感器、力矩传感器、速度传感器、电压传感器、主电磁继电器和辅电磁继电器连接数据采集卡，数据采集卡连接CAN总线；
CAN总线通过CAN通信接口与整车ECU连接，用于将接收的信息传递到整车ECU；整车ECU与试验台ECU以及上位机连接，上位机对试验过程中接收到的信息进行分析得到相关部件性能曲线结论。
进一步地，动力模块还包括辅电动机、加载电机、主电磁继电器、辅电磁继电器、电源模拟器和电磁继电器，辅电动机和加载电机分别由辅电动机控制器和加载电机控制器控制，主电动机控制器通过主电磁继电器连接蓄电池组，辅电动机控制器通过辅电磁继电器连接蓄电池组，加载电机通过联轴器与主电动机连接，主电动机控制器上并联有功率分析仪，加载电机控制器连接电源模拟器，电源模拟器连接电磁继电器，电磁继电器连接电网。
进一步地，所述驱动模块还包括飞轮电磁离合器装置、变频器、PTO传动系、动力输出轴、负载电机、负载电机控制器和电源模拟器；液压传动装置包括液压马达、液压泵、油箱，双滚筒装置连接飞轮电磁离合器装置和液压马达，液压马达连接液压泵，液压泵连接油箱，液压泵连接三相交流电机，三相交流电机连接变频器，变频器连接电网，PTO传动系的输入轴连接辅电动机，PTO传动系的输出轴连接动力输出轴，动力输出轴通过联轴器连接负载电机，负载电机由负载电机控制器控制，负载电机控制器连接电源模拟器，电源模拟器连接电网；动力输出轴上安装有转矩转速传感器。
进一步地，电池模拟器与蓄电池组通过两相电连接；加载电机控制器和电源模拟器通过两相电连接；电源模拟器和电磁继电器通过三相电连接，电磁继电器连接电网通过三相电连接；主电动机和主电动机控制器通过三相电连接，主电动机控制器和主电磁继电器通过两相电连接，主电磁继电器和蓄电池组通过两相电连接；辅电动机和辅电动机控制器通过三相电连接，辅电动机控制器和辅电磁继电器通过两相电连接，辅电磁继电器和蓄电池组通过两相电连接。
进一步地，液压泵连接油箱之间设有溢流阀。
进一步地，蓄电池组放置在一个恒温箱内，恒温箱的温度设置为25°C、30°C、35°C、40°C四个等级。
一种基于CAN通信的多功能电动拖拉机试验台的试验方法，其特征在于：
步骤一、霍尔电流传感器测量蓄电池组当前充电状态下工作电流，并降测量得到的数据传送给SOC估值模块，温度传感器实时向SOC估值模块反馈蓄电池组的充放电温度；
步骤二、SOC估值模块根据霍尔电流传感器采集的数据和蓄电池组的充放电温度，运用电荷积累法，对当前状态的蓄电池组荷电状态进行估值，当电荷积累SOC估值模块的反馈信号SOC<0.3时，上位机控制试验台电磁离合器开关断开，实现试验台过放电保护；当电荷积累SOC估值模块的反馈信号SOC＞0.3时，上位机控制试验台电磁离合器开关闭合，试验台进行试验。
进一步地，一种基于CAN通信的多功能电动拖拉机试验台的试验方法，该试验台采用CAN通信方式，以CAN2.0B规范对各个控制器节点优先级进行定义， CAN总线节点标识符优先级次序为：负载电机控制器、变频器控制器、加载电机控制器、功率分析仪、电池模拟器、SOC估值模块和充电***控制器。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
本发明以电池模拟器工况可编程功能实现蓄电池组放电负载的模拟，不同于传统机械传动连接，没有传动功率损失，更准确的对蓄电池组放电特性试验。蓄电池试验***，不同于传统电池试验利用负载电机模拟电池放电过程中的负载，本发明特点在于利用电池模拟器实现蓄电池组放电试验模拟工况负载。
电池模拟器的工作特点在于可以在上位机控制平台，对电池模拟器工况进行编程。本发明逆向运用电池模拟器的可编程控制的特点，实现对电池性能试验。同时电池试验过程中可以对蓄电池电能回馈。
本发明采用负载电机模拟电动拖拉机实际工况中的负载，当试验***工作转矩大于负载电机时，负载电机可以作为发电机，将能量以电能的形式回馈到电网。
本发明采用双滚筒装置模拟电动拖拉机在工作状态下负载，对主电机驱动***驱动效率、转速、转矩等进行分析。双滚筒装置工作原理为，电动拖拉机在不同传动速度下，调节液压马达与双滚筒驱动力的大小可以模拟电动拖拉机在不同工况下的负载。双滚筒装置力矩传感器对液压马达与滚筒传动轴力矩进行测量，速度传感器对滚筒转速进行测量，测量信号经过数据采集卡传输到上位机。驱动系转速转矩传感器对驱动轴测量，使驱动轴工况与双滚筒装置匹配。
本发明可以实现对电动拖拉机动力***、驱动***、整车匹配等进行试验，为电动拖拉机开发提供良好的平台。
附图说明
图1是本发明的电动拖拉机试验台的工作原理图；
图2是本发明的蓄电池组试验***的原理图；
图3是本发明的电动机测试***的原理图；
图4是本发明的驱动***的试验原理图；
图5是本发明的SOC估值***的过放电保护工作图；
图6是本发明的CAN总线网络拓扑图。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步的详细说明。
CAN 即控制器局域网络，CAN 最初是由德国的BOSCH公司为汽车监测、控制***设计，目前在机械行业通信***中已经得到了广泛的应用。
与一般的通信总线相比,CAN总线的数据通信具有突出的可靠性、实时性和灵活性。CAN总线以报文的方式进行传输，具有高效性和可靠性，同时可以实现各个网络节点之间实时的通信。CAN总线通讯采用非破坏性位仲裁总线机构机制，当两个节点同时向网络上传送信息时，优先级低的节点主动停止数据发送，而优先级高的节点可以不受影响地继续传输数据。
本发明的基于CAN通信电动拖拉机试验台，其通信发明特点在于，采用目前发展成熟的CAN总线即控制器局域网***。本试验台采用CAN总线通讯可以实时高效的对每个节点发送的信息进行分析反馈，可以满足试验台对数据传输的要求。CAN总线在本试验台上的应用，不仅可以实现各个控制器元件与上位机之间的信息交互，同时可以使各个控制器元件之间的信息共享。
本发明CAN总线采用CAN2.0B通讯协议，CAN2.0B通讯协议在CAN通讯协议对物理层和数据链路层标准规范外，引入了第二种报文格式，即标准帧和扩展帧。具有十一位标识符的CAN帧为标准帧，具有二十九位标识符的CAN帧为扩展帧。CAN总线来实现汽车内部控制***与各检测和执行机构间的数据通信。
如图所示，一种基于CAN通信的多功能电动拖拉机试验台，包括电源模块、动力模块、驱动模块和控制***；
电源模块包括蓄电池组、充电***、充电***控制器、电压传感器、电池模拟器、温度传感器、霍尔电流传感器和电荷积累SOC估值模块。SOC指电池储能***的荷电状态。
充电***的作用是实现对蓄电池组的反复充电，充电***外接三相电网，输出两相电与蓄电池组连接。充电***控制***的作用是实现对蓄电池不同充电模式的选择控制。目前蓄电池组充电模式主要有恒流充电，恒压充电，恒压限流充电，先恒流后恒压充电，衰减充电等。衰减充电是实现快充的一种方法，是指当蓄电池组端电压升高的过程中，充电电流以非线性衰减充电的一种方式，既能够保证蓄电池组充电时间同时减少在充电过程中气泡的生成。
充电***控制器有两组通讯接口，RS485接口和RS485转CAN接口。RS485接口与电池SOC模块进行信号通讯，充电***控制器接收信号，实现对充电***电路的通断。RS485转CAN接口，将充电***信号通过CAN通讯传递到上位机，通过上位机显示对充电方式进行选择控制。在不同的充电方式下，充电***控制器控制选择充电***不同电路对蓄电池组进行充电工作。蓄电池组后接两组电磁继电器，电磁继电器信号通过上位机控制，实现主电动机***和辅电动机***工作状态的控制。
由于三相交流电动机每一相都有电压和频率两个独立的输入变量，同时都有转速和磁通两个独立的输出变量，而电压、频率、磁通和转矩等又互相影响，它们之间是一个多变量、非线性形成强耦合的多变量***。所以按照传统方法是很难实现对三相交流电机的转速转矩控制。随着矢量控制理论的发展，我们可以根据坐标变换的方法对三相交流电动机的输入量进行等效变换。电机控制器是基于矢量控制理论，通过集成电路的主动工作来控制电机按照设定的转速转矩进行工作。电机控制器可以与上位机进行信号传递，通过上位机进行编程，使电机以设定的工况进行工作。
电压传感器连接在蓄电池组的充电端和放电端，电压传感器与蓄电池组并联，测量蓄电池组两端电压，由于蓄电池组没有放电，电压传感器所显示电压即为蓄电池组电动势。温度传感器和霍尔电流传感器连接在蓄电池组的放电端，充电***由充电***控制器控制，电池模拟器外端通过电路接口连接三相电网，电池模拟器内端口与蓄电池组连接，温度传感器与霍尔电流传感器连接，霍尔电流传感器和电荷积累SOC估值模块连接，充电***控制器和电荷积累SOC估值模块连接。
蓄电池组放置在一个恒温箱内，恒温箱的温度设置为25°C、30°C、35°C、40°C等几个等级。蓄电池充电方式有恒压充电和恒流充电等方式。
蓄电池组性能试验如附图2所示，特点在于：
一、通过电荷积累SOC估值模块对蓄电池组在不同工况不同时刻下电荷剩余量SOC进行测试，并通过通讯***将信号传递到上位机，在上位机中得到目前蓄电池剩余电荷量、剩余行驶里程等相关数据；
二、蓄电池组过放保护功能，当蓄电池组SOC估值模块得到的蓄电池组剩余电荷量小于0.3时，由上位机发出命令控制与主副电动机控制器连接的电磁继电器实现断开工作，保证了***正常工作，工作过程如附图5所示；
三、可以实现在不同工况下对蓄电池组放电曲线的测试，通过在上位机中写入预期的工况程序，在matlab软件中生成dll文件控制电池模拟放电状态，从而模拟蓄电池组在犁耕、旋耕、加速、爬坡等工况下的放电试验；
四、蓄电池组电能电网回馈，对蓄电池组性能试验时剩余电量可以通过电池模拟器反馈到电网，电池模拟器在向电网回馈能量时，电流波形平滑无尖峰，严格与电网电压相反，不产生无用功，功率因数达到0.99，并且不会污染电网导致电网谐波增大；
五、由于电池在不同温度下放电工作会得到不同的放电曲线，试验***备有恒温箱，可以保证电池在恒温条件下进行放电工作。
蓄电池试验***，不同于传统电池试验利用负载电机模拟电池放电过程中的负载，本发明的特点在于利用电池模拟器实现蓄电池组放电试验模拟工况负载。电池模拟器的工作特点在于可以在上位机控制平台，对电池模拟器工况进行编程。本发明逆向运用电池模拟器的可编程控制的特点，实现对电池性能试验。同时电池试验过程中可以对蓄电池电能回馈。
电池模拟器外端通过电路接口与三相电网直接连接，内端经过两相电路接口与蓄电池连接。电池模拟器通讯方式，电池模拟器自带CAN通信一路，RS485一路。电池模拟器控制信号经过CAN通信传输到CAN总线，向上位机接收或发送控制信号。蓄电池充放电信号采集，电压传感器连接在蓄电池组充电端与放电端，即测量电压为蓄电池组放电电压；电流传感器连接在蓄电池组放电端，即测量主电动机与辅电动机回路总电流；温度传感器直接与蓄电池组连接，实时反馈蓄电池组充放电温度。
SOC估值模块为：
Figure 842159DEST_PATH_IMAGE002
Figure 759300DEST_PATH_IMAGE004
表示当前剩余电量，
表示在最近一次充满电之后，电池中已经放掉的电荷。
本发明采用目前SOC估值精度较高的电荷积累法，对蓄电池组工作过程中的SOC值（剩余电池量）进行计算，当值大于零时，表示处于放电状态；当值小于零时表示处于充电。
蓄电池组试验***，霍尔电流传感器采集蓄电池组放电电流，SOC估值模块根据上述公式进行计算。SOC估值模块与上位机通过CAN通信连接，进行信号传输。
本发明电动机性能试验如附图3所示，发明特点在于，采用加载电机和加载电机控制器组成试验电机加载***。发明特点一、加载电机可以四象限运转，既可以作为发电机运转，也可以作为电动机运转，试验过程中可以实现电能回馈；二、加载性能优越，在额定转速下可以保持恒扭矩加载，额定转速以上可以恒功率加载。
加载电机控制器由电源模拟器供电工作，实现对电机转速转矩控制。加载电机控制器通过RS232接口转CAN接口，接收和发送命令到上位机。加载电机与试验电机输出轴通过联轴器连接。转矩转速传感器采集试验电机输出轴工作状态，经由数据采集卡传输到上位机，上位机程序得到试验电机输出端的输出功率。
功率分析仪连接在主电机控制器两端，根据主电机控制器输入端的电流电压值，得到试验电机输入端输入功率。功率分析仪三通道输入，通过RS232接口转CAN接口进行CAN通讯。
电机试验***可以得到试验电机转速转矩特性，电机效率MAP图等工作特性曲线。
驱动轮负载加载试验如附图4所示，本发明采用双滚动装置，通过调节控制双滚筒所受扭矩模拟整车在不同工况下受到的负载。本发明特点一，双滚筒调速机构是由液压调速***控制。与传统电气化速度控制相比，液压***运动惯量小，反应速度快，可以大范围的实现无级调速，实现工作工程中的过载保护。本发明特点二，液压泵驱动电机采用变频器控制调速。
变频器采用恒压频比（V/F）控制方式，保持感应电机定子输入相电压和频率比值不变来实现气隙磁通恒定。变频器调速范围宽，容易实现电机的正反转切换。
在双滚筒液压调速***中，电机与液压泵通过联轴器进行连接，液压泵、液压马达、双滚筒之间通过联轴节连接进行动力传递。液压泵与液压马达之间安装有一个双向溢流阀，当液压***输入油压超过安全值时，油液可以经由溢流阀回到油箱；当液压***回路油压过高时，也可以经由溢流阀回到油箱，实现液压***自我过载保护。
飞轮电磁离合装置与双滚筒装置协同工作，飞轮组模拟整车在工作过程中的运动惯量。飞轮离合装置是由多个飞轮组构成，每个飞轮组之间通过电磁离合器连接。
在双滚筒装置驱动轴以及驱动轮输入轴端分别安装有转速转矩传感器，对驱动轮试验过程中，驱动轮输入轴以及滚筒转速进行信号采集。转速转矩传感器与数据采集卡连接，将采集的数据经由数据采集卡传输到上位机，对试验中驱动轮工作特性进行分析。
PTO动力输出轴性能试验如附图3所示，本发明特点在于：
动力输出轴动力加载是由加载电机实现，加载电机转速由加载电机控制器控制，当动力输出轴转矩大于加载电机时，可以实现电能回馈到电网。
动力输出轴与负载电机通过联轴器连接工作，负载电机控制器三相输入与负载电机连接，电源模拟器与电网连接输出两相电与负载电机控制器连接，为电机工作提供电能。
负载电机控制器由RS232接口转CAN接口，接收和发送控制命令到上位机。转速转矩传感器测量动力输出轴输入端数据，经由数据采集卡到上位机，实现试验过程中通信交互。
上位机软件采用在LabVIEW平台下开发，用于对试验过程中试验蓄电池组端电压、电流、SOC值等数据显示、分析和存储，可以自动生成蓄电池组特性曲线。
霍尔电流传感器与蓄电池组串联，测量蓄电池组当前充电状态下工作电流。SOC估值模块根据霍尔电流传感器采集信息，以电荷积累法为基础，当前蓄电池组电荷量为时间段内对蓄电池组电流的积分。蓄电池组SOC值与蓄电池电动势从理论上来讲是一一对应，当SOC值为100%时，蓄电池电动势达到最大值，充电***控制器控制充电***停止工作。
本发明蓄电池组放电特性试验，采用电池模拟器模拟蓄电池组在不同工况下的负载，与传统蓄电池组采用负载电机模拟负载不同，蓄电池组和电池模拟器不需要传动***，没有中间传动环节，不存在传动功率损失，更精确的对蓄电池组放电特性进行试验。蓄电池组放电特性试验，电池模拟器模拟放电负载，可以进行电能回馈到电网，不会造成电能浪费。电池模拟器可以通过上位机MATLAB平台对电池类型和电池模型数据进行编程数据导入。电池类型包括有铅酸、镍氢、磷酸铁锂、钴酸锂、锂电池等。
通过设置不同的电压、电流、功率、SOC、内阻来模拟不同的电池特性。蓄电池组放电特性试验，逆向运用电池模拟器放电功能。通过上位机软件MATLAB平台电池类型选择对应电池类型，设置电压、电流等放电特性模拟电动拖拉机在旋耕、犁耕等不同工况下的负载。电池模拟器通过CAN收发器采用CAN总线通讯完成与上位机通讯，发送和接收控制指令。电压传感器、霍尔电流传感器对放电状态反馈，在上位机上可以生成放电特性曲线。
动力模块包括主电动机、主电动机控制器、主电磁继电器、辅电动机、辅电动机控制器、辅电磁继电器、加载电机、加载电机控制器、电源模拟器和电磁继电器，主电动机控制器通过主电磁继电器连接蓄电池组，辅电动机控制器通过辅电磁继电器连接蓄电池组，主电动机连接主电动机控制器，辅电动机连接辅电动机控制器，主电动机控制器上并联有功率分析仪，加载电机通过联轴器与主电动机连接，加载电机由加载电机控制器控制，加载电机控制器连接电源模拟器，电源模拟器连接电磁继电器，电磁继电器连接电网。
驱动模块包括变速箱、驱动系、驱动轮、PTO传动系、动力输出轴、负载电机、负载电机控制器、电源模拟器、双滚筒装置、飞轮电磁离合器装置、变频器、液压马达、液压泵、油箱；变速箱的输入轴连接主电动机，变速箱的输出轴连接驱动系，驱动系连接驱动轮，驱动轮连接双滚筒装置，双滚筒装置连接飞轮电磁离合器装置，双滚筒装置连接液压马达，液压马达连接液压泵，液压泵连接油箱，液压泵连接三相交流电机，三相交流电机连接变频器，变频器连接电网，PTO传动系的输入轴连接辅电动机，PTO传动系的输出轴连接动力输出轴，动力输出轴通过联轴器连接负载电机，负载电机由负载电机控制器控制，负载电机控制器连接电源模拟器，电源模拟器连接电网。
主电动机、驱动系和动力输出轴上均安装有转矩转速传感器，双滚筒装置上安装有力矩传感器和速度传感器，转矩转速传感器安装于各被测零部件的相应位置，用于试验时对各被测零部件的转矩、转速进行检测。
控制***包括CAN总线，CAN总线包括微处理器、CAN控制器和CAN收发器；充电***控制器、电荷积累SOC估值模块、电池模拟器、功率分析仪、加载电机控制器、变频器、负载电机控制器均连接微处理器并向微处理器发送指令，微处理器接收相应指令并传送给CAN控制器，CAN控制器将接收的指令按照CAN协议格式标准帧发送至CAN收发器，CAN收发器将标准帧格式指令转化为电平信号传输到CAN总线；CAN控制器将节点控制器发出的信号转化为满足CAN通信的报文格式。CAN收发器连接CAN控制器与物理介质，实现通信传输。
试验台CAN总线网络拓扑结构如图6，试验台有充电***控制器、SOC估值模块、电池模拟器、功率分析仪、加载电机控制器、变频器、负载电机控制器等七个节点。
CAN总线按照CAN2.0B协议进行报文传输，CAN2.0B协议对标准帧和扩展帧格式进行了标准规定。试验台物理介质采用双绞线自身校验的结构，既可以防止电磁干扰对传输信息的影响，也可以防止本身信号对外界的干扰。
该试验台采用CAN通信方式，以CAN2.0B规范对各个控制器节点优先级进行定义，当多个节点同时向CAN总线发送命令时，优先级高的节点享有优先发送，优先级低的节点处于等待状态，CAN总线空闲时再进行传输；CAN总线节点标识符优先级次序为：负载电机控制器、变频器控制器、加载电机控制器、功率分析仪、电池模拟器、SOC估值模块、充电***控制器。
CAN总线结构采用一条高CAN总线传输方式，高CAN总线传输速率可以达到500kb/s，可以满足本试验台信息传输。
转矩转速传感器、力矩传感器、速度传感器、电压传感器、主电磁继电器和辅电磁继电器连接数据采集卡，数据采集卡连接CAN总线；CAN总线通过CAN通信接口与整车ECU连接，用于将接收的信息传递到整车ECU。ECU是指电子控制单元。
整车ECU与试验台ECU以及上位机连接，CAN总线通过CAN通信接口与整车ECU连接，将每个节点传输的信息传递到整车ECU,整车ECU对接收数据分析协调试验台各个部件之间的协调工作。整车ECU与试验台ECU以及工况机连接，工况机对试验过程中各个节点的信息进行分析得到相关部件性能曲线结论。整车ECU实现对各个控制器控制协调控制，试验台ECU完成对试验过程中采集数据分析，在上位机显示。
电池模拟器与蓄电池组通过两相电连接；加载电机控制器和电源模拟器通过两相电连接；电源模拟器和电磁继电器通过三相电连接，电磁继电器连接电网通过三相电连接；主电动机和主电动机控制器通过三相电连接，主电动机控制器和主电磁继电器通过两相电连接，主电磁继电器和蓄电池组通过两相电连接，输出三相工作电压，与主电动机的六个接线柱采用“三角形”接线；辅电动机和辅电动机控制器通过三相电连接，辅电动机控制器和辅电磁继电器通过两相电连接，辅电磁继电器和蓄电池组通过两相电连接。
双滚筒装置和负载电机同时提供负载，模拟电动拖拉机整车在工作条件下的负载，对整车工作特性试验。
当电荷积累SOC估值模块的反馈信号SOC<0.3时，上位机控制试验台电磁离合器开关断开，实现试验台过放电保护；当电荷积累SOC估值模块的反馈信号SOC＞0.3时，上位机控制试验台电磁离合器开关闭合，试验台进行试验。
为了实现电动拖拉机试验台多功能化，本试验台是由不同试验***组成，由上位机控制电磁继电器通断来实现不同回路工作。试验台试验有四种工作模式：
一、主电磁继电器和辅电磁继电器都断开，对试验台蓄电池组性能进行试验；
二、主电磁继电器闭合，辅电磁继电器断开，主电动机驱动系工作，对主电动机驱动系传动性能试验；
三、主电磁继电器断开，辅电磁继电器闭合，辅电动机带动PTO动力输出轴工作，负载电机模拟工作负载，对动力输出轴工作状态进行试验分析；
四、主电磁继电器和辅电磁继电器同时闭合，主电动机驱动***和辅电动机动力输出轴同时工作，对电动拖拉机整车工况试验；
主电磁继电器和辅电磁继电器都断开，试验台主电机驱动***和辅电机动力输出轴不工作，对蓄电池组性能工作特性进行试验。蓄电池组工作性能试验包括有充电特性测试和放电特性测试。
试验台试验过程中由整车ECU对各个模块控制器工作状态进行控制，可以实现对整车ECU工作性能试验。
控制***控制连接电池管理单元、发动机控制器、电机控制器、变速箱控制器和主电机控制器，用于对相应的被测部件进行协调控制。
试验***模块包括蓄电池组性能试验、主副电动机性能试验、驱动轮负荷加载试验、动力输出轴动力性能试验；加载模块用于连接动力输出装置，在模拟作业状态下，为整个拖拉机动力输出加载不同程度的负载，
采用双滚筒装置模拟电动拖拉机在工作状态下负载，双滚筒装置通过液压***对主电机驱动***驱动效率、转速、转矩等进行分析；双滚筒装置工作原理为，电动拖拉机在不同传动速度下，调节液压马达与双滚筒驱动力的大小可以模拟电动拖拉机在不同工况下的负载。
通过上位机平台控制变频器，对三相交流电机工作状态进行调节，变频器控制信号通过CAN总线与上位机交换。
液压泵经过液压回路将动力传递到液压马达，上位机测试***能够实现对双滚筒装置转矩的控制，进而模拟电机驱动***不同负载。
双滚筒装置力矩传感器对液压马达与滚筒传动轴力矩进行测量，速度传感器对滚筒转速进行测量，测量信号经过数据采集卡传输到上位机；驱动系转速转矩传感器对驱动轴测量，使驱动轴工况与双滚筒装置匹配。
飞轮电磁离合装置对电动拖拉机在不同工况下整车惯量进行模拟，飞轮组之间通过电磁离合器进行动力连接，不同整车惯量通过电磁离合器的通断控制工作飞轮数量；
功率分析仪与主电机控制器并联，采集主电机工作电压电流，得到驱动***输入总功率；功率分析仪控制指令通过CAN总线输出到上位机；
电动拖拉机犁耕工况试验分析，电机控制器控制电机转速，电动拖拉机低速蓄电池组以恒功率方式放电。
上位机控制变频器调节滚筒力矩模拟犁耕工况下等同负载。上位机对***传感器信号分析，可以得到主电机驱动***传动效率。以一定间隔调节电机转矩，得到在不同转速下的驱动特性。
动力输出轴负载是由负载电机提供，加载电机转速转矩通过负载电机控制器进行控制；拖拉机动力输出轴的转速按照国家标准GB1592-86有两种转速要求，即540r/min和1000r/min。本发明试验台，动力输出轴负载是由负载电机提供，加载电机转速转矩通过负载电机控制器进行控制。上位机与加载电机控制器通过CAN总线通讯控制。
当负载电机转矩大于动力输出轴输出转矩时，动力输出轴处于减速状态，负载电机作为电动机；当负载电机转矩小于动力输出轴转矩时，动力输出轴处于加速状态，负载电机作为发电机，将多余动力以电能的形式回馈到电网；
转速转矩传感器串联在动力输出轴，实时采集试验过程中动力输出轴工作状态；动力输出轴标准转速试验分析，辅电机控制器控制辅电机转速达到国标要求动力输出轴转速，负载电机控制器调节负载电机转速，当动力输出轴转速达到540r/min和1000r/min时，记录下此时的工况转矩即动力输出轴标准转矩。
最大功率试验分析，蓄电池组以恒功率状态放电，负载电机控制器间隔性调节负载电机工况，直到出现最大功率为止，此时即为动力输出轴最大功率点。
蓄电池组以恒功率状态放电，负载电机控制器间隔性调节负载电机工况，直到出现最大功率为止，此时即为动力输出轴最大功率点；
上位机控制平台通过CAN总线发出控制信号，控制双滚筒装置和负载电机控制器，模拟电动拖拉机工作过程负载。
蓄电池组试验***、电动机测试***、驱动***、动力输出轴***将工作信号，通过CAN总线传输到整车ECU和上位机；整车ECU协调各***之间工作，上位机对采集信号分析处理；
蓄电池组试验***，将蓄电池放置在自然状态，在一定工况试验下，上位机实时采集SOC状态，可以得到整车工作里程。上位机调控双滚筒装置和负载电机控制器，得到在不同负载条件下整车工作里程；通过蓄电池组试验***在上位机反馈的数据，对蓄电池组容量的选择提供依据。
电动机测试***采集电动机输入电压电流，即为整车输入总能量；通过驱动***和动力输出轴***采集转速转矩信号，即为整车输出能量；上位机控制平台实时显示不同工况下整车效率。
由以上说明可知，本发明基于CAN通信多功能电动拖拉机试验台，以CAN通讯为平台，可以实现电动拖拉机多功能试验。本发明试验台可以为电动拖拉机的开发提供良好的平台。
PTO指的是动力输出装置，PTO轴指的是动力输出轴，传动系指位于发动机到汽车驱动轮之间的传递动力的装置，传动系的基本功能是接受发动机的动力并传给驱动轮。PTO传动系，指的是动力输出传动装置。

Claims (7)

1.一种基于CAN通信的多功能电动拖拉机试验台，其特征在于：包括电源模块、动力模块、驱动模块和控制***；其中，电源模块连接动力模块，动力模块连接驱动模块，电源模块、动力模块、驱动模块均与控制***连接；
电源模块包括蓄电池组、充电***、充电***控制器、电压传感器、电池模拟器、温度传感器、霍尔电流传感器和电荷积累SOC估值模块，充电***连接蓄电池组并为蓄电池组供电，电压传感器连接在蓄电池组的充电端和放电端，温度传感器和霍尔电流传感器连接在蓄电池组的放电端，充电***由充电***控制器控制，电池模拟器外端连接三相电网，电池模拟器内端与蓄电池组连接，霍尔电流传感器和电荷积累SOC估值模块连接，充电***控制器和电荷积累SOC估值模块连接；
所述动力模块包括主电动机，主电动机由主电机控制器控制，主电机控制器连接蓄电池组，主电动机上安装有转矩转速传感器；动力模块还包括辅电动机、加载电机、主电磁继电器、辅电磁继电器、电源模拟器和电磁继电器，辅电动机和加载电机分别由辅电动机控制器和加载电机控制器控制，主电动机控制器通过主电磁继电器连接蓄电池组，辅电动机控制器通过辅电磁继电器连接蓄电池组，加载电机通过联轴器与主电动机连接，主电动机控制器上并联有功率分析仪，加载电机控制器连接电源模拟器，电源模拟器连接电磁继电器，电磁继电器连接电网；
所述驱动模块包括变速箱、驱动系、驱动轮、双滚筒装置；变速箱的输入轴连接主电动机，变速箱的输出轴连接驱动系，驱动系连接驱动轮，驱动轮连接双滚筒装置，双滚筒装置连接液压传动装置，并由液压传动装置控制其转动；驱动系上安装有转矩转速传感器，双滚筒装置上安装有力矩传感器和速度传感器；
所述控制***包括CAN总线，CAN总线包括微处理器、CAN控制器和CAN收发器；
充电***控制器、电荷积累SOC估值模块和电池模拟器均连接微处理器并向微处理器发送指令，微处理器接收相应指令并传送给CAN控制器，CAN控制器将接收的指令按照CAN协议格式标准帧发送至CAN收发器，CAN收发器将标准帧格式指令转化为电平信号传输到CAN总线；
转矩转速传感器、力矩传感器、速度传感器、电压传感器、主电磁继电器和辅电磁继电器连接数据采集卡，数据采集卡连接CAN总线；
CAN总线通过CAN通信接口与整车ECU连接，用于将接收的信息传递到整车ECU；整车ECU与试验台ECU以及上位机连接，上位机对试验过程中接收到的信息进行分析得到相关部件性能曲线结论。
2.如权利要求1所述的一种基于CAN通信的多功能电动拖拉机试验台，其特征在于：所述驱动模块还包括飞轮电磁离合器装置、变频器、PTO传动系、动力输出轴、负载电机、负载电机控制器和电源模拟器；液压传动装置包括液压马达、液压泵、油箱，双滚筒装置连接飞轮电磁离合器装置和液压马达，液压马达连接液压泵，液压泵连接油箱，液压泵连接三相交流电机，三相交流电机连接变频器，变频器连接电网，PTO传动系的输入轴连接辅电动机，PTO传动系的输出轴连接动力输出轴，动力输出轴通过联轴器连接负载电机，负载电机由负载电机控制器控制，负载电机控制器连接电源模拟器，电源模拟器连接电网；动力输出轴上安装有转矩转速传感器。
3.如权利要求2所述的一种基于CAN通信的多功能电动拖拉机试验台，其特征在于：电池模拟器与蓄电池组通过两相电连接；加载电机控制器和电源模拟器通过两相电连接；电源模拟器和电磁继电器通过三相电连接，电磁继电器连接电网通过三相电连接；主电动机和主电动机控制器通过三相电连接，主电动机控制器和主电磁继电器通过两相电连接，主电磁继电器和蓄电池组通过两相电连接；辅电动机和辅电动机控制器通过三相电连接，辅电动机控制器和辅电磁继电器通过两相电连接，辅电磁继电器和蓄电池组通过两相电连接。
4.如权利要求1所述的一种基于CAN通信的多功能电动拖拉机试验台，其特征在于：液压泵连接油箱之间设有溢流阀。
5.如权利要求1所述的一种基于CAN通信的多功能电动拖拉机试验台，其特征在于：
蓄电池组放置在一个恒温箱内，恒温箱的温度设置为25°C、30°C、35°C、40°C四个等级。
6.一种如权利要求3所述的基于CAN通信的多功能电动拖拉机试验台的试验方法，其特征在于：
步骤一、 霍尔电流传感器测量蓄电池组当前充电状态下工作电流，并降测量得到的数据传送给SOC估值模块，温度传感器实时向SOC估值模块反馈蓄电池组的充放电温度；
步骤二、SOC估值模块如霍尔电流传感器采集的数据和蓄电池组的充放电温度，运用电荷积累法，对当前状态的蓄电池组荷电状态进行估值，当电荷积累SOC估值模块的反馈信号SOC<0.3时，上位机控制试验台电磁离合器开关断开，实现试验台过放电保护；当电荷积累SOC估值模块的反馈信号SOC＞0.3时，上位机控制试验台电磁离合器开关闭合，试验台进行试验。
7.如权利要求6所述的基于CAN通信的多功能电动拖拉机试验台的试验方法，其特征在于，该试验台采用CAN通信方式，以CAN2.0B规范对各个控制器节点优先级进行定义， CAN总线节点标识符优先级次序为：负载电机控制器、变频器控制器、加载电机控制器、功率分析仪、电池模拟器、SOC估值模块和充电***控制器。
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