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1系統工作原理

約翰迪爾5-754型拖拉機配備的懸掛系統是半分置式三點懸掛力-位綜合調節系統[7]。使用該系統時，駕駛員對機具位置的調整是通過操作關聯提升器搖臂的操縱桿實現的，操縱桿位置與機具位置具有較為線性的對應關系，控制操縱桿位置即可實現機具位置的調整。綜合考慮拖拉機自動駕駛系統在正常作業和地頭轉彎時對機具位置控制的實際要求[8-13]以及安裝便利性，本文選擇帶有位置反饋的直流推桿電動機作為動力源，通過機械傳動機構實現對懸掛系統操縱搖臂的驅動和位置控制，進而達到自動調節作業機具高度的目的。由于不同作業機具及作業項目對懸掛系統有著不同的狀態位置要求，因此實現懸掛系統的自動調節功能就需滿足這些廣泛的工作要求。為此，采用點動控制和位置控制相結合的方式實現懸掛系統任意位置的設定和控制。點動控制方式主要用于適宜耕深和機具提升高度的目標位置設定。進入點動控制工作模式后，推桿電動機的單步運動距離可調，人工控制推桿電動機單步運動，便于尋找并設定目標耕深和提升高度。這種控制方式提高了三點懸掛控制系統的靈活性和可操作性。同時，大大減少了拖拉機自動駕駛系統的初始化設定工作量，提高了自動駕駛系統的性能。位置控制方式是拖拉機自動駕駛系統正常工作的主要方式，系統依據機具作業狀態的切換要求，通過控制單元ECU接收上位機的機具工作狀態位置指令，比較推桿電動機反饋的位置信息與作業狀態初始設定值，控制推桿電動機調節作業機具到達目標位置。

2硬件系統設計

2.1機械傳動設計圖1為推桿電動機機械傳動裝置的實物安裝圖。推桿電動機的主體固定在固定支架上，通過推桿連接套、剛性推拉桿將推桿電動機推桿與懸掛系統操縱桿相連接，通過推桿電動機往復直線運動實現懸掛操縱桿的前后轉動，從而控制懸掛系統的升降。推桿電動機內部設有電位器，其信號幅值反映推桿電動機的軸端位移，與機具位置呈線性對應關系。因此通過單片機控制電路可控制推桿電動機動作來實現作業機具的精確位置控制。

2.2硬件電路設計控制單元ECU選擇Cygnal公司的51系列單片機C8051F040作為微處理器，該單片機供電電壓2.7~3.6V，處理速度可達25MIPS，內置8/12bitA/D轉換控制器、CAN總線控制器、片內JTAG調試和邊界掃描電路[14]等，為外圍電路簡化設計提供了很大的便利。基于微處理器性能和驅動模塊實現要求，設計的硬件外圍電路包括：3.3/5V穩壓電源、外部晶振及復位、JTAG接口、A/D采樣、直流電動機驅動、CAN接口、USART接口等。

2.2.1電源電路圖2為5V穩壓電源電路，LM2596-5.0芯片提供穩定的5V電壓。芯片外圍電路在廠商提供的經典電路基礎上改進。增加了C6和C7值為0.1uf的貼片電容，來濾除芯片輸入輸出通道中的高次諧波。1mH電感穩定輸入電流。同時增大C8電解電容值，提高輸入電壓的穩定度。10mH的電感可穩定輸出電流。FB端口為芯片的輸出電壓反饋端，將其與輸出端相連，使能芯片內部的轉換檢測，提高轉換準確度。3A的F2貼片保險絲防止拖拉機電源不穩定造成其他電路的損壞。D17反向二極管防止電源正負極接反而損壞電路。該穩壓電路經AS1117芯片二次穩壓為C8051F040提供3.3V工作電壓。

2.2.2電動機驅動電路圖3為推桿電動機的驅動電路，使用了L6203全橋式直流電動機驅動芯片。該芯片內部使用4個DMOS組成全橋電路，具有快速的通斷控制，可通過對IN1、IN2不同的高低電平控制，改變芯片輸出電流的方向，即控制推桿電動機的伸縮，又可對ENABLE端口施加PWM信號，實時調節芯片的輸出電壓，控制推桿電動機的啟動、制動、以及運動速度。L6203芯片耐壓DC48V，且最大工作電流為5A，而本文所使用的力姆泰克（北京）傳動設備有限公司的LAM3-S2型推桿電動機的額定電流為3.0A（12V），額定電壓為12V或24V[15]，故該芯片無論從控制要求還是電氣特性上都能滿足本設計要求。

3軟件系統設計

3.1總體流程圖圖4是軟件流程圖。控制單元ECU上電啟動后，首先對C8051F040進行初始化配置，包括C8051F040系統時鐘、IO端口和片上外設功能的配置。之后軟件程序進入While（1）循環，通過實時判斷中斷源選擇不同的中斷服務函數。主控程序由定時器2定時中斷來驅動，包括手動信號檢測，推桿電動機定位PI控制，串口輸出等部分，完成推桿電動機的實際控制。定時器3中斷服務函數采集推桿電動機反饋位置信息，以此來判斷推桿電動機的實際位置。CAN中斷服務函數的主要作用是實現下位機與上位機的CAN通信，根據設定的CAN通信協議讀取上位機控制指令，為PI控制算法提供目標位置AD值。

3.2PI算法設計實際工作中，當目標位置和當前位置的差值較大時，常規PID算法產生的控制輸出電壓瞬間全部施加在推桿電動機上，導致電路中電流急劇增大，功率增大，電動機驅動芯片可能因此而燒毀。為避免該情況發生，研究開發了分階段帶有雙閾值的電動機控制方法。在電動機啟動階段，使用前饋斜坡控制，斜坡系數Ks表示斜坡斜率；在主體運行階段，使用反饋PI調節，設斜坡前饋和PI調節器的輸出量為y(t)，表示PWM占空比；輸入誤差為e(t)，表示目標位置AD與當前位置AD之間的差值；調節器的比例系數為Kp，積分時間常數為Ti，啟動階段和主體運行階段的閾值為VT1，死區閾值為VT2，可列出電動機控制算法的表達式。當電動機啟動工作時，若目標位置和當前位置的差值大于閾值VT2，使用前饋斜坡方式產生控制信號；若差值小于閾值VT2，則直接使用PI調節器產生控制信號。PI調節器的比例環節成比例地反映控制系統的偏差信號e(t)，偏差一旦產生，控制器立即產生控制作用，用來減小偏差。增大Kp會加快系統的響應速度但使系統有較大超調并產生振蕩，降低系統穩定性；減小Kp會降低系統的動態響應速度，導致工作效率下降。積分環節可提高系統的精確度。Ti越大，積分作用越小，反之則越大。當目標位置和當前位置的差值落入設置的死區范圍VT1時，控制輸出為0。

3.3通信協議設計

3.3.1點動控制指令表1為上位機發送至下位機的點動控制指令格式，由8個字節組成。首位為升降指令標志位U，用于識別升降指令。A表示按鍵增加推桿電動機的AD值，S表示按鍵減少推桿電動機的AD值。增減量位表示控制指令具體需要增減的AD值的絕對值。最后是指令類型位，T表示點動控制指令。表2為下位機反饋的數據包，由8個字節組成。首位標志位F表示單片機下位機向上位機發送的表示當前AD位置的數據。U表示是電液懸掛控制單元而非其他控制單元向上位機發送的反饋數據包。AD_H和AD_L分別是推桿電動機當前AD值高位和低位，用于傳送推桿電動機反饋的AD值。

3.3.2位置控制指令表3為上位機發送至下位機的位置控制指令，由8個字節組成。所用指令與點動控制指令定義相近，此處列出該指令定義，相似定義不再贅述。最后是指令類型位，W表示位置控制指令。下位機對位置控制指令的反饋，和點動控制時下位機反饋的數據格式一致，如表2所示。

4試驗與分析

以約翰迪爾5-754型拖拉機配旋耕機作業的方式進行了田間試驗。所采用的推桿電動機最大行程100mm，實際使用距離40mm，240N推力。PWM基值為60，為推桿電動機可以推拉傳動機構的臨界值。Ks值取20，Kp值取5，Ti值取0.1。推桿電動機兩極限位置AD差值為D=1998-311=1687，階段閾值設定為500（AD），死區閾值設定為10（AD）。圖8為系統在田間作業的條件下，推桿電動機的位置數據AD值變化曲線。可以看出，目標與實際距離相差較大時，推桿電動機運動的過程中PWM比例上升，可維持最大值一段時間，直到在電動機達到目標位置后比例下降。為方便比較數據，故將PWM值平移至與目標曲線相同水平。該數據變化曲線顯示，推桿電動機控制曲線能較好地跟蹤目標曲線，抑制電壓瞬間增大，避免瞬間大電流產生燒毀芯片，實現雙閾值PI算法控制目的。圖9為機具自動下降的位置值變化。當目標與實際差值較小時，由于目標與實際距離相差較小，調整時間短，PWM的變化曲線上升和下降速度快。在調整推桿電動機位置的過程中，PWM比例上升與下降，控制效果顯著。

控制單元ECU的數據輸出程序是由定時器T2溢出中斷驅動的。定時器T2為16位定時器，由2個8位SFR組成：TMR2L和TMR2H。程序通過初始化配置，將定時器2設置為自動重裝載方式，當TMR2L和TMR2H寄存器中的值與重載寄存器RCAP2中的值相等時產生溢出和中斷。時鐘頻率為11.0592MHz，機器周期為T=12*（1/11059200）=1.0851μs，RCAP2=0x4C00，則t=T*RCAP2=0.021s。兩極限位置之間運動輸出得到的數據序列個數為117，則推桿電動機運動時間為2.457s，推算出推桿運動速度為V=40/2.457=16.28mm/s，符合推桿電動機廠商規定的標準速度12-17mm/s。試驗結果表明，在設定死區閾值為10(AD)的情況下，實際誤差最大范圍是±11個AD，符合設計誤差范圍，體現在推桿電動機上的行程誤差為±0.26mm，此精度在手動的情況下是無法感知和精確做到的，這樣就避免了人工操作時需來回搖擺操縱桿以確認操作機具是否到位，節省了控制時間，提高了作業效率和質量。

5結論

以約翰迪爾5-754型拖拉機為原型平臺，以直流推桿電動機為驅動動力源和控制對象，通過軟軸拉線連接推桿電動機末端和懸掛系統操縱桿搖臂，實現拖拉機機械式液壓懸掛系統的自動控制調節，改裝簡單，成本適宜，適應性廣泛。試驗結果表明，本研究提出的雙閾值斜坡啟動和反饋PI算法相結合的PWM電動機控制方法，控制響應速度快，控制精度高，適用于拖拉機液壓懸掛系統的自動駕駛操縱控制。

作者：單鵬輝 張智剛 羅錫文 張繼勛 劉兆朋 張亞嬌 單位：華南農業大學南方農業機械與裝備關鍵技術教育部重點實驗