农业机械设备的自动转向装置集成系统设计

农业机械设备的自动转向装置集成系统设计

张泽

  370321198701072719  山东淄博  256407

摘要：现代农业生产中要求农业机械在田间工作过程中可实现实时、高效的控制性能。自动转向控制系统作为农业机械设备自动控制的主要组成部分，需要具备响应快、控制精度高、可靠性高、集成度高、成本低等要求，因此成为当前重点研究的内容之一。为实现农机设备自动转向，笔者以自动化技术应用为主，从农业发展出发，介绍了机械设计制造中自动化技术的优势，阐述了推进农业机械自动化的意义，结合农业机械自动转向控制系统的结构及性能特点，分析农业机械设备的自动转向控制方法。

关键词：农业机械；自动转向；集成

引言

电控转向一般在农机车辆方向盘或转向柱安装电机，该方法成本低，对车辆本身改动不大，控制扭矩小，但对安装精度要求高，操作过程中可能常出现滑移现象。轮式农业机械自动转向系统控制是在农业机械自动化设备的基础上进行改善的，可见自动转向与自动化的关系密切，为进一步增强农业生产效益，满足现代化农业发展需求，设计了一款结构简单、操作性强、精度高且便捷的自动转向控制系统。

1农业机械转向自动控制主要装置

根据现阶段农业机械的发展情况和驾驶系统的主要结构，改良并设计自动转向控制的机械结构和方案是实现相关功能研究的主要方法。农业机械转向自动控制基本装置由液压油泵、动力电机、液压比例换向阀、角度传感器、溢流阀、转向液压缸、其他辅助原件等构成。实际工作中通过传感器获取机械状态，并将相关信息传递给控制系统的处理器，经运算和处理后转换为农业机械的转向控制方案，进而控制转向轮向不同方向的转向动作，同时实现转向幅度的检测与控制。(1)液压泵。作为农业机械自动转向系统的动力元件之一，可通过柴油机或电机驱动，通过从液压油箱内部吸取油液，使之形成一定压力后排出，从而将动力传递给执行元件的工作部件。(2)转向液压缸。通过将液压能转换为机械能实现指定元件的位移，在农机转向系统中，利用控制器将液压油输送进转向油缸的不同腔体内，能实现不同方向的转动，进而实现前轮的转向。(3)动力电机。是液压泵的动力元件，部分自动驾驶装置也会使用电机作为方向盘或转向轴的驱动力。(4)角度传感器。用以检测轮胎的转动角度，以获得农机的实际状态，为自动驾驶提供参数依据，并验证转向动作的执行情况。(5)电磁阀。属于电磁控制技术的工业设备，能有效实现流体的自动化控制，在农机转向的液压系统中，作为液压油的方向、流量、速度和其他的参数的调整工具，具有较高的精度和灵活性。(6)溢流阀。能够有效控制系统压力，当系统压力超过合理值时，起到溢流、稳压的安全保护作用。

2农业机械设备的自动转向控制方法

2.1PID校正环节选择

PID是一种线性控制，操作简单，广泛应用于自动转向中，该控制器由比例、积分、微分三个环节组成。其中比例环节反映系统信号可能出现的偏差，一旦出现偏差比例环节可对控制器进行控制，降低偏差；积分环节控制系统的强弱，对自控系统稳定性低、震荡等现象进行改善，加快系统循行速度，减少调节时间；微分环节控制系统运行，消除系统运行过程中的误差，增加系统稳定性，提高安全性。

2.2PD控制原理

以插秧机为例，插秧机在工作中需要不断变化速度，同时速度应在规定范围内，如：转弯时需降低速度、曲线行驶时需随路径变化不断变化速度、直线行驶时保证匀速，且插秧过程中，工作速度需要通过转向能力决定。因此在插秧机工作中，需要适当的控制器根据速度变化趋势进行控制，计算工作与实际的目标偏差，以此作为自适应PD控制器输入，通过对速度进行在线整合，实现对系统参数的获取，输出转向轮数据偏角。因实际偏角与期望偏角有一定差距，可作为操纵控制器输入，通过操作控制器控制转向，使其执行一定动作，实现转角，进而达到控制效果。

3自动转向集成装置控制器设计

3.1电控系统整体设计

在电控系统的总结构中，包括中央处理器与外围电路模块。主处理器选择飞思卡尔MC9S12系列单片机。农业机械具有自动转向的能力，外部电路的组成为：数字传感器采集电路、电源电路、最小系统电路、电机控制电路、CAN通信电路、模拟传感器采集电路、相关的保护电路。其中，最小系统电路为微控制器的正常操作提供了基本条件。MC9S12处理器利用内置外设实现了通信与电机控制，然后进行数据处理运算。电源电路则为整个电子控制系统提供不同的电源电压，以确保系统稳定运行。模拟传感器采集电路负责采集车轮转向传感器电压信号；微控制器发出PWM信号之后，电机根据信号控制电路，从而促使电机旋转；数字量传感器主要负责采集车轮转向速度传感器的脉冲信号；CAN通信电路实现上位机与下位机的数据交互；保护电路保护PCB免受过电流、过热和其他影响，使控制系统更可靠。

3.2电机控制系统设计

系统采用电机全桥驱动电路。功率器件使用四个FETAP9990GH的N沟道场效应管，该设备的电流100A，耐压60V。利用单片机实现PWM、高低电平等信息的输出，从而控制PWML、PWMH、SR、PHASE端，实现对电机位置、速度的控制。为了避免发动机由于低速工作而出现烧毁，设计电流检测电路，方便实时检测电机电流。全桥电路的下桥臂串联0.05R的采样电阻，通过偏差检测器检测采样电阻电流，然后将采样值发送到单片机。如果电流大于阈值，将在驾驶模式中自动删除，以防止驱动电路和发动机因电流过大而被烧坏。

3.3CAN 通信电路设计

基于农机总线的国家通用性和多节点转向控制系统的要求，综合自动控制系统的控制网络采用CAN总线通信方式，从而进行控制单元和各子系统的信息交互。主芯片采用TJA1050CAN2.0芯片，同时为了提高通信电路的可靠性，安装共模抑制电感、TVS防瞬态双向抑制二极管。

3.4电源设计

传统农业机械的发动机无法启动，液压系统无法工作。如果在此期间自动转向系统打开，发动机和控制器将损坏。为了避免在发动机未启动时自动转向系统出现故障，设计点火信号开关信号，触发控制器电源，将电路开启。在关闭设备时，没有点火信号；点火开关输入时，输入端传给单片机，转向机开始工作，确保自动转向系统的可靠性。

4实验验证

对自动转向集成装置进行验证，将其装在一台高地隙喷雾机上，安装过程中，因该装置体积较小，具有一定便捷性，分析在不同的目标、车轮角度、速度时该设备的应用效果。首先发动喷药机，保证转向液压系统正常工作，为自动转向装置供电，启动系统，通过电脑下发指令，令控制器测试角度及目标，初始角度为-20°，转向20°，观察效果。结果显示当上位机发送一个目标角度时，转向装置可控制车轮进行平稳、可靠转向，有较好的执行效果。其次测试速度，在角度一致情况下，测试低、中、高三种转向角速度方式下控制系统的控制效果，结果显示喷雾机可达到平稳、可靠的效果，且速度合理科学，具有一定准确性。

结束语

农业机械的转向自动控制技术经过多年的发展，已经具备了丰富的技术储备，能够在一定程度上完成自动转向的基本要求。，在设计农业机械设备的自动转向控制系统时，需要结合集成、智能、自动化等各种技术，优化设计流程。在确保安全、控制成本的基础上，提升农业机械工作效率，促进农业发展，提升农业机械设备的自动化技术水平。

参考文献

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