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)常裝配在拖拉機懸掛式農(nóng)機具之中，主要用于提升拖拉機控制以及動力輸出效果，其本身是一個閉環(huán)智能化控制系統(tǒng)。通過加強對該系統(tǒng)的開發(fā)設(shè)計研究分析，可以進(jìn)一步提升拖拉機的智能化控制水平，這對充分發(fā)揮拖拉機生產(chǎn)價值、推動我國現(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)機具電液控制系統(tǒng)原理

懸掛式農(nóng)機具電液控制系統(tǒng)的組成相對復(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構(gòu)。懸掛式農(nóng)機具電液控制系統(tǒng)在運行時，先由農(nóng)機駕駛員通過控制面板，實現(xiàn)對牽引力、位置、方位以及油壓的綜合控制，并結(jié)合農(nóng)機生產(chǎn)需求，完成控制參數(shù)的自主設(shè)置[1-2]。對智能傳感器而言，基于農(nóng)機不同的生產(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。傳感器在運行工作時，相關(guān)的裝置信號需要經(jīng)過信號放大器進(jìn)行放大，然后再經(jīng)過A/D 轉(zhuǎn)換，才能完成傳感器信號的傳輸，最終傳感器信號傳輸至電子控制單元（Electronic Control Unit, ECU）。農(nóng)機具的液壓系統(tǒng)，主要包括液壓泵、電液控制閥、液壓缸、油管等裝置，液壓泵主要為整個懸掛式農(nóng)機具電液控制系統(tǒng)提供油液動力。電液控制閥在運行時，主要受電子控制單元的控制。在控制過程中，主要通過控制閥口開閉，實現(xiàn)對油液方向的控制。通過控制閥口的開口大小，實現(xiàn)對油液流量大小的控制。通過上述控制方式，實現(xiàn)對懸掛機構(gòu)升降與運行速度的控制。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，然后將控制信號放大，實現(xiàn)對電液控制閥的有效控制。

2 懸掛式農(nóng)機具電液控制系統(tǒng)整體模塊構(gòu)成

從懸掛式農(nóng)機具電液控制系統(tǒng)組成來看，包括多個控制模塊，比如微處理器模塊、驅(qū)動器模塊等。其中對微處理器模塊而言，本系統(tǒng)設(shè)計采用了STM32F103 單片機作為核心控制單元。模塊在運行時，通過PWM信號輸出，實現(xiàn)比例閥控制，來有效驅(qū)動電路。同時，在該信號的幫助下，還能夠?qū)Ρ壤较蜷y進(jìn)行精準(zhǔn)地控制。在控制過程中，主要目的是進(jìn)行液壓調(diào)速，更好地滿足農(nóng)機使用功能需求。對速度傳感器而言，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，以此來實現(xiàn)系統(tǒng)動力輸出控制，并讓整個系統(tǒng)處于閉環(huán)控制狀態(tài)。對液晶顯示屏處理模塊而言，直接通過串口與微處理模塊核心控制單元相連接，實現(xiàn)參數(shù)輸入設(shè)置，并實現(xiàn)系統(tǒng)工作各種狀態(tài)參數(shù)的實時顯示[3]。對提升手柄控制模塊而言，主要負(fù)責(zé)接收來自核心控制系統(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，實現(xiàn)系統(tǒng)的智能化控制。

3 懸掛式農(nóng)機具電液控制系統(tǒng)硬件設(shè)計

3.1 比例方向閥電路設(shè)計

在設(shè)計過程中，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。在這一過程中，單元會發(fā)出PWM 信號，可以對DRV812 驅(qū)動控制電路進(jìn)行控制。通過該控制電路，主要目的是完成對比例方向閥脈寬參數(shù)的精準(zhǔn)化調(diào)制。同時，在設(shè)計的過程中，還可以設(shè)計專門的驅(qū)動控制電路。在該控制電路中，通過將PWM輸入口和PWM輸出口相連，前者屬于DRV812 驅(qū)動控制電路，后者屬于STM32F103 單片機。二者在相連的基礎(chǔ)上，還需要將芯片F(xiàn)OULT與單片機的通用輸入輸出端口（general purpose intput output, GPIO）進(jìn)行連接。在系統(tǒng)運行時，可以結(jié)合上述引腳電平的真實狀態(tài)情況，通過進(jìn)行分析判斷，從而了解芯片實際的運行狀態(tài)。在本次設(shè)計時，選擇從比例閥驅(qū)動電路模塊入手展開相關(guān)的設(shè)計工作。在進(jìn)行設(shè)計時，圍繞DRV812 驅(qū)動芯片，本設(shè)計采用了雙路全橋工作模式。在該模式下，芯片在運行的過程中可以輸入多路PWM 信號，實現(xiàn)對主芯片半橋的針對性控制。針對不同的半橋，均配置柵極驅(qū)動電源，這些電源均相互獨立。同時，在引腳設(shè)計方面，采用了自舉引腳與電源引腳。通過采用上述設(shè)計方法，確保半橋的電氣特性具有對稱性特點。在設(shè)計方向閥輸入引腳的過程中，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輸入PWM 信號，實現(xiàn)對多路比例方向閥的控制。在整個控制過程中，可以實現(xiàn)最大連續(xù)驅(qū)動控制，最高能夠達(dá)到12 A。DRV812 主芯片在運行時，針對故障問題可以及時響應(yīng)，當(dāng)發(fā)現(xiàn)故障時，半橋?qū)敵龈咦杩範(fàn)顟B(tài)。同時，F(xiàn)AULT引腳將也會發(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，可以實現(xiàn)自動恢復(fù)功能。

3.2 顯示屏輸出設(shè)計

在對智能化控制系統(tǒng)設(shè)計的過程中，首先應(yīng)關(guān)注系統(tǒng)的顯示屏。在本設(shè)計過程中，采用了迪文DMT80600T104 顯示屏。這種顯示屏屬于液晶顯示屏，可以直接通過觸摸屏幕實現(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。這些顯示屏在運行通信時，主要通過串口與單片機連接，最終實現(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

電液系統(tǒng)是主要的動力輸出系統(tǒng)，同時也是本次設(shè)計的關(guān)鍵所在。電液控制設(shè)計質(zhì)量的好壞，將會對整個懸掛式農(nóng)機具電液控制系統(tǒng)產(chǎn)生直接的影響[6]?；诖耍趯嶋H設(shè)計的過程中，必須認(rèn)真分析負(fù)載、運動方式，明確關(guān)鍵的參數(shù)內(nèi)容。液壓系統(tǒng)組成并不復(fù)雜，主要配置有兩個單通道回路。液壓系統(tǒng)的動力由液壓泵提供，液壓泵在工作時，主要由農(nóng)機動力輸出軸負(fù)責(zé)提供動力。在動力輸出過程中，主要利用了設(shè)備機械能，通過轉(zhuǎn)化使其以液壓能形式展現(xiàn)。具體而言，在設(shè)計的過程中，通過將農(nóng)機與液壓油泵輸出軸進(jìn)行連接，在連接時，采用了萬向聯(lián)軸器裝置。該裝置本身有著非常強大的角度補償能力，同時針對軸向位移也有較強的補償能力，不僅如此，裝置的回轉(zhuǎn)能力也非常強大，傳動穩(wěn)定性優(yōu)良，可以滿足動能轉(zhuǎn)換的需求。

在萬向聯(lián)軸器的幫助下，農(nóng)機動力輸出軸可以通過轉(zhuǎn)動，完成機械能的轉(zhuǎn)化，用于滿足液壓泵運行所需的動力需求。針對液壓油的控制，可以調(diào)整液壓動力的大小。在這一過程中，主要依賴于通過比例閥裝置進(jìn)行實現(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，通過外接油路與液壓馬達(dá)相連接，以此完成對液壓機械的控制，使其滿足設(shè)備功能要求。

在總回路中，還應(yīng)提高對溢流閥和安全閥設(shè)計的重視程度。對前者來說，主要設(shè)計目的是滿足回路流量控制要求。針對后者，主要設(shè)計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，可以實時了解農(nóng)機動力輸出軸向液壓泵提供動力的大小。在后續(xù)發(fā)生系統(tǒng)故障時，可以通過壓力表，了解系統(tǒng)的壓力大小。流量表用于檢測各油路在運行時流量的大小，壓力表用于檢查油路運行的壓力大小，可以直接通過流量表與壓力表，了解系統(tǒng)穩(wěn)定性，這也為后續(xù)試驗數(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

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

4 懸掛式農(nóng)機具電液控制系統(tǒng)軟件設(shè)計

懸掛式農(nóng)機具電液控制系統(tǒng)軟件開發(fā)環(huán)境采用了Keil μVision5。在本次設(shè)計的過程中，主要采用了模塊化設(shè)計方式。在程序系統(tǒng)配置方面，需要初始化PWM占空比、定時器、A/D采集程序等裝置軟件。在具體進(jìn)行程序設(shè)計的過程中，針對不同模塊，均選擇了獨立運行模式。在不同程序模塊之間，設(shè)計了子程序，以此控制完成信號采集、存儲、分析，并控制硬件，完成系統(tǒng)的各項功能設(shè)置。其中對比例方向閥而言，可以采用單片機核心控制裝置的定時器，實現(xiàn)精準(zhǔn)控制。在這一過程中，可以在相關(guān)函數(shù)的幫助下，對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，以此來對整個閥門進(jìn)行精準(zhǔn)化控制。對液晶顯示屏模塊而言，可以通過串口等讀取指令。在此基礎(chǔ)上，還可以在外部中斷的幫助下，實現(xiàn)指令的關(guān)閉與啟動。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)性能試驗分析

5.1 實驗農(nóng)機設(shè)備

在本懸掛式農(nóng)機具電液控制系統(tǒng)實驗過程中，使用的農(nóng)機為五征牌拖拉機與馬鈴薯收獲機，其中前者的型號為TA354，后者的型號為4U-170。

5.2 實驗方法

首先，在實驗室內(nèi)，通過運行拖拉機，以此利用其動力輸出軸，滿足系統(tǒng)的原動力要求。然后，通過電液系統(tǒng)，將拖拉機運行提供的原動力轉(zhuǎn)化為液壓能，將實驗室內(nèi)的懸掛馬鈴薯收獲機作為負(fù)載，以此來完成試驗，并采集相關(guān)試驗數(shù)據(jù)信息。在處理數(shù)據(jù)信息時，將液壓油進(jìn)油口壓力設(shè)置為10 MPa，調(diào)節(jié)PWM 信號占空比，每次增加10%，可以對比不同PWM 占空比下對應(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 實驗結(jié)果分析

通過表1 可知，當(dāng)PWM 信號占空比在不斷增加時，馬達(dá)轉(zhuǎn)速也在不斷提升。當(dāng)占空比在5%~25%變化時，液壓馬達(dá)運行轉(zhuǎn)速從18.1 r/min 提升至610.9 r/min，整體提升速度較快。尤其是當(dāng)動力輸出軸占空比為25%時，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，產(chǎn)生了比例閥開度死區(qū)，流量不足，此時的轉(zhuǎn)速為0。當(dāng)占空比在55%時，比例閥開度處于最大狀態(tài)，出現(xiàn)了流量飽和現(xiàn)象，此時的液壓馬達(dá)運行轉(zhuǎn)速最大，且不再提升。

6 總結(jié)

總而言之，懸掛式農(nóng)機具電液控制系統(tǒng)開發(fā)是一項專業(yè)復(fù)雜的工作。在實際開發(fā)設(shè)計的過程中，應(yīng)了解該系統(tǒng)的基本原理，并從整體設(shè)計、硬件設(shè)計、軟件設(shè)計的角度出發(fā)，加強對相關(guān)設(shè)計細(xì)節(jié)的落實。通過加強對系統(tǒng)性能的試驗分析，驗證系統(tǒng)的效果，從而為后續(xù)投入生產(chǎn)實踐做好充足的準(zhǔn)備工作。