拖拉機液壓懸掛系統(tǒng)自動控制系統(tǒng)研究【優(yōu)秀畢業(yè)設計@word+CAD全套圖紙】

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Taking the integrated control technology of hydromechatronics is the best project for broadening tractor function, improving its technical performance and solving numerous facing technical difficulties and it has become the major technology trend of modern tractors and the supporting units. This paper first introduces the composition and type of the traditional tractor hitch control system. Based on this, choosing the structure of semi-partition hydraulic hitch system to carry on the design and designing a new electrohydraulic hitch system. A simple structure of semi-partition hydraulic hitch equipment and constituting of automatic control system was provided. The signal of soil resistance sensor and the implement lift height sensor and the control-valve sensor were measured and managed. The system was under the control of the SCM. The traditional mechanical splitter is replaced by proportional solenoid valve and its supporting circuit. A displacement sensor, a force sensor and an angle sensor is used for gaining feedback control signal. Furthermore, The various deep-conditioning method of cultivation of tractor electrohydraulic hitch are compared and analyzed in this paper. Control unit of tractor electrohydraulic hitch system is consisted of hardware and software systems. According to specific requirements of the system function modules, 80C196KC microcontroller of Intel Corporation MSC-96 series is selected. For the software system, we used the assembly language to finish the control system program. Its main program is used to control the overall flow of the system. Key words: Tractor; Hydraulic hitch system; Change valve; Automatic control 緒 論 第一章 緒論 1.1 引言 現(xiàn)有的多數(shù)農(nóng)用拖拉機使用液壓懸掛系統(tǒng)，拖拉機液壓懸掛系統(tǒng)可分為3 種形式：分置式液壓系統(tǒng)、半分置式液壓系統(tǒng)、整體式液壓系統(tǒng)。其農(nóng)具的提升和下降的控制部分是機械式的，由駕駛員通過操縱手柄和一套桿件機構(gòu)以位移量的形式輸入信號，輸出量則是通過彈簧、凸輪和力、位調(diào)節(jié)杠桿機構(gòu)轉(zhuǎn)換成的位移量，從而實現(xiàn)操縱主控制閥對農(nóng)具位置的調(diào)整。機械控制的液壓懸掛系統(tǒng)采用桿件和彈性元件，結(jié)構(gòu)比較復雜，彈性元件的遲滯、機械摩擦和桿件的脹縮會影響調(diào)節(jié)性能。進入21世紀后，拖拉機向大功率、低油耗、輕排放、智能化、密封和舒適性方向發(fā)展，機械式的控制系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)布置和性能方面已不適應現(xiàn)代農(nóng)機發(fā)展的要求。將農(nóng)業(yè)機械裝備技術(shù)融合現(xiàn)代液壓技術(shù)、傳感器技術(shù)、電子技術(shù)和單片機控制技術(shù)，可極大地提高液壓懸掛系統(tǒng)操作的舒適性和簡捷性，準確、快速地使用和調(diào)節(jié)液壓懸掛系統(tǒng)，可提高生產(chǎn)率和作業(yè)質(zhì)量。因此，對傳統(tǒng)式液壓懸掛系統(tǒng)的技術(shù)改進勢在必行。 1.2 研究背景和意義 1.2.1 研究背景 農(nóng)業(yè)機械化是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的重要物質(zhì)技術(shù)基礎，是農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的重要內(nèi)容和標志。世界發(fā)達國家己在上世紀50年代至70年代就實現(xiàn)了農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化，各國農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化發(fā)展歷程表明，農(nóng)業(yè)機械化是農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化不可逾越的階段。農(nóng)業(yè)機械化作為現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的載體，把工業(yè)、自然科學等引入農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程，使現(xiàn)代工程技術(shù)與現(xiàn)代生物技術(shù)在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中得以廣泛應用，極大地改善了農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境，促進了農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，大大提高農(nóng)業(yè)勞動生產(chǎn)率、資源利用率和農(nóng)業(yè)產(chǎn)品商品化率，也使現(xiàn)代生產(chǎn)技術(shù)由于有現(xiàn)代裝備和工程技術(shù)手段的支持而得到實施和進一步發(fā)展。 拖拉機是實現(xiàn)農(nóng)業(yè)機械化和現(xiàn)代化不可缺少的重要動力機械。我國的拖拉機工業(yè)經(jīng)過幾十年的發(fā)展，已經(jīng)取得了很大的進展。目前大中型拖拉機的生產(chǎn)能力己超過10萬臺，小型拖拉機的生產(chǎn)能力己超過200萬臺，各類拖拉機的擁有量已超過1500萬臺，其中大中型拖拉機約為80萬臺，配套機具的社會擁有量己超過 2000萬臺套(含掛車)。但隨著我國加入WTO，大量具有高新技術(shù)裝備并且性能優(yōu)良的拖拉機產(chǎn)品將會涌入中國市場，這對產(chǎn)品技術(shù)含量相對較低的國內(nèi)拖拉機工業(yè)來說，將會面臨巨大的挑戰(zhàn)。如何適應市場需要，進行產(chǎn)品結(jié)構(gòu)調(diào)整，提高產(chǎn)品的科技含量，改善產(chǎn)品的技術(shù)性能，將是我國拖拉機工業(yè)所面臨和需要解決的重要課題[1、2]。 1.2.2 研究意義 隨著新興科學技術(shù)的不斷創(chuàng)新，尤其是計算機技術(shù)、電子控制、人工智能、網(wǎng)絡通訊等高新技術(shù)的迅速發(fā)展，對拖拉機工業(yè)的發(fā)展產(chǎn)生了很大的影響和滲透。各國拖拉機研究人員普遍認識到，采用機—電—液一體化控制技術(shù)是拓寬拖拉機功能、提高其技術(shù)性能以及解決其所面臨諸多技術(shù)難題的最佳選擇方案，并且已經(jīng)成為現(xiàn)代拖拉機及其配套機組的主要技術(shù)發(fā)展趨勢。目前在國外拖拉機上，機—電—液一體化控制技術(shù)己經(jīng)獲得了廣泛的應用，例如，麥塞福格森、雷諾、薩姆、約翰迪爾、菲亞特、鈕荷蘭、道伊茲等公司近幾年推向市場的大功率拖拉機基本都裝備了電液懸掛系統(tǒng)，使電液懸掛產(chǎn)品已經(jīng)進入主流市場；在電液負載換檔技術(shù)方面，不少拖拉機采用了電液控制的全負載換檔的變速箱，使得負載換檔操縱變得十分簡單；一些拖拉機上還采用了基于CAN總線的多路傳輸網(wǎng)絡系統(tǒng)，使得機—電—液一體化應用在拖拉機上達到很高的水平。 由此可知拖拉機上采用了大量的機電一體化技術(shù)，這些技術(shù)主要用于改善和優(yōu)化拖拉機以下幾個方面的特性: ①提高拖拉機的使用經(jīng)濟性和生產(chǎn)效率； ②提高拖拉機的操縱性能和自動化程度，降低駕駛員的勞動強度； ③將該技術(shù)應用在人機工程學設計中，優(yōu)化人機界面，改善駕駛室操縱環(huán)境； ④提高機器的可靠性和安全性； ⑤降低拖拉機尾氣排放，減少環(huán)境污染； ⑥實現(xiàn)對拖拉機機組的性能監(jiān)測、參數(shù)優(yōu)化匹配和故障診斷等綜合性工作。 機電一體化技術(shù)在農(nóng)用拖拉機上的應用必然向著自動化、智能化的方向發(fā)展。拖拉機智能化的實現(xiàn)，是以機電一體化技術(shù)在拖拉機上的應用為先導的，以微電子技術(shù)和微機技術(shù)為核心的機電一體化技術(shù)，將機械、液壓、電子、信息和控制等技術(shù)有機地結(jié)合起來，使拖拉機控制系統(tǒng)具備了一定的信息處理能力，為智能化技術(shù)在拖拉機上的應用和發(fā)展開辟了道路。智能化技術(shù)在拖拉機上的應用目標不僅要使拖拉機的各個子系統(tǒng)實現(xiàn)高精度、高實時性的自動控制，而且還應使拖拉機的控制系統(tǒng)具有一定程度的邏輯判斷能力，提高拖拉機對外界環(huán)境的適應能力，能夠在復雜多變的工作條件下自適應地選擇最佳的工作方式，最大限度地提高拖拉機各子系統(tǒng)的工作效能，實現(xiàn)發(fā)動機、傳動系統(tǒng)及懸掛系統(tǒng)的各子系統(tǒng)的自動控制以及各子系統(tǒng)之間的優(yōu)化匹配，更好地滿足對拖拉機的各項使用要求。歸納起來對拖拉機的研究大致分為兩個方面:一方面，應用最優(yōu)適應控制、模糊控制等先進的控制理論，進一步完善原有的控制系統(tǒng)，提高系統(tǒng)對復雜工況的適應能力和邏輯判斷能力；另一方面，根據(jù)系統(tǒng)工程學的思想，從對拖拉機各個子系統(tǒng)的單獨、分割監(jiān)控走向相關(guān)系統(tǒng)聯(lián)合、協(xié)調(diào)控制，在一定程度上實現(xiàn)多個子系統(tǒng)的信息共享，最終形成對整個拖拉機系統(tǒng)的全面控制體系，實現(xiàn)拖拉機作業(yè)機組在各種工作條件下的最優(yōu)匹配。 基于以上所述，加強拖拉機行業(yè)與電子產(chǎn)品的密切結(jié)合，走機電一體化是必經(jīng)之路，加快消化吸收國外產(chǎn)品機電一體化的成果和經(jīng)驗，搞好拖拉機產(chǎn)品的更新?lián)Q代，縮短與世界同行業(yè)先進水平的距離。 1.3 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀分析 20世紀70年代以來，隨著電子技術(shù)和微機控制技術(shù)的出現(xiàn)和成熟，機—電—液一體化技術(shù)逐步被應用到拖拉機上，為提高拖拉機作業(yè)機組的性能開辟了嶄新的道路。 1.3.1 國外研究現(xiàn)狀 1978年德國奔馳公司率先在其生產(chǎn)的農(nóng)用拖拉機上采用了電液控制的三點懸掛機構(gòu)，標志著商業(yè)化的機電一體化產(chǎn)品開始在拖拉機上得到了成功應用。經(jīng)過幾十年的研究和開發(fā)，各國紛紛推出新式控制系統(tǒng)。德國BOSCH公司研制的農(nóng)用拖拉機電子控制式液壓懸掛機構(gòu)采用帶有數(shù)字信號處理設備的HER-D提升調(diào)節(jié)裝置，其核心是一個帶有8路模擬量輸入輸出通道的微處理器和程序存儲器，系統(tǒng)使用的傳感器主要包括安裝在下拉桿的磁滯伸縮式測力銷和安裝在提升臂上的角位置傳感器。電子控制裝置通過對各傳感器上送來的數(shù)據(jù)進行分析，驅(qū)動液壓執(zhí)行元件，實現(xiàn)阻力調(diào)節(jié)、位置調(diào)節(jié)、壓力調(diào)節(jié)。為了與拖拉機上的其它電子控制系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)交換，BOSCH公司還專門開發(fā)了CAN總線結(jié)構(gòu)，對懸掛系統(tǒng)的所有控制操作均可以通過安裝于駕駛室內(nèi)的控制面板來完成。該系統(tǒng)可以調(diào)節(jié)耕深，控制驅(qū)動輪滑轉(zhuǎn)率。芬特、萬國、福格森等多個拖拉機生產(chǎn)廠家均在其生產(chǎn)的幾種大功率拖拉機上裝備了此種電液控制裝置，該裝置對提高拖拉機的作業(yè)效率和質(zhì)量、降低燃油消耗起到了很好的作用。德國Braunschweig科技大學研制了一種新式的三點懸掛裝置，該裝置與傳統(tǒng)的三點懸掛裝置相比具有更加簡單，更加靈活的特點。首先，在上拉桿和兩個提升桿上分別裝有液壓缸，通過相應的控制閥控制液壓缸內(nèi)活塞的運動，可以通過提升桿直接控制農(nóng)具的升降，在機構(gòu)方面省去了提升軸和提升臂，結(jié)構(gòu)尺寸更加緊湊；其次，將位置傳感器與液壓缸集成在一起，通過將位置傳感器獲得的信號輸入到控制系統(tǒng)之中進行相應的位置和速度控制，省去了傳統(tǒng)的機械反饋控制機構(gòu)，控制更加靈活。目前，該系統(tǒng)主要存在著以下兩方面的問題:第一，左右提升桿的動力性能尚需提高；第二，低價位的比例閥和液壓缸的優(yōu)化匹配問題還沒有徹底解決。通過實驗分析，該系統(tǒng)中提升桿的位置偏差能夠控制在幾個毫米以內(nèi)。由于技術(shù)原因，該懸掛裝置目前仍處于試驗研究階段，沒有實用化。 在耕深控制方面，日本京都大學研制了一種耕深控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)由測量單元、控制單元、液壓單元、懸掛系統(tǒng)連接單元、耕深設定值和死區(qū)控制單元組成。其中，測量單元主要由超聲波傳感器、光傳感器、傾斜角度傳感器和提升臂位置傳感器(分壓計)構(gòu)成，用于測量提升臂的位移、拖拉機的俯仰角度和傳感器離地面的高度；控制單元由數(shù)模轉(zhuǎn)換板、接口板、螺旋閥驅(qū)動電路板與計算機組成，總體控制系統(tǒng)的運轉(zhuǎn)，是整個控制系統(tǒng)的中心；液壓單元模塊由液壓缸、螺旋閥和液壓油路組成，主要用來驅(qū)動三點懸掛系統(tǒng)。該系統(tǒng)整個控制過程大致如下:由傳感器得到信號與設定值比較得到誤差信號，該誤差信號和死區(qū)設定值進行比較，如果小于死區(qū)設定值，控制系統(tǒng)沒有輸出，當大于死區(qū)設定值時，通過計算一個控制電磁閥的負荷比參數(shù)，經(jīng)過該參數(shù)的計算得到一個輸出控制信號，該信號經(jīng)過放大電路，放大后控制電磁閥的輸出。經(jīng)過試驗驗證，該控制系統(tǒng)存在隨著負載的增加，拖拉機的行駛速度變慢的問題。南非Witwatersrand大學的研究人員提出了一種利用拖拉機的輪滑率來控制耕深的方法。該系統(tǒng)裝配在160kw的拖拉機上，主要由傳感器模塊、控制模塊、輸出模塊、液壓模塊等組成。其中，傳感器模塊包括一個雷達傳感器、一個磁性傳感器和一個電位計，雷達傳感器用來測量拖拉機實際行走的距離，磁性傳感器測量拖拉機輪子行走的距離，通過計算兩者之差來得到輪滑率，電位計安裝在提升軸上，通過提升軸的轉(zhuǎn)角來計算耕深；控制模塊主要采用PIC17C44單片機，該單片機具有兩個頻率捕捉器、兩個脈寬調(diào)制輸出模塊、和強大的指令集以及一個8位乘法器。該控制系統(tǒng)的控制過程如下:首先由傳感器得到拖拉機的實際行走距離和輪子行走距離，然后通過數(shù)模轉(zhuǎn)換器將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號輸入到控制單元，再經(jīng)控制單元的計算將控制信號利用單片機的脈寬調(diào)制信號輸出，最后經(jīng)輸出放大電路放大后控制電磁比例閥，從而通過液壓系統(tǒng)來控制農(nóng)具的升降。這樣就完成了一個有輪滑率來控制耕深的過程。實踐證明，該控制系統(tǒng)的特點有:能夠?qū)⑼寥辣砻娴母鞣N阻力情況納入控制當中；能夠使拖拉機以最優(yōu)的輪滑率行駛，從而得到最優(yōu)的牽引效率；可以節(jié)省燃油消耗和拖拉機的作業(yè)時間。同樣，該系統(tǒng)也存在反應靈敏度問題，因為各個環(huán)節(jié)引起的滯后問題造成了控制系統(tǒng)的反應靈敏度不高，主要有以下幾個原因:第一，因為雷達模塊內(nèi)部含有各種濾波電路，從而造成了大約200ms的滯后。第二，控制其內(nèi)部的軟件濾波算法引起的大約50ms的滯后問題。第三，由于系統(tǒng)的慣性引起的滯后。第四，當農(nóng)具升高或降低時，拖拉機的后輪要先進行壓縮，由于該壓縮引起的滯后。上述原因引起的滯后問題造成了該控制系統(tǒng)的靈敏度難以提高[2]。 綜上所述，目前在國外拖拉機上，機—電—液一體化技術(shù)已經(jīng)獲得了廣泛的應用，許多公司近期推向市場的大功率拖拉機裝備了電液懸掛系統(tǒng)，使電液懸掛產(chǎn)品已經(jīng)進入主流市場，還有一些拖拉機上還采用了基于CAN總線的多路傳輸網(wǎng)絡系統(tǒng)，使得機—電—液控制系統(tǒng)在拖拉機上的應用達到很高的水平。但同時，也還存在著許多有待于進一步研究探討的問題，主要表現(xiàn)在系統(tǒng)的靈敏度、可靠性和實用化方面。 1.3.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀 我國對具有力調(diào)節(jié)、位調(diào)節(jié)、力位綜合調(diào)節(jié)的拖拉機液壓懸掛裝置的研究比較晚?？煞譃槿齻€階段: 第一階段為初步研究階段。在20世紀七十年代中期，我國一些高等院校和科研機構(gòu)對一些型號的拖拉機液壓懸掛系統(tǒng)的性能進行了田間耕作試驗，希望從中找出一些有用的規(guī)律，但是由于種種原因，如季節(jié)的影響，試驗周期長，試驗條件復雜，沒有達到預期的效果。到了七十年代后期，國內(nèi)才有人從理論上對力控制系統(tǒng)的動態(tài)性能進行初步研究。 第二階段為機液控制系統(tǒng)的室內(nèi)模擬仿真及分析。進入八十年代開始了拖拉機液壓懸掛系統(tǒng)室內(nèi)仿真試驗，一些具有拖拉機專業(yè)的高校先后建立了拖拉機液壓懸掛系統(tǒng)室內(nèi)仿真試驗臺，并基于此進行了一些有關(guān)機組動態(tài)性能的實驗和理論分析，這些研究主要有拖拉機力調(diào)節(jié)系統(tǒng)建模、穩(wěn)定性分析、動靜態(tài)特性試驗和理論分析、土壤阻力干擾對耕深的影響分析以及機組在實際耕作過程中諸信號之間的傳遞關(guān)系等，從而形成了研究的高峰，此后不斷有新的成果出現(xiàn)。八十年代后期為了跟蹤國外先進技術(shù)，也開始了電子化自動控制技術(shù)的研究，在原機型液壓系統(tǒng)的基礎上進行改造，增加電液控制裝置和器件，并做了初步的試驗工作。 第三階段為電液控制系統(tǒng)的研究。20世紀九十年代以及21世紀初，隨著電子技術(shù)的飛速發(fā)展，國內(nèi)有些高校開始探討電子技術(shù)、計算機控制技術(shù)等新技術(shù)在拖拉機液壓懸掛中的應用。 文獻[3、4、5]中提出一種新的純牽引力傳感器，拖拉機液壓試驗臺的模擬加載控制和性能測試由一臺微機來完成，對原機型的機液控制系統(tǒng)的動態(tài)品質(zhì)進行了測試和評價。接著把單片機應用于拖拉機農(nóng)具耕深控制中，對比原機型的機液控制系統(tǒng)與新設計的數(shù)字式控制系統(tǒng)，提出位置控制、阻力控制、耕深控制和力位綜合控制四種方式，進行了電液控制的初步探索和伺服自動控制與計算機控制耕深的試驗比較。文獻[6]認為懸掛系統(tǒng)的工作特性一般屬于繼電器開關(guān)型，并在此基礎上采用開關(guān)型電磁閥進行了試驗研究。文獻[7]進一步研究了微機控制系統(tǒng)，采用液壓伺服系統(tǒng)取代拖拉機原有的液壓系統(tǒng)，運用MCS—51單片機控制器對拖拉機耕作作業(yè)中的耕深進行自動控制，取代傳統(tǒng)的機械式調(diào)節(jié)裝置，并進行了田間試驗。文獻[8]中，將原有機械式液壓懸拄控制系統(tǒng)改裝為電液式懸拄控制系統(tǒng)，采用單片機對拖拉機電液懸掛控制系統(tǒng)進行了硬件和軟件設計并在室內(nèi)仿真試驗臺上進行了試驗驗證試驗。文獻[9]在原拖拉機半分置式液壓懸掛機構(gòu)中改進設計了自動控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)將原有的機械式分配器控制裝置改為由一些傳感器、小油缸和一套配套油路驅(qū)動分配器的方式進行控制。 我國當前拖拉機作業(yè)機組的生產(chǎn)和實際應用而言，對機—電—液一體化控制技術(shù)的研究工作還處于起步階段，對一些關(guān)鍵性技術(shù)問題尚缺芝系統(tǒng)和深入的研究，沒有形成可行的解決方案。液壓技術(shù)在拖拉機作業(yè)機組中的應用，仍然處于以液壓懸掛的推廣完善為代表的液壓懸掛階段，并且更多的研究都是針對傳統(tǒng)機液控制系統(tǒng)的仿真拖拉機電子液壓懸掛控制器設計和控制技術(shù)研究和實驗研究，還未進入實際應用階段[10、11、12]。 1.4 研究內(nèi)容 鑒于我國拖拉機工業(yè)的發(fā)展水平和所面臨的實際問題，本項研究擬選擇拖拉機液壓懸掛系統(tǒng)自動控制系統(tǒng)，主要是液壓懸掛裝置及其自動控制，作為主要研究對象。研究、探討其在實現(xiàn)機—電—液一體化控制方面的關(guān)鍵技術(shù)，提出一套關(guān)于拖拉機液壓懸掛裝置及其自動控制機—電—液一體化控制系統(tǒng)的基本方案和理論，研究液壓系統(tǒng)的優(yōu)化匹配方法，最終設計開發(fā)新型拖拉機機—電—液一體化控制器系統(tǒng)，使拖拉機作業(yè)機組能夠在復雜多變的工作條件下自動化控制工作，最大限度提高整個拖拉機作業(yè)機組的工作效能。該研究具有很大的實際應用價值和研究意義，必將對我國的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動產(chǎn)生顯著的經(jīng)濟效益和社會效益。本研究以約翰-迪爾天托1204為研究對象，主要研究其液壓懸掛系統(tǒng)的自動控制。 本課題主要完成的內(nèi)容有: 1、拖拉機液壓懸掛控制方法分析 2、液壓系統(tǒng)的改造，傳感器選型和安裝 3、液壓懸掛控制策略選擇及研究 4、液壓懸掛系統(tǒng)電液控制的設計和研制 研究背景與意義 國內(nèi)外文獻分析，對當前作業(yè)機組進行技術(shù)調(diào)查 提出研究的問題和思路 拖拉機懸掛機—電—液一體化控制策略的確定 傳感器、控制單元的選擇與外圍電路設計 液壓傳動和液壓控制系統(tǒng)的研究 液壓元件的選擇與液壓系統(tǒng)設計 信號檢測、傳輸和處理方法的研究 編寫系統(tǒng)控制軟件 問題與展望 圖1-1 研究流程圖 論文研究流程圖如圖1-1所示。 1.5 本章小結(jié) 本章簡要介紹了課題研究背景、研究意義以及國內(nèi)外機—電—液一體化技在拖拉機液壓懸掛機構(gòu)上的應用現(xiàn)狀。最后提出了課題研究的主要內(nèi)容和研究流程圖。 - 7 - 拖拉機電控液壓懸掛系統(tǒng)設計 第2章 拖拉機電控液壓懸掛系統(tǒng)的設計 2.1 傳統(tǒng)拖拉機的液壓懸掛系統(tǒng) 農(nóng)用拖拉機液壓懸掛系統(tǒng)是用液壓提升和控制農(nóng)機具的整套系統(tǒng)，其功用是連接和牽引農(nóng)機具，操縱農(nóng)機具的升降，控制農(nóng)機具的耕作深度或提升深度，給拖拉機驅(qū)動輪增重以改善拖拉機的附著性能，把液壓能輸出到作業(yè)機械上進行其他操作。農(nóng)用拖拉機液壓懸掛系統(tǒng)是由液壓系統(tǒng)、操縱機構(gòu)和懸掛機構(gòu)三部分組成。液壓系統(tǒng)是提升農(nóng)機具的動力裝置，除工作介質(zhì)（液壓油）外，液壓泵、油缸、分配器等液壓元件和附屬裝置組成。操縱機構(gòu)是用來操縱分配器的主控制閥，以控制液壓油的流動方向，它有手柄操縱機構(gòu)和自動控制機構(gòu)兩部分組成。懸掛機構(gòu)用于連接農(nóng)機具，傳遞液壓升降力和拖拉機對農(nóng)機具的牽引力，并保證農(nóng)機具的正常工作位置。由于液壓懸掛機組比牽引機組操縱方便、機動性高，便于自動調(diào)節(jié)耕深，因此，目前國產(chǎn)大、中、小型拖拉機普遍采用液壓懸掛系統(tǒng)。 拖拉機要進行各種作業(yè)，就必須與相應的配套農(nóng)具可靠地連接在一起。根據(jù)配套農(nóng)具與拖拉機連接方式的不同，一般可分為牽引式、懸掛式和半懸掛式三種。 懸掛農(nóng)具通過拖拉機液壓系統(tǒng)獲得動力，實現(xiàn)農(nóng)具的上升和降落；農(nóng)具依靠懸掛機構(gòu)與拖拉機可靠地連接在一起。因此，拖拉機的液壓系統(tǒng)、懸掛機構(gòu)、農(nóng)具三者構(gòu)成一個整體，叫做“液壓懸掛系統(tǒng)”[13]。 2.1.1 液壓懸掛系統(tǒng)的組成 傳統(tǒng)拖拉機液壓懸掛系統(tǒng)主要由:懸掛農(nóng)具、懸掛機構(gòu)和液壓部分組成，如圖2-1所示[2]。 圖2-1 液壓懸掛系統(tǒng)示意圖 (1) 懸掛農(nóng)具:它是農(nóng)田作業(yè)的工作部件，通過懸掛機構(gòu)連接在拖拉機上。懸掛農(nóng)具的種類很多，目前常用的有犁、耙、播種機、收割機等。根據(jù)農(nóng)具在拖拉機上掛接位置的不同，可分為前懸掛、后懸掛和側(cè)懸掛三種，本論文研究對象是目前使用最廣的后懸掛機組。 拖拉機電控液壓懸掛系統(tǒng)的設計 (2) 懸掛機構(gòu):它由連接農(nóng)具的一些桿件機構(gòu)所組成。按與拖拉機機體連結(jié)點數(shù)的不同，后懸掛又有兩種形式:三點懸掛和兩點懸掛，如圖2-2所示[13]。 a)三點懸掛 b）兩點懸掛 圖2-2 后懸掛的兩種方式 三點懸掛農(nóng)具相對拖拉機沒有太大的偏擺，因而農(nóng)具隨拖拉機的直線行駛穩(wěn)定性較好。但拖拉機走偏方向時，農(nóng)具己經(jīng)入土，要矯正機組的行駛方向比較困難。三點懸掛多用于中小型拖拉機上。 兩點懸掛農(nóng)具，工作中相對拖拉機可以作較大的擺動，多用于大功率拖拉機懸掛重型或?qū)挿r(nóng)具。 (3) 液壓系統(tǒng):它由油泵、油缸、分配器和其他輔件組成。油泵和油缸將發(fā)動機的動力轉(zhuǎn)換為農(nóng)具提升所需要的力量。 傳統(tǒng)液壓懸掛的主要執(zhí)行部件是分配器，通過機械推拉杠桿裝置調(diào)節(jié)分配器位置控制油液的流量與流向，使農(nóng)具處于不同的工作位置。 2.1.2 液壓系統(tǒng)的類型 在液壓系統(tǒng)中，按油泵、分配器，油缸三個主要部件位置布置和組合方式的不同，分為分置式、半分置式和整體式三種類型，如圖2一3所示[13]。 (1) 分置式液壓系統(tǒng) 油泵、分配器、油缸分別布置在拖拉機的適當位置上，然后用油管把它們連接起來。東方紅—75、鐵?！?5、東方紅—28等拖拉機采用這種液壓系統(tǒng)。這種液壓系統(tǒng)的優(yōu)點是液壓元件便于專業(yè)化批量生產(chǎn)，系列化產(chǎn)品的液壓元件通用性強，維修方便，由于在拖拉機上容易布置，所以易手實現(xiàn)農(nóng)具的前懸掛和側(cè)懸掛。它的缺點是:連接管路較長，易出現(xiàn)油液的泄漏;操縱機構(gòu)全部暴露在外面，易受損傷；不便實現(xiàn)農(nóng)具耕深的力調(diào)節(jié)等，目前只用于少數(shù)型號較老的拖拉機上。 圖2-3 液壓系統(tǒng)類型 (2) 半分置式液壓系統(tǒng) 分配器、油缸、操縱機構(gòu)甚至油箱，都集中在一個殼體內(nèi)，稱為提升器。提升器通常位于傳動箱之上，駕駛座之下，并兼作傳動箱的蓋子。油泵單獨安裝在一個適宜的地方，由拖拉機的動力輸出軸驅(qū)動。這種液壓系統(tǒng)的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)緊湊，油路較短，液壓元件與操縱機構(gòu)全部密封在殼體內(nèi)，因而工作較為可靠；易于實現(xiàn)農(nóng)具的力，位耕深調(diào)節(jié)。它的缺點是:個別液壓元件的故障檢查不夠方便。這種液壓系統(tǒng)廣泛應用于中、小型拖拉機上，如常發(fā)集團CF800、東方紅—300、東方紅—MG600等拖拉機均采用半分置式液壓系統(tǒng)。 (3) 整體式液壓系統(tǒng) 油泵、分配器、油缸等主要工作部件，都集中在拖拉機后橋殼體內(nèi)，形成一個整體。豐收—35、上海—50等拖拉機的液壓系統(tǒng)即屬此種。這種液壓系統(tǒng)的優(yōu)點是:可采用力、位及高度調(diào)節(jié)法控制耕深，工作較可靠。但其結(jié)構(gòu)復雜，體積較大，因而在拖拉機的布置上受到一定限制，拆裝檢查也比較麻煩，因而使用不廣。 2.2 電控液壓懸掛系統(tǒng)的設計 2.2.1 設計方案的提出 懸掛系統(tǒng)的液壓控制系統(tǒng)是提升農(nóng)具的動力和控制裝置，是懸掛裝置中的動力部分，它一般由液壓泵、提升液壓缸及其他一些閥類和輔助裝置組成。為了實現(xiàn)對液壓懸掛系統(tǒng)的多種調(diào)節(jié)方式，液壓懸掛系統(tǒng)必須采用電液懸掛控制方式，因此需要在按照國際標準的前提下，對約翰-迪爾天托1204輪式拖拉機液壓控制系統(tǒng)的基礎上進行改造。 方案一：原拖拉機的分配器把主控制閥、回油閥和安全閥集成于一體，組成了一個總成，其輸入口與液壓泵通過油管連接，輸出口直接與單作用液壓缸無桿腔相連，這樣安裝節(jié)省了空間，減小了油道的長度。因此，為了盡量采用原拖拉機的液壓元件，例如液壓泵、液壓油缸、濾清器、油管等。我們提出采用電液比例方向閥、電磁溢流閥、單向節(jié)流閥、壓力表及壓力傳感器等，代替原拖拉機的分配器，如圖2-4，2-5所示。 圖2-4 電控液壓懸掛系統(tǒng)原理圖a 圖2-5 電控液壓懸掛系統(tǒng)原理圖b 電控液壓懸掛系統(tǒng)由液壓懸掛系統(tǒng)、自動控制系統(tǒng)和信號檢測與處理系統(tǒng)組成。工作中，當電液比例換向閥左端電磁鐵通電時，液壓泵輸出的高壓油經(jīng)過電液比例方向閥，再經(jīng)過單向節(jié)流閥的單向閥進入液壓缸的無桿腔，使農(nóng)機具提升；當電液比例換向閥右端電磁鐵通電時，同時控制電磁溢流閥的電磁鐵斷電，則液壓泵輸出的油液經(jīng)過電磁溢流閥流回油箱，液壓泵處于卸荷狀態(tài)。而在農(nóng)機具自重作用下，液壓缸無桿腔的液體被排出，使農(nóng)機具下降，被排出的液體經(jīng)單向節(jié)流閥的節(jié)流閥和比例方向閥流回油箱。 方案二：與方案一不同，不使用其它的液壓元件代替原拖拉機的分配器，由于液壓懸掛系統(tǒng)控制農(nóng)機具的提升、中立、下降過程主要是通過控制分配器中主控制閥的移動位置來完成的，因此，為了為了盡量采用原拖拉機的液壓元件，例如液壓泵、液壓油缸、 圖2-6 電控液壓懸掛系統(tǒng)原理圖c 1． 背壓閥 2．光電耦合器 3．電磁換向閥 4．中央處理器 5．控制面板 6．小油缸 7． 力傳感器 8．活塞桿 9．位移傳感器 10．角位移傳感器 11．回油閥 12．單向閥 13．液壓缸 14．分配器 15．主控制閥 16．減壓閥 17．油泵 18．濾油器 19．油缸 濾清器、油管包括原拖拉機的分配器。我們提出用簡單的三位四通電磁換向閥組成的液壓油路控制一小油缸的方案，通過小油缸活塞桿與主控制閥的固接及移動來控制分配器主控制閥的移動位置，近而達到設計目的，控制農(nóng)機具的提升、中立、下降過程。如圖2-6所示。 方案二中電控液壓懸掛系統(tǒng)也包括液壓懸掛系統(tǒng)、自動控制系統(tǒng)和信號檢測與處理系統(tǒng)。 液壓懸掛系統(tǒng)：由原液壓懸掛系統(tǒng)的油泵、分配器、液壓油缸、提升臂、拉桿和彈簧等組成。主要完成液壓油路的控制，以完成農(nóng)具的提升、中立、下降過程。 自動控制系統(tǒng)：由電磁換向閥、減壓閥、小油缸、控制面板等組成。主要完成控制信號的輸入，并由三位四通電磁換向閥和小油缸，完成分配器主閥移動位置的控制。 信號檢測與處理系統(tǒng)：由位移傳感器、壓力傳感器、提升軸轉(zhuǎn)角傳感器、放大電路、CPU等組成，主要完成土壤阻力、農(nóng)具提升高度和主閥位移量的信號檢測與數(shù)據(jù)處理。 設定調(diào)節(jié)量 工作中，操作控制面板上的調(diào)節(jié)旋鈕，電信號輸入控制電路使電磁閥換向，改變小油缸中的液壓流向，使小油缸位移，推動主閥移動，農(nóng)具提升或下降。主閥的位移量則 電磁閥 CPU 小油缸 位移傳感器 主閥 液壓油泵 油缸 轉(zhuǎn)角傳感器 提升臂 反饋量 懸掛機構(gòu) 農(nóng)具 壓力傳感器 耕深 圖2-7 力、位調(diào)節(jié)的信號傳遞路線方框圖 由位移傳感器檢測并控制。隨著農(nóng)具提升(下降)高度的變化，提升器軸轉(zhuǎn)角傳感器測得電信號不斷變化，當轉(zhuǎn)角信號(提升高度)與操縱信號進行比較量達到預定值時，CPU發(fā)出信號，操縱電磁閥動作，小油缸位移，主閥移動使農(nóng)具處于中立狀態(tài)。 農(nóng)具入土后，隨著耕深、土質(zhì)和濕度的不斷變化，土壤的阻力不斷變化。該變化經(jīng)上拉桿反應在彈簧總成上，并通過彈簧桿作用在壓力傳感器上。壓力傳感器測得其壓力信號與預置參數(shù)相比較，當達到預值時，控制系統(tǒng)使電磁閥動作，改變油路，使小油缸帶動主閥移動，改變分配器油路，使液壓懸掛系統(tǒng)對農(nóng)具進行相應的提升或下降。力、位調(diào)節(jié)過程的信號傳遞路線如圖2-7所示。 2.2.2 設計方案的確定 方案一是針對改進分配器，即用電液換向閥來代替液壓懸掛系統(tǒng)分配器的作用，進而實現(xiàn)電液控制的自動控制。方案二用小油缸控制分配器的主控制閥，簡單方便，輕巧，并不會有太大的能量損失。綜合上述兩種電控液壓懸掛系統(tǒng)的方案提出過程及依據(jù)，兩個方案各有優(yōu)劣，最終選擇方案二作進一步的設計研究。 2.3 工作機理 拖拉機電子液壓懸掛可以實現(xiàn)懸掛的可調(diào)速提升、下降。耕深調(diào)節(jié)方式有:位調(diào)節(jié)、力調(diào)節(jié)以及它們之間的綜合調(diào)節(jié)。該系統(tǒng)整體框架如附錄一圖所示。 系統(tǒng)控制面板設計如圖2-8。 圖2-8 控制面板 1、 鎖定開關(guān) 2、四位旋鈕(a下降位b停止位。上升位d工作位) 3、下降指示燈 4、上升指示燈 5、耕深設定旋鈕 6、綜合調(diào)節(jié)開關(guān) 7、力調(diào)節(jié)開關(guān) 8、位調(diào)節(jié)開關(guān) 9、位調(diào)節(jié)指示燈 10、力調(diào)節(jié)指示燈 11、綜合調(diào)節(jié)指示燈 12、位置非安全報警指示燈 13、懸掛載荷非安全報警指示燈 控制面板主要由:四位旋鈕、耕深設定旋鈕、工作選擇按鍵、工作指示燈和報警示燈五部分組成。該面板主要功用是完成人機交互通信作用。拖拉機駕駛員通過控制面板控制懸掛，并由控制面板了解懸掛的工作模式以及判斷系統(tǒng)是否工作于安全工作區(qū)域。 左邊的四位開關(guān)旋鈕可以控制懸掛上升和下降，處于上升或下降工作狀態(tài)時，對應三角形工作指示燈點亮表明工作狀態(tài)。 當四位開關(guān)旋鈕處于工作位，操作人員可以選擇各種工作調(diào)節(jié)模式(位調(diào)節(jié)、力調(diào)節(jié)和綜合調(diào)節(jié))，選擇確定后，控制面板將信號送給主控制器單元，系統(tǒng)進入對應的工作模式控制拖拉機電控液壓懸掛進行相應的工作狀態(tài)，此時控制面板上對應菱形工作狀態(tài)指示燈點亮。 拖拉機懸掛犁耕地機組的位調(diào)節(jié)系統(tǒng)是一種位置控制系統(tǒng)，它要求農(nóng)機具與拖拉機的相對位置保持不變。當相對位置發(fā)生變化時，位調(diào)節(jié)起作用，系統(tǒng)自動使農(nóng)機具回到原位。設定值是用戶希望達到的耕地深度，拖拉機工作時的實際耕深由提升臂轉(zhuǎn)軸上的位置傳感器間接測量出來，并作為反饋信號。此反饋信號通過一定的信號處理后送入CPU控制芯片，經(jīng)采樣、A/D轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)處理，與設定值比較得到偏差量e，如果偏差量e過位調(diào)節(jié)的控制范圍士10%(參見國標 GB1593-79)，程序根據(jù)e的大小由HSO口輸出一的PWM波，經(jīng)過驅(qū)動后形成三位四通電磁換向閥的控制信號。在此信號作用下，電磁換向閥按PWM占空比進行開關(guān)閉合量調(diào)節(jié)來改變液壓系統(tǒng)中液壓油的流動方向和流量，從而使農(nóng)機具提升或下降。農(nóng)機具由e的正負決定上升還是下降。偏差信號e越大，閥芯開口量越大，輸出油液越多，農(nóng)機具動作就越迅速。當e在士10%范圍內(nèi)，也就是懸掛系統(tǒng)工作與死區(qū)范圍內(nèi)，農(nóng)機具處于穩(wěn)定工作狀態(tài)。為提高控制精度，士10%范圍降低為士2.5%。 拖拉機懸掛犁耕地機組的力調(diào)節(jié)系統(tǒng)是以維持拖拉機發(fā)動機負荷平穩(wěn)為目的的恒值消擾控制系統(tǒng)，它通過上拉桿軸向力的不變來保證拖拉機牽引阻力的近似不變。牽引阻力作用在上拉桿上改變其拉壓力，通過力傳感器直接測量作用于上拉桿的拉壓力。力傳感器輸出的電壓經(jīng)過放大電路、濾波、電壓保護等信號處理后，送給 CPU芯片，進行采樣、A/D轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)處理，并與設定牽引阻力比較，產(chǎn)生一個偏差量e。根據(jù)e的大小由CPU通過HSO口產(chǎn)生一定占空比的PWM波，再經(jīng)過功率放大控制電液比例換向閥改變液壓系統(tǒng)中液壓油的流動方向和流量，從而使農(nóng)機具提升或下降。農(nóng)機具由e的正負決定上升還是下降。當e的大小在控制范圍士2.5%內(nèi)，系統(tǒng)處于平衡狀態(tài)，農(nóng)機具不升不降。 2.4 本章小結(jié) 本章主要講述了傳統(tǒng)拖拉機的液壓懸掛系統(tǒng)，并簡述了液壓懸掛系統(tǒng)的組成及類型，針對JD-1204拖拉機的半分置式液壓懸掛系統(tǒng)，進行分析提出了兩套自動控制系統(tǒng)的設計方案。兩套方案都是利用電子控制系統(tǒng)的設計思想提出的，并最終確定方案做下一步的設計工作。 液壓回路設計和信號處理電路設計 第三章 液壓回路設計和信號處理電路設計 3.1 液壓回路設計和硬件選型 3.1.1 電控液壓系統(tǒng)回路設計 根據(jù)系統(tǒng)的設計要求和液壓執(zhí)行元件的工作狀況設計液壓基本回路，在電控液壓懸掛系統(tǒng)自動控制中，所選擇的液壓回路必須使液壓執(zhí)行元件實現(xiàn)各項功能。根據(jù)農(nóng)田作業(yè)中的基本要求，電控液壓懸掛系統(tǒng)需滿足農(nóng)具的提升、中立、下降的要求。電控液壓回路如圖3-1所示，由三位四通電磁閥、小油缸、分配器、油泵、減壓閥和溢流閥等組成。設計時，應根據(jù)約翰-迪爾天拖1204拖拉機系統(tǒng)的工作壓力、流量、功率的大小以及系統(tǒng)對溫升、工作平穩(wěn)性等方面的要求選擇回路，以滿足上述要求。其中約翰-迪爾天拖1204拖拉機相關(guān)參數(shù)如表3-1所示。 表3-1 JD1204拖拉機相關(guān)參數(shù) 拖拉機 型號 系統(tǒng)額定輸出 壓力 /MPa 液壓輸出總流量 L/min 提升能力（懸掛點后610mm外） /Kg 液壓泵轉(zhuǎn)速 r/min 電氣系統(tǒng) /V JD-1204 19 59.5 3150 2500 12 圖3-1 電控液壓系統(tǒng)回路 1. 背壓閥 2．電磁換向閥 3．小油缸 4．活塞桿 5．回油閥 6．單向閥 7． 分配器 8．主控制閥 9．減壓閥 10．油泵 11．濾油器 12． 油缸 由于所采用分配器中推動主控制閥彈簧的最大負荷力為1000N，因此控制主控制閥的小油缸內(nèi)的油壓大于720 kPa即可，遠小于油泵的輸出壓力19 MPa. 為了系統(tǒng)的安全和節(jié)能，懸掛系統(tǒng)中要有減壓回路。在回油路中，控制分配器主閥的小油缸的出油口，如果直接和油箱相連接，系統(tǒng)會出現(xiàn)負值負載。為了減輕負值負載所造成的不良影響，回油路上裝有背壓閥，在背壓閥作用下，小油缸的速度受到限制，防止出現(xiàn)速度失控現(xiàn)象。根據(jù)溢流閥的特點和性能，可用溢流閥做背壓閥。由于小油缸要實現(xiàn)向左、右運動和中立3種狀態(tài)，設計系統(tǒng)油路時，為實現(xiàn)系統(tǒng)的自動控制，需要一個三位四通電磁換向閥。液壓回路如圖3-1所示。 3.1.2 液壓泵和分配器選擇 泵的主要參數(shù)有壓力、流量、轉(zhuǎn)速、效率，為了保證系統(tǒng)正常運轉(zhuǎn)和泵的使用壽命，一般在固定設備系統(tǒng)中，正常工作壓力為泵的額定壓力的80%左右，泵的Q要大于系統(tǒng)工作壓力。 經(jīng)分析計算約定約翰-迪爾天拖1204拖拉機的液壓泵型號為CB-Q30，查[14] P20-152 表20-5-6，相關(guān)參數(shù)如表3-2所示。 表3-2 JD1204拖拉機液壓泵相關(guān)參數(shù) 類別 型號 排量 ml/r 壓力 /MPa 轉(zhuǎn)速 r/min 容積效率/% 額定 最高 額定 最高 外嚙合齒輪 CB-Q 20-60 20 25 2000 2500 92 同時電控液壓懸掛系統(tǒng)中的分配器，使用JD1204拖拉機開心式半分置式液壓系統(tǒng)的分配器。 3.1.3 小油缸的選型 電控液壓系統(tǒng)中用小油缸活塞桿的運動來控制分配器中的主控制閥，以實現(xiàn)液壓懸掛系統(tǒng)中的油路換向，進行農(nóng)具的相關(guān)操作。 分配器內(nèi)的彈簧對主控制閥的負荷力為1000 N，分配器中主控制閥的位移量為25 mm。在提升器中，小油缸的安裝空間為寬80 mm，高150 mm，長200 mm，由此可初步確定小油缸的最大外徑不能超過80 mm。查[14] P20-282 表20-6-2，不妨令液壓缸的內(nèi)徑為50 mm，即D=50 mm。又查[15] P115 表4-4，由于液壓缸的工作壓力小于10 MPa，于是選往復運動比=1.33，則由[15] P114 式4.24得活塞桿徑： 查[14] P20-282 表20-6-2，取d=25 mm。 下面確定小油缸的工作壓力P，由于所采用的推動分配器主控制閥彈簧的最大負荷力為1000 N,因此，控制主控制閥的小油缸內(nèi)的油壓： 又液壓回路中存在背壓，即小油缸的出油口存在背壓，取小油缸的工作壓力為3MPa。查[14] P20-282 表20-6-2 活塞行程系列，取活塞的最大行程為又活塞長度： 導向套長度 ： 于是小油缸的長度： 最終，取 。 綜上，查[14] P20-311 表20-6-30，取小油缸的型號為HSG·F-50/25·E。 3.1.4 換向閥的選擇 換向閥是實現(xiàn)油路的換向、順序動作及卸荷等功能的閥門。根據(jù)小油缸控制分配器主閥完成提升、中立、下降的需要及壓力、流量和拖拉機采用直流電的條件，查[14] P20-528 表20-7-164選擇DSG-G01-3C-2A-D24-5O型三位四通電磁換向閥，如圖3-2所示。 圖3-2 三位四通電磁換向閥 此電磁換向閥配有強吸力，高性能的濕式電磁鐵，具有高壓、大流量、壓力損失低等特點，其非常適用于農(nóng)業(yè)機械及車輛中。其最大流量為63 L／min，最高壓力31.5 MPa，T口允許背壓16 MPa，最高換向頻率為300次／min。 3.1.5 減壓閥和溢流閥的選擇 減壓閥是一種利用液流流過縫隙產(chǎn)生壓降的原理，使出口壓力低于進口壓力的壓力控制閥。在電控液壓系統(tǒng)中，減壓閥作為穩(wěn)定油路工作壓力的調(diào)節(jié)裝置，使油路的壓力不受油源壓力的影響。由于小油缸工作壓力變化較小，選擇定值減壓閥的型號為PRCV-G10-1-32型，由上海公新機械有限公司供應。 其中： PRCV-單向減壓閥； G-安裝形式板式安裝； 10-公稱直徑32mm； 1-壓力調(diào)節(jié)范圍7-70MPa； 32-設計號低壓型。 溢流閥在液壓懸掛系統(tǒng)中做背壓閥用，背壓閥裝于液壓系統(tǒng)的回油路中，給液壓系統(tǒng)形成一定的背壓力，以增加小油缸的運動平穩(wěn)性。根據(jù)油路的流量確定其型號為RF-G06-1-32型，由上海公新機械有限公司供應。 其中： RF-溢流閥； G-安裝形式板式安裝； 06-公稱直徑20mm； 1-壓力調(diào)節(jié)范圍7-70MPa； 32-設計號低壓型。 3.2 信號處理電路設計 3.2.1 傳感器的選擇 在電控液壓懸掛系統(tǒng)中，需要把主控制閥的位置信號、農(nóng)具的提升位置信號和土壤阻力對彈簧桿的壓力信號傳給CPU，以進行數(shù)據(jù)處理和發(fā)出控制指令。主控制閥的位置信號用位移傳感器，農(nóng)具的提升位置信號用提升軸轉(zhuǎn)角傳感器，土壤阻力對彈簧桿的壓力信號用壓力傳感器。 農(nóng)具提升時，油缸的活塞桿推動內(nèi)提升臂使提升臂軸轉(zhuǎn)動，經(jīng)外提升臂和上下拉桿帶動農(nóng)具提升。提升臂軸的轉(zhuǎn)角反映了農(nóng)具的提升高度，安裝在提升臂軸上的轉(zhuǎn)角傳感器，根據(jù)提升臂軸的不同轉(zhuǎn)角輸出不同電量。傳感器采用BT13-WYT-2轉(zhuǎn)角傳感器，其技術(shù)參數(shù)見表3-3所示。 無觸點角度傳感器將機械轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)化為電信號輸出，無電接觸點的測量出轉(zhuǎn)動的角度。與線繞式、金屬膜式或?qū)щ娝芰鲜诫娢黄飨啾?，該傳感器具有以下特點： ①無觸點，高靈敏度，極長壽命； ②無噪聲，高重復性，單調(diào)無限分辨率；? ③無磨損，高可靠性，高頻響應特性好； ④低轉(zhuǎn)矩，360°連續(xù)轉(zhuǎn)動，輸出信號不受潮濕環(huán)境影響。 磁敏電阻式角度傳感器廣泛應用于航空、電子、機械、紡織、輕工、船舶、冶金等諸行業(yè)，尤其適用于機械變化頻繁，環(huán)境惡劣，需要使用壽命長的場合。 拖拉機工作過程中農(nóng)具的提升、中立、下降由分配器主閥的位置來確定，主閥的位置是由小油缸的活塞桿控制的。主閥的位置由位移傳感器檢測，位移傳感器采用LVDT差動式直線位移傳感器，其技術(shù)參數(shù)如表3-4所示。 表3-3 BT13-WYT-2轉(zhuǎn)角傳感器參數(shù) 型 號 BT13-WYT－2 機械轉(zhuǎn)角 軸承固定 360°可連續(xù)轉(zhuǎn)動 線性量程 ±45°(90°) 獨立線性度 1.5% 輸入電壓 ≤DC12V 工作電流 ≤5mA 輸入阻抗 5KΩ±30% 靈敏度 >2.5%Vin /10° 分辨率 理論上連續(xù) 使用溫度 -25℃～+55℃ 溫度系數(shù) ±0.05%DVout/Vin/℃ 濕度范圍 0～95% 表3-4 LVDT差動式直線位移傳感器參數(shù) 供電電壓 直流9V-12V 供電電流 電壓輸出型供電電流≤12mA 位移量程 0-50mm 量程 輸出信號 Modbus RS232數(shù)字信號 交流信號 0.5-4.5VDC 0-5VDC或-5V至+5V 輸出噪聲 ＜25 μArms 線性誤差 ±0.15% 重復誤差 ＜0.01% of FS 使用溫度 -25℃-+85℃ 溫度系數(shù) ≤零點0.01%/℃ 靈敏度≤0.025%/℃ 承受沖擊力 150g/11ms? 承受加速度 20g (1) LVDT差動式直線位移傳感器的特點： ①直流單電源供電，內(nèi)置高性能信號調(diào)節(jié)器，無待機消耗； ②外徑20mm，或12mm，不銹鋼304外殼； ③電子元器件全密封設計，防塵防水防油污、抗輻射，野外作業(yè)亦可； ④安裝簡單，無需調(diào)零； ⑤非接觸式，無滑動觸點，使用壽命長。 (2) LVDT差動式直線位移傳感器的檢測鐵芯與傳感器主體分開。傳感器主體是中空的圓柱體，固定在某個地方，將鐵芯與被測物體連接，鐵芯在傳感器主體中空的空間里來回穿梭，由此檢測出被測物體移動的距離。其檢測元件之間無接觸，非接觸式，沒有任何摩擦，壽命長，頻響高。常見應用領(lǐng)域有：機械設備的距離移動，如沖床、軋機、柴油機、油缸（液壓缸）、試驗機、注塑機等機械零部件的移動檢測。 農(nóng)具入土中的土壤阻力測定，是通過上拉桿對力調(diào)節(jié)彈簧的作用力來反映的，該力通過彈簧桿作用在壓力傳感器上，當壓力變化時，輸出電量變化。壓力傳感器采用BCM傳感技術(shù)公司提供的應變式力傳感器，其結(jié)構(gòu)形式為軸銷式。壓力傳感器原理圖如圖3-3所示。 圖3-3 壓力傳感器原理圖 表3-5 KMB060A30-15壓力傳感器參數(shù) 傳感器類型 KMB060A30-15 電源電壓(電流) 8～12v 溫度靈敏度系線性度數(shù) <1.25%/10° 工作溫度范圍 -35℃- +125℃ 插頭類型 3-針插頭 正常行程 10mm 線性度 2％ 將農(nóng)具作用在下拉桿前連接點的牽引力引起的剪切力轉(zhuǎn)變成磁場力。無載荷時，初級線豳的兩級之間形成對稱的磁場，在壓力或張力作用下，等方性磁場的磁場特性發(fā)生變化，因此磁場變?yōu)椴粚ΨQ，從而次級線圈的兩極之問的磁場發(fā)生改變，這種改變將造成次級線圈中磁通量的變化，同時，在次級線圈中產(chǎn)生感應電壓。感應電壓與外界拉力或壓力的大小對應成比例。其技術(shù)參數(shù)如表3-5所示。 3.2.2 傳感器信號放大電路和濾波器的設計 由于傳感器輸出信號較弱，角位移傳感器的工作電流小于5 mA，壓力傳感器輸出電壓為0.5V，信號需經(jīng)放大電路放大。3個傳感器的輸出采用同一種放大電路，如圖3-4所示。 圖3-4 傳感器放大電路圖 該放大電路為兩級放大，兩級都是反向輸入：第一級由LM358A組成模放大，R1為調(diào)節(jié)電位器，由它輸入一個補償電壓，適當調(diào)節(jié)它的大小，可以抵消放大器本身的失調(diào)電壓，消除傳感器輸入的共模干擾信號。電路中取R2=R3=R4=R5；第二級由LM358B組成反向放大電路。圖中C1、R10、C2組成π型濾波電路，以濾除噪聲。其中LM358內(nèi)部包括有兩個獨 圖3-5 LM358的引腳圖 立的、高增益、內(nèi)部頻率補償?shù)碾p運算放大器，即LM358A、LM358B，適合于電源電壓范圍很寬的單電源使用，也適用于雙電源工作模式，在推薦的工作條件下，電源電流與電源電壓無關(guān)。它的使用范圍包括傳感放大器、直流增益模塊和其他所有可用單電源供電的使用運算放大器的場合。LM358的引腳圖如圖3-5所示。 3.2.3 光電耦合器和三極管放大電路設計 電路中涉及到電磁換向閥。為了消除執(zhí)行機構(gòu)對CPU系統(tǒng)的干擾，電路中使用光電耦合器進行信號傳遞，以隔離執(zhí)行機構(gòu)與單片機系統(tǒng)之間的電氣聯(lián)系。光電耦合器輸出電流較小(10～20 mA)，不能直接驅(qū)動大的負載。因此，設計了三極管放大電路來驅(qū)動負載，而將光電耦合器放在驅(qū)動器前面。光電耦合器由發(fā)光源和受光器兩部分組成。把發(fā)光源和受光器組裝在同一密閉的殼體內(nèi)，彼此間用透明絕緣體隔離。發(fā)光源的引腳為輸入端，受光器的引腳為輸出端，常見的發(fā)光源為發(fā)光二極管，受光器為光敏二極管、光敏三極管。其工作原理是：在光電耦合器輸入端加電信號使發(fā)光源發(fā)光，光的強度取決于激勵電流的大小，此光照射到封裝在一起的受光器上后，因光電效應而產(chǎn)生了光電流，由受光器輸出端引出，這樣就可以實現(xiàn)電一光一電的轉(zhuǎn)換。 圖3-6 電磁換向閥控制電路原理圖 當光電耦合器前端為低電平時，光耦后接通三極管放大電路驅(qū)動電磁換向閥的左(或右)端電磁鐵，控制小液壓缸向右(左)運動，進而控制農(nóng)具升降，達到耕深自動調(diào)節(jié)的目的?？刂齐娐吩韴D如圖3-6所示 。 3.3 控制回路設計 3.3.1 ECU特點 80C196KC單片機的組成可分為CPU及片內(nèi)外設備兩大部分，CPU為16位單片機，其結(jié)構(gòu)特點有[16]: (1) CPU的主要部件寄存器算術(shù)邏輯單元RALU沒有采用常見的累加器結(jié)構(gòu)，而是寄存器—寄存器結(jié)構(gòu)，CPU的操作直接面向00H-01FFH的片內(nèi)寄存器空間(其中 OOH-17H共24字節(jié)為特殊功能寄存器 SFR,18H-01FFH共488字節(jié)稱為寄存器陣列)，CPU與外設的通信均是通過各SFR，寄存器陣列或存儲器控制器來進行的。這樣通過SFR來直接控制F0口，加速了數(shù)據(jù)的傳遞和交換。這種結(jié)構(gòu)消除了累加器的單一功能。 (2) 內(nèi)部分頻電路為2分頻，兩個震蕩周期構(gòu)成一個狀態(tài)周期，它是80C196KC的基本時間單位，即運行時間是以狀態(tài)周期為單位計算的。在12MHz的晶振下，一個狀態(tài)周期為167ns。這樣對于12MHz晶振，該單片機執(zhí)行16位乘16位(3操作數(shù))的乘法需2.83us，比MCS-51系列單片機快了許多。 (3) 80C196KC有多種總線的操作方式，可以16位地址/數(shù)據(jù)復用的標準總線、8位外總線、以及在運行過程中，80CI%KC的總線可以動態(tài)的配置為16位或8位。本系統(tǒng)采用16位地址/8位數(shù)據(jù)復用總線。在多機共享存儲器系統(tǒng)中，80C196KC也具有DMA功能，還可以出讓總線。 (4) 80C196KC有三種特殊的工作方式:閑置方式IDLE、掉電方式POWERDOWN和測試方式ONCE。用于滿足一些系統(tǒng)對低功耗和編程的要求。 (5) 三個PWM輸出口。具有高速輸入輸出口HSI/HS0，HSO具有CAM事件鎖定功能。 (6) 具有2個16位的定時/記數(shù)器，具有16位監(jiān)視定時器WDT。 (7) A/D轉(zhuǎn)換器可以用作8位或10位，其采樣時間和轉(zhuǎn)換時間可以編程。 表3-6給出了80C196KC芯片的功能列表。 表3-6 80C196KC芯片的功能列表 型號 80C196KC ROM(KB) 16 寄存器 RAM/B 488 定時器/計數(shù)器 2 A/D通道 8 I/O引腳 48 捕獲/計較 HSIO 串行口 1 PWM 3 速度/MHz 16-20 尋址空間/KB 64 其他主要特征 PTS 3.3.2 80C196KC系統(tǒng)設計 (1) 時鐘電路 80C196KC需要一個時鐘源進行操作，時鐘頻率在6-12MHz之間。這個時鐘可由外界晶體和內(nèi)部電路構(gòu)成的晶體振蕩器產(chǎn)生，也可以由外部時鐘直接提供。本系統(tǒng)采用如圖3-7所示的晶體振蕩器電路提供時鐘源。 圖3-7 時鐘電路圖 圖3-8 復位電路 (2) 復位電路 本控制系統(tǒng)設計有手動復位電路，如圖3-8所示。圖中RESET連接到復位腳RESET，S6為復位開關(guān)按鈕。80C169KC的復位引腳低電平有效，所以RESET鍵按下時RESET引腳電平被拉低，系統(tǒng)被復位。 (3) 串口通信電路設計 本控制系統(tǒng)通過UART0串口通信方式將采集數(shù)據(jù)傳輸給上位機，這樣便于實驗后對系統(tǒng)運行狀態(tài)數(shù)據(jù)分析。UART0與8OC196KC的接口電路如圖3-9所示。CPU串口采用模式1與PC計算機通訊，波特率為:9600B/s。在程序中定時給PC計算機傳輸數(shù)據(jù)，所得數(shù)據(jù)作為實驗分析使用。 圖3-9 串口通信電路圖 3.4 本章小結(jié) 本章繼第二章在方案二的基礎上做了進一步設計，主要完成了液壓油路的設計及硬件選型和信號處理電路設計，其中包括電控液壓系統(tǒng)回路設計、液壓泵和分配器的選擇、小油缸的選型、換向閥的選擇、減壓閥和溢流閥的選擇、傳感器的選擇、傳感器信號放大電路和濾波電路的設計、光電耦合器和三極管放大電路設計等內(nèi)容。系統(tǒng)的對液壓懸掛系統(tǒng)進行了自動控制系統(tǒng)的設計研究。 電控液壓懸掛系統(tǒng)的軟件設計 第四章 電控液壓懸掛系統(tǒng)的軟件設計 一個控制系統(tǒng)要正常工作，僅有硬件部分是不夠的，還需要軟件部分的配合才能構(gòu)成一個完整的控制系統(tǒng)。本章主要介紹電控液壓懸掛的軟件實現(xiàn)。 4.1 主程序設計 本控制系統(tǒng)設計了耕深的3種調(diào)節(jié)控制方式：位調(diào)節(jié)控制、力調(diào)節(jié)控制和力位綜合調(diào)節(jié)控制?？刂品绞降倪x擇由控制面板的按鍵來實現(xiàn)。電控液壓懸掛系統(tǒng)的主程序框圖如圖4-1所示。 開始 CPU寄存器初始化 80C196KC芯片初始化 顯示壓力、轉(zhuǎn)角傳感器標定 CPU開中斷 顯示“CAEU”等待鍵中斷 中斷？ No Yes 中斷子程序 4-1 主程序框圖 4.2 A/D轉(zhuǎn)換中斷程序設計 在實現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)化過程中，程序通過向A/D命令寄存器直接寫入命令來實現(xiàn)通道選擇和A/D轉(zhuǎn)化器的啟動。在80C196KC單片機中采用逐次逼近算法實現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)化。轉(zhuǎn)化原理是:把一個以二進制規(guī)則變化的參考電壓序列逐次與模擬輸入作比較，以尋找一個與輸入最接近的參考電壓。首先，以滿量程參考電壓的1/2作為測試電壓，與輸入作比較，相當于把10位二進制值的O111111111b與輸入作比較。若輸入模擬電壓小于測試電壓，則讓SAR的10位為0，即把滿量程電壓的1/4作為新的測試電壓，與輸入作比較。若這一次是測試電壓低于輸入電壓，則把SAR的第9位置1，再把位8清除，作為下一個測試電壓(01 011111