目前,在小马力微耕机上越来越多的使用电动机作为动力源,且与电动微耕机配套的电动农具使用越来越广泛,如电动水泵,电动树枝修剪机等。但目前电动微耕机蓄电池的容量阻碍了电动微耕机的续航能力,如使用太阳能电动微耕机,则能解决能量源这一问题。而在我国鲜有见到关于太阳能微耕机方面的研究。因此,深入研究太阳能微耕机驱动系统设计理论及其光伏控制器设计、太阳能微耕机驱动特性和驱动系统控制策略,对太阳能微耕机的研究与开发具有重要意义。本文基于太阳能微耕机的工作和驱动特性要求,结合当前国内外在电动微耕机驱动系统方面的研究现状,设计并制造了适用于太阳能微耕机的轮边驱动系统,在此基础上,研制了一种以毂电机为动力输入,锂电池组为主要能量源,光伏组件为辅助能量源的太阳能微耕机。所完成的工作和取得的结论归纳如下:1、太阳能微耕机驱动系统设计计算理论研究。根据太阳能微耕机的工作特性和作业特点,提出了一种轮边驱动太阳能微耕机驱动系统新方案,并给出了太阳能微耕机的动力性和经济性评价指标及计算公式,对太阳能微耕机驱动系统主要参数的设计进行了探讨,提出了设计计算方法,建立了太阳能微耕机主要部件的理论模型。以研制的太阳能微耕机为设计实例,在晴朗天气下,分析了太阳能微耕机的动力性和经济性。研究结果表明,太阳能微耕机在低速工作时能够提供犁耕作业所需的牵引力,微耕机可正常作业。微耕机在运输作业过程中能够保持较高的运输效率。当光伏组件水平放置时,太阳能微耕机通过光伏组件平均每天所能获得的能量最多的月份为六月份,最少为一月份。不同速度、质量、坡度下太阳能微耕机在水平运输、坡道运输、水平犁耕、坡道犁耕4种不同工况下,作业负荷越轻,全天累计作业时间越长;作业速度越快,全天累计作业时间越短;使用质量越大,全天累计作业时间越短;坡度越大,全天累计作业时间越短。2、太阳能微耕机动态特性仿真研究。运用多学科领域系统动力学仿真软件SimulationX和MATLAB,对太阳能微耕机各部件分别进行建模和参数设置,开发了太阳能微耕机仿真系统,对太阳能微耕机光伏组件动态特性和微耕机动力性能进行仿真分析,分别进行空载运输作业和犁耕作业仿真,同时设计了太阳能微耕机双轴优化控制方法,研究结果表明,太阳辐射强度和环境温度对太阳能微耕机光伏电池输出特性有一定影响;在相同时刻下会有一个倾斜角使太阳能微耕机接收太阳总辐射最大;在南京地区太阳能微耕机光伏组件全年各月对应的最佳倾角差异较大,太阳能微耕机光伏组件的倾斜角与方位角在不同地理位置对太阳能微耕机所能接收的太阳辐射强度有较大的影响,从而影响微耕机所能获得的能量;太阳能微耕机驱动扭矩仅随外部载荷的变化而变化。在匀速作业时,驱动扭矩恒定;当匀速犁耕作业时,不同的工作土壤条件下,太阳能微耕机各部件输出转矩有较大的差别,与太阳能微耕机进行空载运输作业时相比,各转矩均增大;太阳能微耕机总驱动力随着外载负荷的增大而增大,但在匀速行驶工作环境相同时,总驱动力恒定不变,而在加速或减速作业行驶时,总驱动力会有一定的波动;不同的负载和转速所对应的牵引效率有较大差别。3、提出太阳能微耕机光伏控制器的总体方案设计。包括控制器的硬件电路和软件控制算法两方面的设计,控制器硬件电路设计包括主控芯片的选择、采样模块设计、驱动模块设计和供电模块设计等;同时对系统软件进行了分模块设计,提出双向扰动观察法,进行最大功率追踪仿真,系统能够快速跟踪到最大功率点并稳定工作,验证算法的可行性和正确性。4、开发了太阳能微耕机驱动系统试验台。根据太阳能微耕机试验要求,对试验台中的各个传感器进行了标定,对磁粉制动器的控制电压-转矩特性进行了试验研究,同时根据太阳能微耕机试验台的需求开发了相应的测控系统。在模拟量控制模块中的电机模拟量控制采用手动控制和自动控制,其中手动控制包括定值阶跃控制和固定步长微调控制,自动控制包括采用变步长算法和增量式PI控制算法两种方法。可以根据试验的需求对电机进行不同的控制。磁粉制动器模拟量控制采用采用定值加载、阶跃加载、斜坡加载和正弦加载四种加载方法,方便在太阳能微耕机试验时,对驱动轮加载,模拟太阳能微耕机不同的工作环境。5、太阳能微耕机动态特性试验研究。试验研究包括太阳能微耕机充电试验研究、双轴优化追踪试验研究、太阳能微耕机动力特性试验研究和太阳能微耕机模拟作业试验研究。研究结果表明,一天内太阳辐射强度变化成近似正态分布,当光伏控制器开启时,光伏控制器能够较好的实现光伏电池组件最大功率点追踪。在充电过程中,锂电池组端电压逐渐的增大,充电起始阶段锂电池组端电压增长较为明显,充电过程中,光伏组件输出电流与锂电池组充电电流的变化趋势是一致的。锂电池组的充电电流与光伏电池组件输出电流成正比关系。当太阳能微耕机作业时,姿态发生变化,双轴跟踪系统可迅速做出响应,计算出修正优化角,对双轴舵机进行调节,修正优化角与实际响应角具有相同的变化趋势,但实际响应角要滞后0.1s,具有较好的跟随效果,使其时刻保持在最优角。左驱动轮和右驱动轮的行驶速度随着电油门踏板和加载转矩的变化具有相同的变化趋势。当驱动轮加载扭矩相同时,太阳能微耕机行驶速度随着电油门踏板开度增大而增大。当电油门踏板开度一定时,太阳能微耕机行驶速度随着驱动轮上负载的增加而降低。当电油门踏板开度不变时,驱动轮功率与负载转矩成正比关系,。当电油门踏板开度不变时,锂电池组电压与驱动轮负载扭矩成反比关系。当驱动轮负载扭矩不变时,锂电池组电压随着电油门踏板开度的增大成缓慢减小趋势。当电油门踏板开度不变时,电机电流与驱动轮负载扭矩成正比关系,电流随着驱动轮负载扭矩的增大而增大,且踏板开度越大,电流的增大越明显;在相同驱动轮转速和加载扭矩下,左驱动轮和右驱动轮牵引效率基本相同,具有相同的变化趋势。在牵引试验中,太阳能微耕机具有较好的牵引性能;在带负载启动试验中,在较大带载启动情况下,太阳能微耕机能够快速的启动,有较好的带负载启动能力。在突变载荷试验中,太阳能微耕机有较好的抵抗冲击载荷的能力。6、开发了太阳能微耕机驱动控制策略并进行了台架及样机试验。以LabVIEW为研究平台,开发了太阳能微耕机驱动控制策略,划分了太阳能微耕机驱动模式,建立了驱动模式判别和切换控制策略模型。结合太阳能微耕机驱动系统试验平台,对太阳能微耕机驱动系统控制策略进行了研究。台架试验结果表明,驱动系统在电油门踏板行程达到10%后,系统进入启动模式并对电油门踏板位置及变化率进行解析,驱动系统能够较好的解析驾驶员的启动意图,有较好的启动品质;田间作业模式下,驱动系统能够根据负载的变化调节驱动电机,驱动系统能够按照效率最佳曲线运行;运输作业模式下,驱动系统能够迅速做出响应并稳定在目标转速;能量限制模式下,驱动系统能够快速的做出响应并维持在额定功率的一半;在模式切换试验中,驱动系统能够在不同的环境中平顺的切换工作模式,具有较好的切换品质。样机试验结果表明,样机在田间作业模式下左右驱动轮转矩稳定在110N·m并有20N·m左右的波动,驱动轮实际转速根据目标转速变化进行相应调节,有较好的跟随效果;左右驱动系统在2s后将驱动系统效率控制在0.8左右。控制系统能够根据负载的变化自动调节驱动系统,使驱动系统能够适应负载的变化并在效率较高范围内稳定工作;样机在运输模式下驱动系统能够迅速做出相应并稳定在预设目标转速。通过本课题的研究,可以为太阳能微耕机驱动系统及控制系统开发提供理论依据和技术支持。