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拖拉机液压悬挂控制系统

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1系统工作原理

约翰迪尔5-754型拖拉机配备的悬挂系统是半分置式三点悬挂力-位综合调节系统[7]。使用该系统时,驾驶员对机具位置的调整是通过操作关联提升器摇臂的操纵杆实现的,操纵杆位置与机具位置具有较为线性的对应关系,控制操纵杆位置即可实现机具位置的调整。综合考虑拖拉机自动驾驶系统在正常作业和地头转弯时对机具位置控制的实际要求[8-13]以及安装便利性,本文选择带有位置反馈的直流推杆电动机作为动力源,通过机械传动机构实现对悬挂系统操纵摇臂的驱动和位置控制,进而达到自动调节作业机具高度的目的。由于不同作业机具及作业项目对悬挂系统有着不同的状态位置要求,因此实现悬挂系统的自动调节功能就需满足这些广泛的工作要求。为此,采用点动控制和位置控制相结合的方式实现悬挂系统任意位置的设定和控制。点动控制方式主要用于适宜耕深和机具提升高度的目标位置设定。进入点动控制工作模式后,推杆电动机的单步运动距离可调,人工控制推杆电动机单步运动,便于寻找并设定目标耕深和提升高度。这种控制方式提高了三点悬挂控制系统的灵活性和可操作性。同时,大大减少了拖拉机自动驾驶系统的初始化设定工作量,提高了自动驾驶系统的性能。位置控制方式是拖拉机自动驾驶系统正常工作的主要方式,系统依据机具作业状态的切换要求,通过控制单元ECU接收上位机的机具工作状态位置指令,比较推杆电动机反馈的位置信息与作业状态初始设定值,控制推杆电动机调节作业机具到达目标位置。

2硬件系统设计

2.1机械传动设计图1为推杆电动机机械传动装置的实物安装图。推杆电动机的主体固定在固定支架上,通过推杆连接套、刚性推拉杆将推杆电动机推杆与悬挂系统操纵杆相连接,通过推杆电动机往复直线运动实现悬挂操纵杆的前后转动,从而控制悬挂系统的升降。推杆电动机内部设有电位器,其信号幅值反映推杆电动机的轴端位移,与机具位置呈线性对应关系。因此通过单片机控制电路可控制推杆电动机动作来实现作业机具的精确位置控制。

2.2硬件电路设计控制单元ECU选择Cygnal公司的51系列单片机C8051F040作为微处理器,该单片机供电电压2.7~3.6V,处理速度可达25MIPS,内置8/12bitA/D转换控制器、CAN总线控制器、片内JTAG调试和边界扫描电路[14]等,为外围电路简化设计提供了很大的便利。基于微处理器性能和驱动模块实现要求,设计的硬件外围电路包括:3.3/5V稳压电源、外部晶振及复位、JTAG接口、A/D采样、直流电动机驱动、CAN接口、USART接口等。

2.2.1电源电路图2为5V稳压电源电路,LM2596-5.0芯片提供稳定的5V电压。芯片外围电路在厂商提供的经典电路基础上改进。增加了C6和C7值为0.1uf的贴片电容,来滤除芯片输入输出通道中的高次谐波。1mH电感稳定输入电流。同时增大C8电解电容值,提高输入电压的稳定度。10mH的电感可稳定输出电流。FB端口为芯片的输出电压反馈端,将其与输出端相连,使能芯片内部的转换检测,提高转换准确度。3A的F2贴片保险丝防止拖拉机电源不稳定造成其他电路的损坏。D17反向二极管防止电源正负极接反而损坏电路。该稳压电路经AS1117芯片二次稳压为C8051F040提供3.3V工作电压。

2.2.2电动机驱动电路图3为推杆电动机的驱动电路,使用了L6203全桥式直流电动机驱动芯片。该芯片内部使用4个DMOS组成全桥电路,具有快速的通断控制,可通过对IN1、IN2不同的高低电平控制,改变芯片输出电流的方向,即控制推杆电动机的伸缩,又可对ENABLE端口施加PWM信号,实时调节芯片的输出电压,控制推杆电动机的启动、制动、以及运动速度。L6203芯片耐压DC48V,且最大工作电流为5A,而本文所使用的力姆泰克(北京)传动设备有限公司的LAM3-S2型推杆电动机的额定电流为3.0A(12V),额定电压为12V或24V[15],故该芯片无论从控制要求还是电气特性上都能满足本设计要求。

3软件系统设计

3.1总体流程图图4是软件流程图。控制单元ECU上电启动后,首先对C8051F040进行初始化配置,包括C8051F040系统时钟、IO端口和片上外设功能的配置。之后软件程序进入While(1)循环,通过实时判断中断源选择不同的中断服务函数。主控程序由定时器2定时中断来驱动,包括手动信号检测,推杆电动机定位PI控制,串口输出等部分,完成推杆电动机的实际控制。定时器3中断服务函数采集推杆电动机反馈位置信息,以此来判断推杆电动机的实际位置。CAN中断服务函数的主要作用是实现下位机与上位机的CAN通信,根据设定的CAN通信协议读取上位机控制指令,为PI控制算法提供目标位置AD值。

3.2PI算法设计实际工作中,当目标位置和当前位置的差值较大时,常规PID算法产生的控制输出电压瞬间全部施加在推杆电动机上,导致电路中电流急剧增大,功率增大,电动机驱动芯片可能因此而烧毁。为避免该情况发生,研究开发了分阶段带有双阈值的电动机控制方法。在电动机启动阶段,使用前馈斜坡控制,斜坡系数Ks表示斜坡斜率;在主体运行阶段,使用反馈PI调节,设斜坡前馈和PI调节器的输出量为y(t),表示PWM占空比;输入误差为e(t),表示目标位置AD与当前位置AD之间的差值;调节器的比例系数为Kp,积分时间常数为Ti,启动阶段和主体运行阶段的阈值为VT1,死区阈值为VT2,可列出电动机控制算法的表达式。当电动机启动工作时,若目标位置和当前位置的差值大于阈值VT2,使用前馈斜坡方式产生控制信号;若差值小于阈值VT2,则直接使用PI调节器产生控制信号。PI调节器的比例环节成比例地反映控制系统的偏差信号e(t),偏差一旦产生,控制器立即产生控制作用,用来减小偏差。增大Kp会加快系统的响应速度但使系统有较大超调并产生振荡,降低系统稳定性;减小Kp会降低系统的动态响应速度,导致工作效率下降。积分环节可提高系统的精确度。Ti越大,积分作用越小,反之则越大。当目标位置和当前位置的差值落入设置的死区范围VT1时,控制输出为0。

3.3通信协议设计

3.3.1点动控制指令表1为上位机发送至下位机的点动控制指令格式,由8个字节组成。首位为升降指令标志位U,用于识别升降指令。A表示按键增加推杆电动机的AD值,S表示按键减少推杆电动机的AD值。增减量位表示控制指令具体需要增减的AD值的绝对值。最后是指令类型位,T表示点动控制指令。表2为下位机反馈的数据包,由8个字节组成。首位标志位F表示单片机下位机向上位机发送的表示当前AD位置的数据。U表示是电液悬挂控制单元而非其他控制单元向上位机发送的反馈数据包。AD_H和AD_L分别是推杆电动机当前AD值高位和低位,用于传送推杆电动机反馈的AD值。

3.3.2位置控制指令表3为上位机发送至下位机的位置控制指令,由8个字节组成。所用指令与点动控制指令定义相近,此处列出该指令定义,相似定义不再赘述。最后是指令类型位,W表示位置控制指令。下位机对位置控制指令的反馈,和点动控制时下位机反馈的数据格式一致,如表2所示。

4试验与分析

以约翰迪尔5-754型拖拉机配旋耕机作业的方式进行了田间试验。所采用的推杆电动机最大行程100mm,实际使用距离40mm,240N推力。PWM基值为60,为推杆电动机可以推拉传动机构的临界值。Ks值取20,Kp值取5,Ti值取0.1。推杆电动机两极限位置AD差值为D=1998-311=1687,阶段阈值设定为500(AD),死区阈值设定为10(AD)。图8为系统在田间作业的条件下,推杆电动机的位置数据AD值变化曲线。可以看出,目标与实际距离相差较大时,推杆电动机运动的过程中PWM比例上升,可维持最大值一段时间,直到在电动机达到目标位置后比例下降。为方便比较数据,故将PWM值平移至与目标曲线相同水平。该数据变化曲线显示,推杆电动机控制曲线能较好地跟踪目标曲线,抑制电压瞬间增大,避免瞬间大电流产生烧毁芯片,实现双阈值PI算法控制目的。图9为机具自动下降的位置值变化。当目标与实际差值较小时,由于目标与实际距离相差较小,调整时间短,PWM的变化曲线上升和下降速度快。在调整推杆电动机位置的过程中,PWM比例上升与下降,控制效果显著。

控制单元ECU的数据输出程序是由定时器T2溢出中断驱动的。定时器T2为16位定时器,由2个8位SFR组成:TMR2L和TMR2H。程序通过初始化配置,将定时器2设置为自动重装载方式,当TMR2L和TMR2H寄存器中的值与重载寄存器RCAP2中的值相等时产生溢出和中断。时钟频率为11.0592MHz,机器周期为T=12*(1/11059200)=1.0851μs,RCAP2=0x4C00,则t=T*RCAP2=0.021s。两极限位置之间运动输出得到的数据序列个数为117,则推杆电动机运动时间为2.457s,推算出推杆运动速度为V=40/2.457=16.28mm/s,符合推杆电动机厂商规定的标准速度12-17mm/s。试验结果表明,在设定死区阈值为10(AD)的情况下,实际误差最大范围是±11个AD,符合设计误差范围,体现在推杆电动机上的行程误差为±0.26mm,此精度在手动的情况下是无法感知和精确做到的,这样就避免了人工操作时需来回摇摆操纵杆以确认操作机具是否到位,节省了控制时间,提高了作业效率和质量。

5结论

以约翰迪尔5-754型拖拉机为原型平台,以直流推杆电动机为驱动动力源和控制对象,通过软轴拉线连接推杆电动机末端和悬挂系统操纵杆摇臂,实现拖拉机机械式液压悬挂系统的自动控制调节,改装简单,成本适宜,适应性广泛。试验结果表明,本研究提出的双阈值斜坡启动和反馈PI算法相结合的PWM电动机控制方法,控制响应速度快,控制精度高,适用于拖拉机液压悬挂系统的自动驾驶操纵控制。

作者:单鹏辉 张智刚 罗锡文 张继勋 刘兆朋 张亚娇 单位:华南农业大学南方农业机械与装备关键技术教育部重点实验

拖拉机液压悬挂控制系统责任编辑:杨雪    阅读:人次