一种电动旋耕机及其控制方法与流程

本发明属于农业机械，具体为一种电动旋耕机及其控制方法。

背景技术：

1、电动旋耕机以电动机替代燃油发动机作为动力源，可减少尾气排放和作业噪音。受限于电池成本和输出电压等级，电动农机广泛采用72v或96v低电压平台。在该电压平台下，以耕幅1.2米、耕深15厘米的中等土壤作业工况为例，净作业功率需求约为13kw以上，单个大功率电机在低电压平台下工作电流极大，绕组发热严重，散热困难，且控制器功率开关管的电流应力随母线电压降低而显著增大，存在选型困难和成本高的问题。为解决单电机功率不足，部分技术方案采用双电机并联驱动，通过行星齿轮耦合器等刚性耦合装置实现双电机动力汇流。然而，旋耕机作业时耕幅内土壤不匀质，左右两侧负载经常不平衡，负载较轻一侧的电机被刀轴反拖进入发电状态，产生反向电动势。在低电压平台下，反向电动势的电压尖峰相对于母线电压的比例更高，极易击穿电机驱动器的功率开关管。此类刚性耦合方案无法在负载不均衡时让负载较轻的动力源脱离传动链，导致其必然被反拖发电。

2、现有双电机转速协同控制策略多采用主从同步或交叉耦合控制等方式，属于反馈控制，即先检测到转速差，再通过控制算法进行调节，响应时间通常在50至200毫秒。而旋耕机遭遇突发冲击载荷时，负载变化发生在毫秒级，在控制器尚未完成调节的时间窗口内，反向电动势已经产生。上述“低电压平台下双电机关联驱动因土壤不匀质导致单侧电机被反拖产生反向电动势”的问题，是电动旋耕机在低电压、双电机这一特定动力架构和旋耕作业这一特定工况下所面临的特有技术问题，该问题在单电机驱动或高压平台下不存在或不显著，在非旋耕作业工况下也不会出现。

技术实现思路

1、针对上述情况，为克服现有技术的缺陷，本发明提供一种电动旋耕机及其控制方法，有效的解决了上述背景技术中提到的问题。

2、为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种电动旋耕机，包括机架，所述机架上安装有第一电机与第二电机，所述机架上安装有第一单向轴承与第二单向轴承，所述第一单向轴承与所述第二单向轴承与刀轴连接，且分别位于所述刀轴两侧末端，所述第一电机与所述第一单向轴承之间通过第一汇流机构连接，所述第二电机与所述第二单向轴承之间通过第二汇流机构连接；

3、所述机架上安装有主控制器与从控制器，所述主控制器与所述第一电机电连接并控制所述第一电机，所述从控制器与所述第二电机电连接并控制所述第二电机，所述主控制器和所述从控制器通过通信总线电连接，所述主控制器和所述从控制器被配置为主从同步模式；

4、所述主控制器采集所述第一电机的电流和转速；通过所述通信总线获取所述第二电机的电流和转速；基于物理信息神经网络时序预测模型，根据当前时刻及历史时刻的电流和转速数据预测未来短时域内的旋耕载荷变化趋势；根据预测的载荷变化趋势直接确定总需求转矩，并根据总需求转矩与单电机额定转矩的比较结果，以及模型预测转化为实际负载时的不确定度置信区间，确定双电机之间的转矩分配策略；

5、所述从控制器采集所述第二电机的电流和转速并通过所述通信总线发送至所述主控制器；接收所述主控制器的转矩指令并跟随执行。

6、优选的，所述第一汇流机构包括所述机架上安装的第一防护罩，所述第一电机输出轴末端连接有第一主动链轮，所述第一主动链轮与第一从动链轮之间通过第一链条连接，所述机架上连接有第一张紧轴，所述第一张紧轴上安装有第一张紧轮且对所述第一链条张紧，所述第一从动链轮安装在第一链轮轴，且与所述第一单向轴承连接；

7、所述第二汇流机构包括所述机架上安装的第二防护罩，所述第二电机输出轴末端安装有第二主动链轮，所述第二主动链轮与第二从动链轮之间通过第二链条连接，所述机架上安装有第二张紧轴，所述第二张紧轴上安装有第二张紧轮且对所述第二链条张紧，所述第二从动链轮安装在第二链轮轴上，且与所述第二单向轴承连接。

8、优选的，所述第一单向轴承和所述第二单向轴承的设置方向相同，均被配置为：当从动链轮侧转速高于刀轴侧转速时结合以传递动力，当从动链轮侧转速低于刀轴侧转速时超越以切断动力传递路径；

9、所述刀轴的实际物理转速等于所述第一从动链轮的转速与所述第二从动链轮的转速中的较大值。

10、优选的，所述机架上铰接有挡土刮板，所述机架上对称连接有固定座，所述固定座上铰接有铰接座，所述铰接座下部连接有导杆，所述导杆与导块滑动连接，所述导块铰接在导块铰接座上，所述导块铰接座固定安装在所述挡土刮板上，所述挡土刮板上安装有提手，所述铰接座与所述导块之间连接有弹簧；

11、所述刀轴上安装有若干个刀座，所述刀座上安装有刀具。

12、优选的，所述主控制器和所述从控制器通过can总线连接，以不小于1ms的周期交换运行数据，所述运行数据包括实时电流、实时转速和转矩指令；

13、所述物理信息神经网络时序预测模型的损失函数包含数据驱动项和物理约束项，所述物理约束项为旋耕作业功率方程。

14、本发明还提供了一种电动旋耕机的控制方法，基于上述所述的一种电动旋耕机，包括以下步骤：

15、步骤一：所述主控制器采集第一电机的电流和转速；所述从控制器采集第二电机的电流和转速并通过所述通信总线发送至所述主控制器；

16、步骤二：所述主控制器基于物理信息神经网络时序预测模型，根据当前时刻及历史时刻的电流和转速数据预测未来短时域内的旋耕载荷变化趋势；

17、步骤三：所述主控制器根据预测的载荷变化趋势直接确定刀轴总需求转矩，并根据与单电机额定转矩的比较结果确定驱动模式：当≤时采用单电机驱动模式，当>时采用双电机驱动模式并向所述从控制器发送转矩指令；在双电机驱动模式下，所述主控制器根据模型预测转化为实际负载时的不确定度置信区间，确定第一电机与第二电机之间的转矩分配系数，使得分配后的两侧转矩均在各自电机的额定转矩范围内；

18、步骤四：在双电机驱动模式下，所述主控制器和所述从控制器以主从同步模式工作，所述从控制器接收所述主控制器的转矩指令并跟随执行；

19、步骤五：当因土壤瞬间冲击导致主从同步控制和转速补偿不足以抑制转速差时，转速较低一侧对应的单向轴承自动进入超越状态，从物理层面切断该侧从动链轮与刀轴的连接，该侧电机仅需克服自身惯性力矩运转；此时所述主控制器将所述物理信息神经网络时序预测模型的预测结果与该侧单向轴承进入超越状态的时刻进行时序关联，在后续连续若干个控制周期内持续监测该侧从动链轮转速是否回升至刀轴转速，待该侧从动链轮转速回升至刀轴转速后，逐步恢复转矩供应而非瞬时恢复至原分配值，直至单侧超越事件的影响完全消除。

20、优选的，步骤二中所述物理信息神经网络时序预测模型的输入特征包括当前时刻及过去n个时刻的第一电机电流序列、第二电机电流序列、第一电机转速序列和第二电机转速序列，n≥10；所述模型的输出为未来100-500ms内的载荷变化趋势；

21、所述物理信息神经网络时序预测模型的损失函数包含数据驱动项和物理约束项，所述物理约束项为旋耕作业功率方程。

22、优选的，步骤三中所述刀轴总需求转矩按照以下公式直接确定：，其中为当前基础转矩，为预测增益系数；

23、步骤三中所述主控制器向所述从控制器发送的转矩指令为，其中为分配系数，0<<1。

24、优选的，所述主控制器采集第一电机电流的采样频率和所述从控制器采集第二电机电流的采样频率均不低于1khz。

25、优选的，步骤五中所述主控制器在单侧超越事件发生后，通过所述can总线指令将处于超越状态的电机切换至转矩模式，使其输出转矩逐步恢复，恢复过程中的转矩增量不大于预设增量限制。

26、与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明在双电机驱动模式下，将物理信息神经网络时序预测模型的预测不确定度与双电机之间的转矩分配策略直接关联：当预测置信区间较宽时采用平均分配策略，避免因预测偏差导致单侧过载；当预测置信区间较窄时在两侧电机额定转矩范围内进行优化分配，平衡两侧电机的累计工作负荷。该控制策略专门针对低压双电机并联驱动这一特定架构，利用pinn模型输出的不确定度信息指导转矩分配决策，在单电机驱动或刚性耦合方案中均不存在此需求。

27、本发明在单向轴承因土壤瞬间冲击进入超越状态后，不采用瞬时恢复转矩的方式，而是将预测模型的输出与超越事件的发生时刻进行时序关联，在确认该侧具备恢复条件后以预设增量逐步恢复转矩供应。该恢复策略专门针对双电机并联加单向轴承这一特定机械结构设计，避免了传统瞬时恢复方式可能导致的系统振荡或另一侧单向轴承再次超越，在传统单电机驱动方案中不存在此机制。