拖拉機(jī)液壓懸掛控制系統(tǒng)范文

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1系統(tǒng)工作原理

約翰迪爾5-754型拖拉機(jī)配備的懸掛系統(tǒng)是半分置式三點(diǎn)懸掛力-位綜合調(diào)節(jié)系統(tǒng)[7]。使用該系統(tǒng)時(shí)，駕駛員對(duì)機(jī)具位置的調(diào)整是通過操作關(guān)聯(lián)提升器搖臂的操縱桿實(shí)現(xiàn)的，操縱桿位置與機(jī)具位置具有較為線性的對(duì)應(yīng)關(guān)系，控制操縱桿位置即可實(shí)現(xiàn)機(jī)具位置的調(diào)整。綜合考慮拖拉機(jī)自動(dòng)駕駛系統(tǒng)在正常作業(yè)和地頭轉(zhuǎn)彎時(shí)對(duì)機(jī)具位置控制的實(shí)際要求[8-13]以及安裝便利性，本文選擇帶有位置反饋的直流推桿電動(dòng)機(jī)作為動(dòng)力源，通過機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)對(duì)懸掛系統(tǒng)操縱搖臂的驅(qū)動(dòng)和位置控制，進(jìn)而達(dá)到自動(dòng)調(diào)節(jié)作業(yè)機(jī)具高度的目的。由于不同作業(yè)機(jī)具及作業(yè)項(xiàng)目對(duì)懸掛系統(tǒng)有著不同的狀態(tài)位置要求，因此實(shí)現(xiàn)懸掛系統(tǒng)的自動(dòng)調(diào)節(jié)功能就需滿足這些廣泛的工作要求。為此，采用點(diǎn)動(dòng)控制和位置控制相結(jié)合的方式實(shí)現(xiàn)懸掛系統(tǒng)任意位置的設(shè)定和控制。點(diǎn)動(dòng)控制方式主要用于適宜耕深和機(jī)具提升高度的目標(biāo)位置設(shè)定。進(jìn)入點(diǎn)動(dòng)控制工作模式后，推桿電動(dòng)機(jī)的單步運(yùn)動(dòng)距離可調(diào)，人工控制推桿電動(dòng)機(jī)單步運(yùn)動(dòng)，便于尋找并設(shè)定目標(biāo)耕深和提升高度。這種控制方式提高了三點(diǎn)懸掛控制系統(tǒng)的靈活性和可操作性。同時(shí)，大大減少了拖拉機(jī)自動(dòng)駕駛系統(tǒng)的初始化設(shè)定工作量，提高了自動(dòng)駕駛系統(tǒng)的性能。位置控制方式是拖拉機(jī)自動(dòng)駕駛系統(tǒng)正常工作的主要方式，系統(tǒng)依據(jù)機(jī)具作業(yè)狀態(tài)的切換要求，通過控制單元ECU接收上位機(jī)的機(jī)具工作狀態(tài)位置指令，比較推桿電動(dòng)機(jī)反饋的位置信息與作業(yè)狀態(tài)初始設(shè)定值，控制推桿電動(dòng)機(jī)調(diào)節(jié)作業(yè)機(jī)具到達(dá)目標(biāo)位置。

2硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1機(jī)械傳動(dòng)設(shè)計(jì)圖1為推桿電動(dòng)機(jī)機(jī)械傳動(dòng)裝置的實(shí)物安裝圖。推桿電動(dòng)機(jī)的主體固定在固定支架上，通過推桿連接套、剛性推拉桿將推桿電動(dòng)機(jī)推桿與懸掛系統(tǒng)操縱桿相連接，通過推桿電動(dòng)機(jī)往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)懸掛操縱桿的前后轉(zhuǎn)動(dòng)，從而控制懸掛系統(tǒng)的升降。推桿電動(dòng)機(jī)內(nèi)部設(shè)有電位器，其信號(hào)幅值反映推桿電動(dòng)機(jī)的軸端位移，與機(jī)具位置呈線性對(duì)應(yīng)關(guān)系。因此通過單片機(jī)控制電路可控制推桿電動(dòng)機(jī)動(dòng)作來實(shí)現(xiàn)作業(yè)機(jī)具的精確位置控制。

2.2硬件電路設(shè)計(jì)控制單元ECU選擇Cygnal公司的51系列單片機(jī)C8051F040作為微處理器，該單片機(jī)供電電壓2.7~3.6V，處理速度可達(dá)25MIPS，內(nèi)置8/12bitA/D轉(zhuǎn)換控制器、CAN總線控制器、片內(nèi)JTAG調(diào)試和邊界掃描電路[14]等，為外圍電路簡化設(shè)計(jì)提供了很大的便利。基于微處理器性能和驅(qū)動(dòng)模塊實(shí)現(xiàn)要求，設(shè)計(jì)的硬件外圍電路包括：3.3/5V穩(wěn)壓電源、外部晶振及復(fù)位、JTAG接口、A/D采樣、直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)、CAN接口、USART接口等。

2.2.1電源電路圖2為5V穩(wěn)壓電源電路，LM2596-5.0芯片提供穩(wěn)定的5V電壓。芯片外圍電路在廠商提供的經(jīng)典電路基礎(chǔ)上改進(jìn)。增加了C6和C7值為0.1uf的貼片電容，來濾除芯片輸入輸出通道中的高次諧波。1mH電感穩(wěn)定輸入電流。同時(shí)增大C8電解電容值，提高輸入電壓的穩(wěn)定度。10mH的電感可穩(wěn)定輸出電流。FB端口為芯片的輸出電壓反饋端，將其與輸出端相連，使能芯片內(nèi)部的轉(zhuǎn)換檢測(cè)，提高轉(zhuǎn)換準(zhǔn)確度。3A的F2貼片保險(xiǎn)絲防止拖拉機(jī)電源不穩(wěn)定造成其他電路的損壞。D17反向二極管防止電源正負(fù)極接反而損壞電路。該穩(wěn)壓電路經(jīng)AS1117芯片二次穩(wěn)壓為C8051F040提供3.3V工作電壓。

2.2.2電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電路圖3為推桿電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路，使用了L6203全橋式直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片。該芯片內(nèi)部使用4個(gè)DMOS組成全橋電路，具有快速的通斷控制，可通過對(duì)IN1、IN2不同的高低電平控制，改變芯片輸出電流的方向，即控制推桿電動(dòng)機(jī)的伸縮，又可對(duì)ENABLE端口施加PWM信號(hào)，實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)芯片的輸出電壓，控制推桿電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)、制動(dòng)、以及運(yùn)動(dòng)速度。L6203芯片耐壓DC48V，且最大工作電流為5A，而本文所使用的力姆泰克（北京）傳動(dòng)設(shè)備有限公司的LAM3-S2型推桿電動(dòng)機(jī)的額定電流為3.0A（12V），額定電壓為12V或24V[15]，故該芯片無論從控制要求還是電氣特性上都能滿足本設(shè)計(jì)要求。

3軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1總體流程圖圖4是軟件流程圖。控制單元ECU上電啟動(dòng)后，首先對(duì)C8051F040進(jìn)行初始化配置，包括C8051F040系統(tǒng)時(shí)鐘、IO端口和片上外設(shè)功能的配置。之后軟件程序進(jìn)入While（1）循環(huán)，通過實(shí)時(shí)判斷中斷源選擇不同的中斷服務(wù)函數(shù)。主控程序由定時(shí)器2定時(shí)中斷來驅(qū)動(dòng)，包括手動(dòng)信號(hào)檢測(cè)，推桿電動(dòng)機(jī)定位PI控制，串口輸出等部分，完成推桿電動(dòng)機(jī)的實(shí)際控制。定時(shí)器3中斷服務(wù)函數(shù)采集推桿電動(dòng)機(jī)反饋位置信息，以此來判斷推桿電動(dòng)機(jī)的實(shí)際位置。CAN中斷服務(wù)函數(shù)的主要作用是實(shí)現(xiàn)下位機(jī)與上位機(jī)的CAN通信，根據(jù)設(shè)定的CAN通信協(xié)議讀取上位機(jī)控制指令，為PI控制算法提供目標(biāo)位置AD值。

3.2PI算法設(shè)計(jì)實(shí)際工作中，當(dāng)目標(biāo)位置和當(dāng)前位置的差值較大時(shí)，常規(guī)PID算法產(chǎn)生的控制輸出電壓瞬間全部施加在推桿電動(dòng)機(jī)上，導(dǎo)致電路中電流急劇增大，功率增大，電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片可能因此而燒毀。為避免該情況發(fā)生，研究開發(fā)了分階段帶有雙閾值的電動(dòng)機(jī)控制方法。在電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)階段，使用前饋斜坡控制，斜坡系數(shù)Ks表示斜坡斜率；在主體運(yùn)行階段，使用反饋PI調(diào)節(jié)，設(shè)斜坡前饋和PI調(diào)節(jié)器的輸出量為y(t)，表示PWM占空比；輸入誤差為e(t)，表示目標(biāo)位置AD與當(dāng)前位置AD之間的差值；調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)為Kp，積分時(shí)間常數(shù)為Ti，啟動(dòng)階段和主體運(yùn)行階段的閾值為VT1，死區(qū)閾值為VT2，可列出電動(dòng)機(jī)控制算法的表達(dá)式。當(dāng)電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)工作時(shí)，若目標(biāo)位置和當(dāng)前位置的差值大于閾值VT2，使用前饋斜坡方式產(chǎn)生控制信號(hào)；若差值小于閾值VT2，則直接使用PI調(diào)節(jié)器產(chǎn)生控制信號(hào)。PI調(diào)節(jié)器的比例環(huán)節(jié)成比例地反映控制系統(tǒng)的偏差信號(hào)e(t)，偏差一旦產(chǎn)生，控制器立即產(chǎn)生控制作用，用來減小偏差。增大Kp會(huì)加快系統(tǒng)的響應(yīng)速度但使系統(tǒng)有較大超調(diào)并產(chǎn)生振蕩，降低系統(tǒng)穩(wěn)定性；減小Kp會(huì)降低系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度，導(dǎo)致工作效率下降。積分環(huán)節(jié)可提高系統(tǒng)的精確度。Ti越大，積分作用越小，反之則越大。當(dāng)目標(biāo)位置和當(dāng)前位置的差值落入設(shè)置的死區(qū)范圍VT1時(shí)，控制輸出為0。

3.3通信協(xié)議設(shè)計(jì)

3.3.1點(diǎn)動(dòng)控制指令表1為上位機(jī)發(fā)送至下位機(jī)的點(diǎn)動(dòng)控制指令格式，由8個(gè)字節(jié)組成。首位為升降指令標(biāo)志位U，用于識(shí)別升降指令。A表示按鍵增加推桿電動(dòng)機(jī)的AD值，S表示按鍵減少推桿電動(dòng)機(jī)的AD值。增減量位表示控制指令具體需要增減的AD值的絕對(duì)值。最后是指令類型位，T表示點(diǎn)動(dòng)控制指令。表2為下位機(jī)反饋的數(shù)據(jù)包，由8個(gè)字節(jié)組成。首位標(biāo)志位F表示單片機(jī)下位機(jī)向上位機(jī)發(fā)送的表示當(dāng)前AD位置的數(shù)據(jù)。U表示是電液懸掛控制單元而非其他控制單元向上位機(jī)發(fā)送的反饋數(shù)據(jù)包。AD_H和AD_L分別是推桿電動(dòng)機(jī)當(dāng)前AD值高位和低位，用于傳送推桿電動(dòng)機(jī)反饋的AD值。

3.3.2位置控制指令表3為上位機(jī)發(fā)送至下位機(jī)的位置控制指令，由8個(gè)字節(jié)組成。所用指令與點(diǎn)動(dòng)控制指令定義相近，此處列出該指令定義，相似定義不再贅述。最后是指令類型位，W表示位置控制指令。下位機(jī)對(duì)位置控制指令的反饋，和點(diǎn)動(dòng)控制時(shí)下位機(jī)反饋的數(shù)據(jù)格式一致，如表2所示。

4試驗(yàn)與分析

以約翰迪爾5-754型拖拉機(jī)配旋耕機(jī)作業(yè)的方式進(jìn)行了田間試驗(yàn)。所采用的推桿電動(dòng)機(jī)最大行程100mm，實(shí)際使用距離40mm，240N推力。PWM基值為60，為推桿電動(dòng)機(jī)可以推拉傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的臨界值。Ks值取20，Kp值取5，Ti值取0.1。推桿電動(dòng)機(jī)兩極限位置AD差值為D=1998-311=1687，階段閾值設(shè)定為500（AD），死區(qū)閾值設(shè)定為10（AD）。圖8為系統(tǒng)在田間作業(yè)的條件下，推桿電動(dòng)機(jī)的位置數(shù)據(jù)AD值變化曲線。可以看出，目標(biāo)與實(shí)際距離相差較大時(shí)，推桿電動(dòng)機(jī)運(yùn)動(dòng)的過程中PWM比例上升，可維持最大值一段時(shí)間，直到在電動(dòng)機(jī)達(dá)到目標(biāo)位置后比例下降。為方便比較數(shù)據(jù)，故將PWM值平移至與目標(biāo)曲線相同水平。該數(shù)據(jù)變化曲線顯示，推桿電動(dòng)機(jī)控制曲線能較好地跟蹤目標(biāo)曲線，抑制電壓瞬間增大，避免瞬間大電流產(chǎn)生燒毀芯片，實(shí)現(xiàn)雙閾值PI算法控制目的。圖9為機(jī)具自動(dòng)下降的位置值變化。當(dāng)目標(biāo)與實(shí)際差值較小時(shí)，由于目標(biāo)與實(shí)際距離相差較小，調(diào)整時(shí)間短，PWM的變化曲線上升和下降速度快。在調(diào)整推桿電動(dòng)機(jī)位置的過程中，PWM比例上升與下降，控制效果顯著。

控制單元ECU的數(shù)據(jù)輸出程序是由定時(shí)器T2溢出中斷驅(qū)動(dòng)的。定時(shí)器T2為16位定時(shí)器，由2個(gè)8位SFR組成：TMR2L和TMR2H。程序通過初始化配置，將定時(shí)器2設(shè)置為自動(dòng)重裝載方式，當(dāng)TMR2L和TMR2H寄存器中的值與重載寄存器RCAP2中的值相等時(shí)產(chǎn)生溢出和中斷。時(shí)鐘頻率為11.0592MHz，機(jī)器周期為T=12*（1/11059200）=1.0851μs，RCAP2=0x4C00，則t=T*RCAP2=0.021s。兩極限位置之間運(yùn)動(dòng)輸出得到的數(shù)據(jù)序列個(gè)數(shù)為117，則推桿電動(dòng)機(jī)運(yùn)動(dòng)時(shí)間為2.457s，推算出推桿運(yùn)動(dòng)速度為V=40/2.457=16.28mm/s，符合推桿電動(dòng)機(jī)廠商規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)速度12-17mm/s。試驗(yàn)結(jié)果表明，在設(shè)定死區(qū)閾值為10(AD)的情況下，實(shí)際誤差最大范圍是±11個(gè)AD，符合設(shè)計(jì)誤差范圍，體現(xiàn)在推桿電動(dòng)機(jī)上的行程誤差為±0.26mm，此精度在手動(dòng)的情況下是無法感知和精確做到的，這樣就避免了人工操作時(shí)需來回?fù)u擺操縱桿以確認(rèn)操作機(jī)具是否到位，節(jié)省了控制時(shí)間，提高了作業(yè)效率和質(zhì)量。

5結(jié)論

以約翰迪爾5-754型拖拉機(jī)為原型平臺(tái)，以直流推桿電動(dòng)機(jī)為驅(qū)動(dòng)動(dòng)力源和控制對(duì)象，通過軟軸拉線連接推桿電動(dòng)機(jī)末端和懸掛系統(tǒng)操縱桿搖臂，實(shí)現(xiàn)拖拉機(jī)機(jī)械式液壓懸掛系統(tǒng)的自動(dòng)控制調(diào)節(jié)，改裝簡單，成本適宜，適應(yīng)性廣泛。試驗(yàn)結(jié)果表明，本研究提出的雙閾值斜坡啟動(dòng)和反饋PI算法相結(jié)合的PWM電動(dòng)機(jī)控制方法，控制響應(yīng)速度快，控制精度高，適用于拖拉機(jī)液壓懸掛系統(tǒng)的自動(dòng)駕駛操縱控制。

作者：單鵬輝 張智剛 羅錫文 張繼勛 劉兆朋 張亞嬌 單位：華南農(nóng)業(yè)大學(xué)南方農(nóng)業(yè)機(jī)械與裝備關(guān)鍵技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)