崔 勇，翟旭軍，陶德清

(江蘇農(nóng)牧科技職業(yè)學(xué)院，江蘇 泰州 225300)

0 引言

當(dāng)前在聯(lián)合收割機(jī)自動(dòng)控制過程中仍存在故障率高、性能不穩(wěn)定等缺點(diǎn)，在自動(dòng)控制過程中無法應(yīng)對自然環(huán)境變化，導(dǎo)致自動(dòng)控制效率較為低下。聯(lián)合收割機(jī)相比于一般收割機(jī)結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，在自動(dòng)控制時(shí)對其智能性及功能性要求較高。基于此，需要簡化控制系統(tǒng)，優(yōu)化自動(dòng)控制功能，促進(jìn)聯(lián)合收割機(jī)的普及。撥禾輪是聯(lián)合收割機(jī)重要部分，對撥禾輪的自動(dòng)控制可降低傳動(dòng)級數(shù)，減少工作過程的功率損耗，提升系統(tǒng)工作穩(wěn)定性，并可促使系統(tǒng)在工作過程中各個(gè)工作順序有效展開。本文在此基礎(chǔ)上對聯(lián)合收割機(jī)撥禾輪轉(zhuǎn)速自動(dòng)控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，便于提升聯(lián)合收割機(jī)撥禾過程穩(wěn)定性和實(shí)效性。

1 撥禾輪工作原理

1.1 撥禾輪運(yùn)動(dòng)數(shù)學(xué)模型

從運(yùn)動(dòng)類型來看，撥禾輪在收割過程中的運(yùn)動(dòng)屬于一種復(fù)合運(yùn)動(dòng)，為對其運(yùn)動(dòng)過程進(jìn)行分析，先建立直角坐標(biāo)系，設(shè)定坐標(biāo)原點(diǎn)為O0，收割機(jī)前進(jìn)與地面平行方向?yàn)閄軸，垂直地面方向?yàn)閅軸。在此坐標(biāo)系下?lián)芎梯喭獠窟吘壩恢蒙系狞c(diǎn)在系統(tǒng)啟動(dòng)后便沿逆時(shí)針方向運(yùn)轉(zhuǎn)。其工作過程如圖1所示。

圖1 撥禾輪工作過程Fig.1 The working process of the reel

結(jié)合圖1撥禾輪工作過程便可建立撥禾輪工作過程數(shù)學(xué)模型方程，模型表示為

式中R—撥禾輪半徑；

ω—撥禾輪運(yùn)動(dòng)過程角速度；

Vm—聯(lián)合收割機(jī)運(yùn)動(dòng)前進(jìn)速度；

t—撥禾輪在水平方向運(yùn)轉(zhuǎn)的時(shí)間；

H—撥禾輪在聯(lián)合收割機(jī)安裝高度；

h—農(nóng)作物割茬高度；

L—農(nóng)作物平均高度。

在以上數(shù)學(xué)模型基礎(chǔ)上，在進(jìn)行農(nóng)作物收割過程中，為減少農(nóng)作物與撥扳的碰撞，在撥禾輪工作過程中設(shè)定其進(jìn)入禾叢時(shí)在水平方向的分速度為0。在此基礎(chǔ)上得出下式，即

Vx=0

進(jìn)行撥禾輪位置調(diào)整需要遵循以上過程，且在運(yùn)動(dòng)過程中需要促進(jìn)撥板在運(yùn)動(dòng)過程中呈垂直狀態(tài)時(shí)作用在農(nóng)作物的點(diǎn)應(yīng)稍高于農(nóng)作物重心高度，以此消除收割過程中可能出現(xiàn)的撥禾板無法撥帶農(nóng)作物的情況。

1.2 撥禾輪轉(zhuǎn)速數(shù)學(xué)模型

撥禾輪在運(yùn)動(dòng)過程中可結(jié)合其作業(yè)速度及速度比值λ(一般取值在1.5～1.6區(qū)間)，在此基礎(chǔ)上可確定其線速度為

式中n—撥禾輪工作轉(zhuǎn)速；

Vb—撥禾輪運(yùn)動(dòng)角速度。

在進(jìn)行λ取值時(shí)可結(jié)合撥禾輪板數(shù)、工作速度、農(nóng)作物成熟條件來確定。若在設(shè)計(jì)中采用6板撥禾輪作為設(shè)計(jì)樣板，則其實(shí)際取值可低于1.5～1.6區(qū)間；若采用4板撥禾輪作為設(shè)計(jì)樣板，則其實(shí)際取值可稍高于1.5～1.6區(qū)間。實(shí)際作業(yè)過程中，當(dāng)作業(yè)速度有所提升時(shí)便可利用慣性作用降低農(nóng)作物谷粒的掉落率，因此在實(shí)際設(shè)計(jì)中選取λ值的主要影響因素為收割機(jī)實(shí)際作業(yè)速度。

1.3 撥禾輪功率確定

撥禾輪功率是聯(lián)合收割機(jī)總功率重要組成部分，其計(jì)算公式可表示為

式中P—撥禾輪工作過程中邊緣切向阻力；

B—撥禾輪設(shè)計(jì)寬度；

Vb—撥禾輪運(yùn)動(dòng)角速度。

電動(dòng)機(jī)是撥禾輪的動(dòng)力提供裝置，在選擇撥禾輪過程中需要結(jié)合撥禾輪的機(jī)械特性等因素選擇電動(dòng)機(jī)的相關(guān)參數(shù)和類型。聯(lián)合收割機(jī)在實(shí)際工作過程中一般采用三相交流電，因此若對聯(lián)合收割機(jī)無特殊要求則采用交流電動(dòng)機(jī)。采用交流電動(dòng)機(jī)具有穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，使用壽命較長，性價(jià)比高，實(shí)際設(shè)計(jì)中一般選用鼠籠式交流電動(dòng)機(jī)。聯(lián)合收割機(jī)工作環(huán)境較為復(fù)雜，經(jīng)常需面對大量粉塵，因此電動(dòng)機(jī)需要具備一定密封性，則在此基礎(chǔ)上選擇Y系列電動(dòng)機(jī)。結(jié)合實(shí)際經(jīng)驗(yàn)確定撥禾輪功率分布在0.182～0.33kW之間，因此選擇功率為0.55kW的Y系列電動(dòng)機(jī)。

2 撥禾輪自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 交流變頻電源

設(shè)定撥禾輪的輸出頻率在1～5Hz之間，采用三相380V的輸出電壓，并通過87C196KC16單片機(jī)作為控制系統(tǒng)。撥禾輪屬于聯(lián)合收割機(jī)的輔助構(gòu)件，因此對其快速響應(yīng)速度無特殊要求，設(shè)定其響應(yīng)時(shí)間為0.5s。在實(shí)際工作中轉(zhuǎn)子會出現(xiàn)發(fā)熱情況導(dǎo)致其共組環(huán)境溫度升高，因此要求電源裝置可在50℃的環(huán)境下仍舊保持其工作性能。在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)的交流電源主回路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 電源主回路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.2 Topology of the main circuit of the power supply

本系統(tǒng)中采用的是輸出頻率位于1～5Hz的低頻率交流電源，并采用3脈沖零式電路結(jié)構(gòu)，以此提高其性價(jià)比，且該電源的輸出包括2個(gè)半橋及6只晶閘管組成，圖3所示為R輸出相。

圖3 R輸出相Fig.3 R output phase

圖3中的R輸出相包含2個(gè)半橋及6個(gè)晶閘管，兩個(gè)板橋分別為正組(M1-M3)、反組(M4-M6)。在系統(tǒng)工作過程中，若輸出電壓為正半軸且正組為整流狀態(tài)，此時(shí)負(fù)組正好相反，作用是防止兩組整流橋出現(xiàn)短路情況；反之，輸出電壓為負(fù)半軸且負(fù)組為整流狀態(tài)，此時(shí)正組正好相反，作用是防止兩組整流橋出現(xiàn)短路情況。

電路中的支流變頻器主要作用是幫助系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)實(shí)施變頻作用，即在進(jìn)行電流控制過程中通過變頻端輸出端可獲得多個(gè)低頻交流電壓。在本系統(tǒng)中的三相零式可控電路如圖4所示。

圖4 三相零式可控電路Fig.4 Three phase zero control circuit

2.2 觸發(fā)脈沖的控制方法

撥禾輪的交流變頻控制方法較多，針對聯(lián)合收割機(jī)的實(shí)際工作情況選擇余弦交截法，該種控制方法可通過既定參考電壓uR，結(jié)合電源傳出的信號余弦波ur二者交點(diǎn)進(jìn)行晶閘管的導(dǎo)通電確定過程。

A-N、B-N、C-N分別為聯(lián)合收割機(jī)中的交流器相電壓波形，UT1、UT2、UT3分別表示余弦波，這些余弦波的相位可促進(jìn)波形峰值與晶閘管觸發(fā)角α為0時(shí)的位置相對應(yīng)。在此基礎(chǔ)上可通過比較器判斷其狀態(tài)，當(dāng)uR-uR大于0其輸出值為“1”，反之輸出為0。當(dāng)輸出器脈沖在由“0”向“1”轉(zhuǎn)變過程中會瞬間產(chǎn)生脈沖。

余弦交截法脈沖發(fā)生器波形的3個(gè)通道即具備一定獨(dú)立性，可互相聯(lián)系起來形成一個(gè)新的通道，在實(shí)際工作中主要通過環(huán)形分配器對其脈沖進(jìn)行有效分配，并可求得器近似解，即

πn-θ0—調(diào)制波n經(jīng)過零點(diǎn)；

θ0—0時(shí)刻的相位角；

Dir=+1—調(diào)制波為正；

Dir=-1—調(diào)制波為負(fù)；

Sig=+1—基準(zhǔn)波為正；

Sig=-1—基準(zhǔn)波為負(fù)；

可通過匯編語言進(jìn)行其出發(fā)時(shí)刻確定，系統(tǒng)實(shí)際工作過程中主要通過輸出脈沖至相應(yīng)晶閘管，并可通過高級語言計(jì)算觸發(fā)控制角，并在此基礎(chǔ)上得出不同等級的觸發(fā)順序。

2.3 信號發(fā)射電路設(shè)計(jì)

圖5為一種可在工作中產(chǎn)生正弦信號的一種線路結(jié)構(gòu)。由于本文研究的電路電壓已經(jīng)確定，因此通過電壓—頻率變換得出的頻率與電壓確定的三角波信號，并通過正余弦轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)相位角差為120°的信號轉(zhuǎn)換。正弦信號的振幅大小通過輸出電壓給定信號進(jìn)行控制，其最后輸出信號作為一種給電信號，采用變頻輸出方式為電動(dòng)機(jī)提供功率。

圖5 正弦信號發(fā)生器Fig.5 Sine signal generator

2.4 單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)采用的是一種名為87C196KC的單片機(jī)，特點(diǎn)為：系統(tǒng)總線十分靈活，可對其進(jìn)行動(dòng)態(tài)設(shè)置，一般可將其設(shè)置為8位或16位總線，在此基礎(chǔ)上有效降低編程難度。該單片機(jī)對外部系統(tǒng)要求極為簡單，其自身所攜帶的16K EPROM可有效降低系統(tǒng)工作過程的繁雜工作，促進(jìn)編程工作更加靈活多變；87C196KC單片機(jī)在工作中速度極快，并可為系統(tǒng)計(jì)算機(jī)提供其工作所需功率，且該單片機(jī)采用EPA及PTS技術(shù)，有效提升系統(tǒng)工作能力。

本設(shè)計(jì)中的87CI96KC單片機(jī)預(yù)期目標(biāo)主要是進(jìn)行相應(yīng)數(shù)據(jù)采集及模數(shù)轉(zhuǎn)換，并對系統(tǒng)誤差信號進(jìn)行PI計(jì)算，在此基礎(chǔ)上對晶閘管觸發(fā)相位進(jìn)行調(diào)整，以此實(shí)現(xiàn)對輸出電壓的有效控制。同時(shí)，可通過該單片機(jī)生成脈沖并將其進(jìn)行有效分配，實(shí)現(xiàn)數(shù)字觸發(fā)器的所有功能。

2.5 自動(dòng)控制系統(tǒng)組成

本設(shè)計(jì)中的撥禾輪輪速控制系統(tǒng)主要通過三相交流電作為電源提供基礎(chǔ)，結(jié)合87CI96KC單片機(jī)組成核心控制系統(tǒng)，如圖6所示。本系統(tǒng)的電路結(jié)構(gòu)為三脈沖零式電路，并可結(jié)合功能性將整個(gè)系統(tǒng)分為功率主回路以及控制電路兩個(gè)組成部分。其中，功率主回路部分主要形式為調(diào)頻調(diào)壓變換方式，實(shí)際控制過程中采用控制回路提供的信號實(shí)現(xiàn)電路的開關(guān)，并在此過程中產(chǎn)生需要的輸出電壓。

圖6 撥禾輪雙閉環(huán)控制系統(tǒng)Fig.6 Double closed loop control system

2.6 單片機(jī)控制系統(tǒng)

本設(shè)計(jì)采用87CI96KC單片機(jī)作為控制核心部件，其主原理框圖如圖7所示。

圖7 87CI96KC單片機(jī)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖Fig.7 87CI96KC MCU control system structure diagram

從87CI96KC單片機(jī)控制系統(tǒng)來看：該系統(tǒng)屬于綜合性系統(tǒng)，包含多個(gè)子系統(tǒng)，該電路由復(fù)位、放大電路、脈沖及電源提供系統(tǒng)等部分組成。在其輸入電路中具有專用于限流的電阻電容，且還可在電路過程中實(shí)現(xiàn)濾波功能，在電路出現(xiàn)過載的過程中對電路進(jìn)行有效保護(hù)。 系統(tǒng)實(shí)際工作過程中當(dāng)內(nèi)部阻值較大時(shí)則

需要降低A/D的轉(zhuǎn)換精度，并且有效降低電容誤差。

系統(tǒng)中核心部件為87CI96KC單片機(jī),該單片機(jī)可為整個(gè)控制系統(tǒng)提供信息收集、數(shù)字調(diào)節(jié)、自動(dòng)控制及數(shù)字觸發(fā)等功能。單片機(jī)的三極管會將脈沖進(jìn)行放大處理，之后將其傳送至單穩(wěn)電路進(jìn)行整形處理，配合RC電路拓寬脈沖，至少將其拓寬50%以上后進(jìn)行功率放大后將其顯示出來。經(jīng)過拓寬處理后脈沖電流仍舊較小，因此無法有效觸發(fā)晶閘管，基于此需通過三極管對其進(jìn)行放大處理，使之達(dá)到觸發(fā)需求。觸發(fā)電路如圖8所示。

圖8 觸發(fā)電路Fig.8 Trigger circuit

系統(tǒng)的隔離電路主要作用是避免高壓對電路造成的影響，結(jié)合脈沖變壓器對其進(jìn)行隔離處理，并通過LED將脈沖顯示出來，且可對電路進(jìn)行穩(wěn)壓處理。隔離電路如圖9所示。

圖9 隔離電路Fig.9 Isolation circuit

在進(jìn)行電路移相控制通過單片機(jī)控制過程中，需結(jié)合單片機(jī)中的晶閘管控制起始點(diǎn)防波信號，促進(jìn)所有脈沖信號在每個(gè)周期中均出現(xiàn)，需要保證方波信號與電源頻率相同，稱其為同步信號。本設(shè)計(jì)同步電路如圖10所示。

圖10 同步電路Fig.10 Synchronization circuit

3 結(jié)論

針對聯(lián)合收割機(jī)撥禾輪實(shí)際工作情況設(shè)計(jì)了自動(dòng)控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對撥禾輪輪速的有效控制。從運(yùn)動(dòng)類型來看，撥禾輪在收割過程中的運(yùn)動(dòng)屬于一種復(fù)合運(yùn)動(dòng)，在選擇撥禾輪過程中需要結(jié)合撥禾輪的機(jī)械特性等因素選擇電動(dòng)機(jī)的相關(guān)參數(shù)和類型。聯(lián)合收割機(jī)工作過程中，一般采用三相交流電，結(jié)合實(shí)際經(jīng)驗(yàn)確定撥禾輪功率分布在0.182～0.33kW之間，因此選

擇功率為0.55kW的Y系列電動(dòng)機(jī)。本設(shè)計(jì)中的撥禾輪輪速控制系統(tǒng)主要通過三相交流電作為電源提供基礎(chǔ)，結(jié)合87CI96KC單片機(jī)組成核心控制系統(tǒng)，并設(shè)置穩(wěn)壓電路、同步電路、放大電路等組成部分，實(shí)現(xiàn)了對撥禾輪轉(zhuǎn)速的有效控制。

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