懸掛式農(nóng)機(jī)具電液智能控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

吳延勇

（漣水縣生產(chǎn)力促進(jìn)中心，江蘇 淮安 223400）

電液智能控制系統(tǒng)常裝配在拖拉機(jī)懸掛式農(nóng)機(jī)具之中，主要用于提升拖拉機(jī)控制以及動(dòng)力輸出效果，其本身是一個(gè)閉環(huán)智能化控制系統(tǒng)。通過(guò)加強(qiáng)對(duì)該系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)研究分析，可以進(jìn)一步提升拖拉機(jī)的智能化控制水平，這對(duì)充分發(fā)揮拖拉機(jī)生產(chǎn)價(jià)值、推動(dòng)我國(guó)現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)發(fā)展有著非常重要的意義。

1 懸掛式農(nóng)機(jī)具電液控制系統(tǒng)原理

懸掛式農(nóng)機(jī)具電液控制系統(tǒng)的組成相對(duì)復(fù)雜，包括駕駛員控制面板、智能傳感器、液壓系統(tǒng)、電子控制單元以及懸掛機(jī)構(gòu)。懸掛式農(nóng)機(jī)具電液控制系統(tǒng)在運(yùn)行時(shí)，先由農(nóng)機(jī)駕駛員通過(guò)控制面板，實(shí)現(xiàn)對(duì)牽引力、位置、方位以及油壓的綜合控制，并結(jié)合農(nóng)機(jī)生產(chǎn)需求，完成控制參數(shù)的自主設(shè)置[1-2]。對(duì)智能傳感器而言，基于農(nóng)機(jī)不同的生產(chǎn)需求，主要包括牽引力傳感器、耕深傳感器、油液壓力傳感器等。傳感器在運(yùn)行工作時(shí)，相關(guān)的裝置信號(hào)需要經(jīng)過(guò)信號(hào)放大器進(jìn)行放大，然后再經(jīng)過(guò)A/D 轉(zhuǎn)換，才能完成傳感器信號(hào)的傳輸，最終傳感器信號(hào)傳輸至電子控制單元（Electronic Control Unit, ECU）。農(nóng)機(jī)具的液壓系統(tǒng)，主要包括液壓泵、電液控制閥、液壓缸、油管等裝置，液壓泵主要為整個(gè)懸掛式農(nóng)機(jī)具電液控制系統(tǒng)提供油液動(dòng)力。電液控制閥在運(yùn)行時(shí)，主要受電子控制單元的控制。在控制過(guò)程中，主要通過(guò)控制閥口開(kāi)閉，實(shí)現(xiàn)對(duì)油液方向的控制。通過(guò)控制閥口的開(kāi)口大小，實(shí)現(xiàn)對(duì)油液流量大小的控制。通過(guò)上述控制方式，實(shí)現(xiàn)對(duì)懸掛機(jī)構(gòu)升降與運(yùn)行速度的控制。電子控制單元主要負(fù)責(zé)接收控制面板與傳感器的信號(hào)，然后將控制信號(hào)放大，實(shí)現(xiàn)對(duì)電液控制閥的有效控制。

2 懸掛式農(nóng)機(jī)具電液控制系統(tǒng)整體模塊構(gòu)成

從懸掛式農(nóng)機(jī)具電液控制系統(tǒng)組成來(lái)看，包括多個(gè)控制模塊，比如微處理器模塊、驅(qū)動(dòng)器模塊等。其中對(duì)微處理器模塊而言，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用了STM32F103 單片機(jī)作為核心控制單元。模塊在運(yùn)行時(shí)，通過(guò)PWM信號(hào)輸出，實(shí)現(xiàn)比例閥控制，來(lái)有效驅(qū)動(dòng)電路。同時(shí)，在該信號(hào)的幫助下，還能夠?qū)Ρ壤较蜷y進(jìn)行精準(zhǔn)地控制。在控制過(guò)程中，主要目的是進(jìn)行液壓調(diào)速，更好地滿足農(nóng)機(jī)使用功能需求。對(duì)速度傳感器而言，可以采集液壓馬達(dá)輸出軸的轉(zhuǎn)速信息，然后結(jié)合該信息，以此來(lái)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)動(dòng)力輸出控制，并讓整個(gè)系統(tǒng)處于閉環(huán)控制狀態(tài)。對(duì)液晶顯示屏處理模塊而言，直接通過(guò)串口與微處理模塊核心控制單元相連接，實(shí)現(xiàn)參數(shù)輸入設(shè)置，并實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)工作各種狀態(tài)參數(shù)的實(shí)時(shí)顯示[3]。對(duì)提升手柄控制模塊而言，主要負(fù)責(zé)接收來(lái)自核心控制系統(tǒng)的指令，并執(zhí)行相關(guān)指令操作，比如懸掛系統(tǒng)的升降，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的智能化控制。

3 懸掛式農(nóng)機(jī)具電液控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

3.1 比例方向閥電路設(shè)計(jì)

在設(shè)計(jì)過(guò)程中，首先應(yīng)確定電路的主控單元，并完成單元電路控制邏輯的分析。在這一過(guò)程中，單元會(huì)發(fā)出PWM 信號(hào)，可以對(duì)DRV812 驅(qū)動(dòng)控制電路進(jìn)行控制。通過(guò)該控制電路，主要目的是完成對(duì)比例方向閥脈寬參數(shù)的精準(zhǔn)化調(diào)制。同時(shí)，在設(shè)計(jì)的過(guò)程中，還可以設(shè)計(jì)專門的驅(qū)動(dòng)控制電路。在該控制電路中，通過(guò)將PWM輸入口和PWM輸出口相連，前者屬于DRV812 驅(qū)動(dòng)控制電路，后者屬于STM32F103 單片機(jī)。二者在相連的基礎(chǔ)上，還需要將芯片F(xiàn)OULT與單片機(jī)的通用輸入輸出端口（general purpose intput output, GPIO）進(jìn)行連接。在系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，可以結(jié)合上述引腳電平的真實(shí)狀態(tài)情況，通過(guò)進(jìn)行分析判斷，從而了解芯片實(shí)際的運(yùn)行狀態(tài)。在本次設(shè)計(jì)時(shí)，選擇從比例閥驅(qū)動(dòng)電路模塊入手展開(kāi)相關(guān)的設(shè)計(jì)工作。在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，圍繞DRV812 驅(qū)動(dòng)芯片，本設(shè)計(jì)采用了雙路全橋工作模式。在該模式下，芯片在運(yùn)行的過(guò)程中可以輸入多路PWM 信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)主芯片半橋的針對(duì)性控制。針對(duì)不同的半橋，均配置柵極驅(qū)動(dòng)電源，這些電源均相互獨(dú)立。同時(shí)，在引腳設(shè)計(jì)方面，采用了自舉引腳與電源引腳。通過(guò)采用上述設(shè)計(jì)方法，確保半橋的電氣特性具有對(duì)稱性特點(diǎn)。在設(shè)計(jì)方向閥輸入引腳的過(guò)程中，可以選擇將其與電路功率輸出引腳進(jìn)行連接。方向閥的輸入引腳可以通過(guò)輸入PWM 信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)多路比例方向閥的控制。在整個(gè)控制過(guò)程中，可以實(shí)現(xiàn)最大連續(xù)驅(qū)動(dòng)控制，最高能夠達(dá)到12 A。DRV812 主芯片在運(yùn)行時(shí)，針對(duì)故障問(wèn)題可以及時(shí)響應(yīng)，當(dāng)發(fā)現(xiàn)故障時(shí)，半橋?qū)?huì)輸出高阻抗?fàn)顟B(tài)。同時(shí)，F(xiàn)AULT引腳將也會(huì)發(fā)生變化，即從原本的高電平轉(zhuǎn)化為低電平，當(dāng)設(shè)備在故障條件已被刪除的情況下，可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)恢復(fù)功能。

3.2 顯示屏輸出設(shè)計(jì)

在對(duì)智能化控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的過(guò)程中，首先應(yīng)關(guān)注系統(tǒng)的顯示屏。在本設(shè)計(jì)過(guò)程中，采用了迪文DMT80600T104 顯示屏。這種顯示屏屬于液晶顯示屏，可以直接通過(guò)觸摸屏幕實(shí)現(xiàn)功能操作控制。相較于傳統(tǒng)的顯示屏，這種顯示屏功耗低、屏幕的亮度比較均勻，可以有效保護(hù)眼睛，整體的性能也比較穩(wěn)定[4-5]。在同一個(gè)屏幕上，不僅可以顯示各種有效的數(shù)據(jù)信息，還能夠顯示一些圖片信息。由于顯示屏分辨率非常高，因此即使圖片的顏色是彩色，在屏幕上也能夠清晰可見(jiàn)。這些顯示屏在運(yùn)行通信時(shí)，主要通過(guò)串口與單片機(jī)連接，最終實(shí)現(xiàn)相應(yīng)通信功能。在顯示屏之上，能夠?qū)崿F(xiàn)輸出內(nèi)容顯示。具體的顯示內(nèi)容包括系統(tǒng)的“速度”“方向”等內(nèi)容，還可以實(shí)現(xiàn)上述參數(shù)的設(shè)置顯示。系統(tǒng)在初始化后，在顯示屏上主要輸出為當(dāng)下的方向與速度。如果需要進(jìn)行調(diào)整，可以直接觸摸按鍵，完成速度、方向的設(shè)置。在完成設(shè)置后，重新點(diǎn)擊操作，便能夠執(zhí)行設(shè)置好的速度與方向等輸出內(nèi)容。

3.3 電液控制設(shè)計(jì)

電液系統(tǒng)是主要的動(dòng)力輸出系統(tǒng)，同時(shí)也是本次設(shè)計(jì)的關(guān)鍵所在。電液控制設(shè)計(jì)質(zhì)量的好壞，將會(huì)對(duì)整個(gè)懸掛式農(nóng)機(jī)具電液控制系統(tǒng)產(chǎn)生直接的影響[6]。基于此，在實(shí)際設(shè)計(jì)的過(guò)程中，必須認(rèn)真分析負(fù)載、運(yùn)動(dòng)方式，明確關(guān)鍵的參數(shù)內(nèi)容。液壓系統(tǒng)組成并不復(fù)雜，主要配置有兩個(gè)單通道回路。液壓系統(tǒng)的動(dòng)力由液壓泵提供，液壓泵在工作時(shí)，主要由農(nóng)機(jī)動(dòng)力輸出軸負(fù)責(zé)提供動(dòng)力。在動(dòng)力輸出過(guò)程中，主要利用了設(shè)備機(jī)械能，通過(guò)轉(zhuǎn)化使其以液壓能形式展現(xiàn)。具體而言，在設(shè)計(jì)的過(guò)程中，通過(guò)將農(nóng)機(jī)與液壓油泵輸出軸進(jìn)行連接，在連接時(shí)，采用了萬(wàn)向聯(lián)軸器裝置。該裝置本身有著非常強(qiáng)大的角度補(bǔ)償能力，同時(shí)針對(duì)軸向位移也有較強(qiáng)的補(bǔ)償能力，不僅如此，裝置的回轉(zhuǎn)能力也非常強(qiáng)大，傳動(dòng)穩(wěn)定性優(yōu)良，可以滿足動(dòng)能轉(zhuǎn)換的需求。

在萬(wàn)向聯(lián)軸器的幫助下，農(nóng)機(jī)動(dòng)力輸出軸可以通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)，完成機(jī)械能的轉(zhuǎn)化，用于滿足液壓泵運(yùn)行所需的動(dòng)力需求。針對(duì)液壓油的控制，可以調(diào)整液壓動(dòng)力的大小。在這一過(guò)程中，主要依賴于通過(guò)比例閥裝置進(jìn)行實(shí)現(xiàn)。相關(guān)控制內(nèi)容包括方向的準(zhǔn)確性控制、壓力大小的控制等。同時(shí)，通過(guò)外接油路與液壓馬達(dá)相連接，以此完成對(duì)液壓機(jī)械的控制，使其滿足設(shè)備功能要求。

在總回路中，還應(yīng)提高對(duì)溢流閥和安全閥設(shè)計(jì)的重視程度。對(duì)前者來(lái)說(shuō)，主要設(shè)計(jì)目的是滿足回路流量控制要求。針對(duì)后者，主要設(shè)計(jì)目的是滿足回路壓力控制要求。最終目的是有效提升系統(tǒng)壓力的穩(wěn)定性，防止液壓系統(tǒng)過(guò)載，引起安全事故。壓力表設(shè)置在液壓泵出油口與比例閥進(jìn)油口之間，可以實(shí)時(shí)了解農(nóng)機(jī)動(dòng)力輸出軸向液壓泵提供動(dòng)力的大小。在后續(xù)發(fā)生系統(tǒng)故障時(shí)，可以通過(guò)壓力表，了解系統(tǒng)的壓力大小。流量表用于檢測(cè)各油路在運(yùn)行時(shí)流量的大小，壓力表用于檢查油路運(yùn)行的壓力大小，可以直接通過(guò)流量表與壓力表，了解系統(tǒng)穩(wěn)定性，這也為后續(xù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集提供了良好的便利[7]。

3.4 提升手柄模塊設(shè)計(jì)

做好提升手柄控制模塊設(shè)計(jì)，可以有效提升懸掛式農(nóng)機(jī)具電液控制系統(tǒng)的協(xié)調(diào)性。在設(shè)計(jì)前，需要分析系統(tǒng)工作部件的動(dòng)作性和電動(dòng)缸的反應(yīng)性，并以此為依據(jù)，明確主要參數(shù)。整個(gè)手柄模塊主要由電動(dòng)缸、Y 型推拉桿等組成。電動(dòng)缸作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)，可以避免設(shè)置氣源裝置以及一些輔助裝置，簡(jiǎn)化整個(gè)模塊設(shè)計(jì)構(gòu)成，還能夠使得整個(gè)模塊裝置更加輕量化。手柄控制模塊在實(shí)際運(yùn)行時(shí)，通過(guò)直流電機(jī)完成對(duì)電動(dòng)缸的驅(qū)動(dòng)，使其按照指定的方向做伸縮運(yùn)動(dòng)。在具體做功的過(guò)程中，將手柄另一端作為圓心做圓周運(yùn)動(dòng)，以此實(shí)現(xiàn)對(duì)手柄的升降控制[8]。

4 懸掛式農(nóng)機(jī)具電液控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

懸掛式農(nóng)機(jī)具電液控制系統(tǒng)軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境采用了Keil μVision5。在本次設(shè)計(jì)的過(guò)程中，主要采用了模塊化設(shè)計(jì)方式。在程序系統(tǒng)配置方面，需要初始化PWM占空比、定時(shí)器、A/D采集程序等裝置軟件。在具體進(jìn)行程序設(shè)計(jì)的過(guò)程中，針對(duì)不同模塊，均選擇了獨(dú)立運(yùn)行模式。在不同程序模塊之間，設(shè)計(jì)了子程序，以此控制完成信號(hào)采集、存儲(chǔ)、分析，并控制硬件，完成系統(tǒng)的各項(xiàng)功能設(shè)置。其中對(duì)比例方向閥而言，可以采用單片機(jī)核心控制裝置的定時(shí)器，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)控制。在這一過(guò)程中，可以在相關(guān)函數(shù)的幫助下，對(duì)PWM占空比進(jìn)行合理調(diào)整，從而控制比例方向閥的線圈電流大小，以此來(lái)對(duì)整個(gè)閥門進(jìn)行精準(zhǔn)化控制。對(duì)液晶顯示屏模塊而言，可以通過(guò)串口等讀取指令。在此基礎(chǔ)上，還可以在外部中斷的幫助下，實(shí)現(xiàn)指令的關(guān)閉與啟動(dòng)。一般情況下，可以每隔20 ms發(fā)送一次命令，完成屏幕輸入值和反轉(zhuǎn)指令的讀取[9-10]。

5 系統(tǒng)性能試驗(yàn)分析

5.1 實(shí)驗(yàn)農(nóng)機(jī)設(shè)備

在本懸掛式農(nóng)機(jī)具電液控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，使用的農(nóng)機(jī)為五征牌拖拉機(jī)與馬鈴薯收獲機(jī)，其中前者的型號(hào)為TA354，后者的型號(hào)為4U-170。

5.2 實(shí)驗(yàn)方法

首先，在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)，通過(guò)運(yùn)行拖拉機(jī)，以此利用其動(dòng)力輸出軸，滿足系統(tǒng)的原動(dòng)力要求。然后，通過(guò)電液系統(tǒng)，將拖拉機(jī)運(yùn)行提供的原動(dòng)力轉(zhuǎn)化為液壓能，將實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的懸掛馬鈴薯收獲機(jī)作為負(fù)載，以此來(lái)完成試驗(yàn)，并采集相關(guān)試驗(yàn)數(shù)據(jù)信息。在處理數(shù)據(jù)信息時(shí)，將液壓油進(jìn)油口壓力設(shè)置為10 MPa，調(diào)節(jié)PWM 信號(hào)占空比，每次增加10%，可以對(duì)比不同PWM 占空比下對(duì)應(yīng)的馬達(dá)轉(zhuǎn)速值，具體如表1所示。

表1 不同PWM占空比下的液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)速數(shù)值

5.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

通過(guò)表1 可知，當(dāng)PWM 信號(hào)占空比在不斷增加時(shí)，馬達(dá)轉(zhuǎn)速也在不斷提升。當(dāng)占空比在5%~25%變化時(shí)，液壓馬達(dá)運(yùn)行轉(zhuǎn)速?gòu)?8.1 r/min 提升至610.9 r/min，整體提升速度較快。尤其是當(dāng)動(dòng)力輸出軸占空比為25%時(shí)，受到負(fù)載反饋影響，轉(zhuǎn)速增幅較大。當(dāng)占空比在5%以內(nèi)時(shí)，產(chǎn)生了比例閥開(kāi)度死區(qū)，流量不足，此時(shí)的轉(zhuǎn)速為0。當(dāng)占空比在55%時(shí)，比例閥開(kāi)度處于最大狀態(tài)，出現(xiàn)了流量飽和現(xiàn)象，此時(shí)的液壓馬達(dá)運(yùn)行轉(zhuǎn)速最大，且不再提升。

6 總結(jié)

總而言之，懸掛式農(nóng)機(jī)具電液控制系統(tǒng)開(kāi)發(fā)是一項(xiàng)專業(yè)復(fù)雜的工作。在實(shí)際開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)的過(guò)程中，應(yīng)了解該系統(tǒng)的基本原理，并從整體設(shè)計(jì)、硬件設(shè)計(jì)、軟件設(shè)計(jì)的角度出發(fā)，加強(qiáng)對(duì)相關(guān)設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)的落實(shí)。通過(guò)加強(qiáng)對(duì)系統(tǒng)性能的試驗(yàn)分析，驗(yàn)證系統(tǒng)的效果，從而為后續(xù)投入生產(chǎn)實(shí)踐做好充足的準(zhǔn)備工作。