CN107643716A - 一种基于扭矩调节的拖拉机耕深自动控制装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于扭矩调节的拖拉机耕深自动控制装置，为拖拉机电子控制液压悬挂装置领域。该系统主要由控制面板、控制器、液压系统、悬挂机构和传感器五大部分组成。各部分通过CAN总线进行数据的通信。本发明在现有的电控液压悬挂系统的基础上，通过CAN总线遵循SAEJ1939协议实时获得发动机ECU的输出转矩并将该信号和其他信号一起传送给控制器，控制器向电液比例阀发送控制指令，从而实现耕深的扭矩、位置综合调节。本发明结构紧凑、节约成本、响应速度快。

Description

一种基于扭矩调节的拖拉机耕深自动控制装置
技术领域
本发明为拖拉机电子控制液压悬挂装置领域，尤其涉及一种基于扭矩调节的拖拉机耕深自动控制装置。具体说是关于发动机输出转矩的获取以及根据转矩大小调节耕深的耕深自动控制方式。
背景技术
液压悬挂系统是拖拉机重要的工作装置之一，它是用来挂接和操纵农具的，以液压为动力实现农具的提升和下降，从而控制悬挂耕作深度。电控液压悬挂系统相比传统的液压悬挂系统主要区别在于用控制面板取代了操纵机构，电液比例换向阀替代了液压分配器，使用传感器实时采集拖拉机的状态信息，由控制器接收控制面板上驾驶员的指令信息和传感器参数，并根据预先写好的程序控制电液比例阀，电液比例阀经由液压系统控制悬挂，从而控制耕深。
目前，拖拉机耕深控制方法主要有：力调节、位调节和力位综合调节等。力调节是通过控制拖拉机的耕作阻力在一定范围内，从而在地势起伏较大的地块上获得均匀的耕深。位调节使农具与拖拉机形成刚性连接，通过控制液压系统的油缸活塞行程，直接控制农具与拖拉机的相对位置，从而调节耕深。力位综合调节方法是将力调节和位调节结合起来的方法。它充分利用了力调节和位调节各自的优点，可以在保证耕作质量的前提下维持发动机负荷的相对稳定。但上述方法均需安装传感器实时采集拖拉机的状态信息，增加了耕深自动控制系统的成本和复杂程度。
发明内容
为克服现有技术在耕深自动控制方面的不足，本发明提供了一种基于扭矩调节的拖拉机耕深自动控制系统。
一种基于扭矩调节的拖拉机耕深自动控制装置，该系统由控制面板、控制器、液压系统、悬挂机构和传感器五大部分组成；传感器安装在拖拉机机体上，与反映耕深变化的悬挂机构相连接，输出信号经放大器放大与数模转换后传递给控制器，控制器采集控制面板与传感器处的信号进行处理并将处理过的信号输出到液压系统，通过液压系统带动悬挂机构作出反应；各部分通过CAN总线进行数据的通信。所述控制面板安装在拖拉机驾驶室内，包括控制面板开关、状态操纵手柄、工作模式选择键以及工作模式指示灯等。
优选地，所述基于扭矩调节的拖拉机耕深自动控制装置配套有动力油箱、油泵、电油泵安全阀、电液比例阀、液压提升缸；所述动力油箱和悬挂机构分开布置；所述传感器为角度传感器，安装在提升臂转轴处，测量范围为±45°。
优选地，所述油泵流量为35L/min，油泵安全阀开启压力为18MPa，电液比例阀最大允许工作压力为20MPa，电液比例阀最大流量大于35L/min，液压提升缸杆径为35mm，悬挂机构最大提升力为14.2kN。
优选地，所述控制器包括电控液压悬挂系统控制器硬件和软件；控制器硬件电路的作用是调理各个传感器和控制面板的信号，对这些信号进行处理后送入单片机；控制器软件是单片机根据预先编制的控制策略和逻辑判断程序对信号进行处理，并输出PWM控制信号来控制执行器。。
优选地，该装置配套的是50-80匹马力轮式拖拉机，拖拉机行驶速度为5-6km/h，耕地深度误差小于10％，耕地作业滑转率小于30％，耕作效率提高了20％，节油10％-15％。
优选地，该装置的控制对象是电液比例阀，对比例阀的控制采用比例放大器。
优选地，所述比例放大器的输入电压采用两路0-10V的模拟信号，输出信号是电磁铁的输入电流。
优选地，所述比例放大器的两路输入信号分别从管脚16A和16C输入，通过选择16A通电或16C通电控制比例阀的方向，通过控制16A或16C上电压的大小控制阀口开度，从而实现节流调速。
优选地，控制器通过采集传感器和CAN总线的信号获取拖拉机的状态信息，通过采集控制面板上设定的参数获取驾驶员发出的指令信息，通过输出PWM控制信号来控制电液比例阀，进而控制悬挂机构，调节耕深，保证发动机负荷稳定。
优选地，扭矩调节方法包括：
(1)通过CAN总线遵循SAEJ1939协议实时获得发动机ECU的输出转矩；
(2)根据发动机所能输出的最大转矩值和发动机发送的相对值计算出发动机实际输出转矩；
(3)当发动机的输出转矩小于等于额定转矩时，系统正常工作，保持耕深稳定；当发动机的输出转矩大于额定转矩时，系统通过控制器输出信号进而提升悬挂机构、减小耕深来降低扭矩，保持发动机负荷稳定。
本发明的有益效果是该拖拉机耕深自动控制系统用扭矩调节取代了传统的力调节，和位置调节法综合在一起对耕深进行控制，从而保证了耕深稳定性和发动机负荷均匀性协调一致。扭矩调节控制拖拉机扭矩在一定范围内，从而在地势起伏较大的地块上获得均匀的耕深，同时使拖拉机保持较高的生产率和较好的经济性。它通过CAN总线遵循SAEJ1939协议实时获取发动机的输出转矩，省去了两个测力传感器，使整个系统的结构变得更简单紧凑，降低了系统的总成本。将CAN总线技术应用于拖拉机悬挂系统的网络控制系统，可以建立各个子系统之间的信息交换，使得系统之间运作协调，提高了拖拉机的操作效率，同时也降低了驾驶员的操作强度。采用该系统使得耕地深度误差小于10％，耕地作业滑转率小于30％，耕作效率提高了20％，节油10％-15％。
附图说明
图1为本发明的悬挂系统控制原理图；
图2为本发明的扭矩调节原理图；
具体实施方式
以下结合附图和实例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
一种基于扭矩调节的拖拉机耕深自动控制装置，如图1所示，包括控制面板、控制器、液压系统、悬挂机构和传感器五大部分。传感器安装在拖拉机机体上，与反映耕深变化的悬挂机构相连接，输出信号经放大器放大与数模转换后传递给控制器，控制器采集控制面板与传感器处的信号进行处理并将处理过的信号输出到液压系统，通过液压系统带动悬挂机构作出反应。各部分通过CAN总线进行数据的通信。将CAN总线技术应用于拖拉机悬挂系统的网络控制系统，可以建立各个子系统之间的信息交换，使得系统之间运作协调，提高了拖拉机的操作效率，同时也降低了驾驶员的操作强度。
上述系统控制面板安装在拖拉机驾驶室内，驾驶员可以通过控制面板控制悬挂升降、选择相应的耕地模式并手动调节悬挂机构高度。控制面板包括控制面板开关、状态操纵手柄、工作模式选择键以及工作模式指示灯等。
上述系统传感器为角度传感器，安装在提升臂转轴处，测量范围为±45°。
上述系统的控制器包括电控液压悬挂系统控制器硬件和软件。控制器硬件电路的作用是调理各个传感器和控制面板的信号，对这些信号进行处理后送入单片机。控制器软件是单片机根据预先编制的控制策略和逻辑判断程序对信号进行处理，并输出PWM控制信号来控制执行器。采用的单片机型号为STM32F407ZGT6。
上述系统液压部分配套动力油箱、油泵、电油泵安全阀、电液比例阀、液压提升缸。油泵流量为35L/min，油泵安全阀开启压力为18MPa，电液比例阀最大允许工作压力为20MPa，电液比例阀最大流量大于35L/min，液压提升缸杆径为35mm，悬挂机构最大提升力为14.2kN。动力油箱和悬挂机构分开布置。
拖拉机电控液压悬挂系统电路主要包括信号调理与输入电路、输出调理电路和单片机最小系统。信号调理与输入电路包括控制面板信号的采集和传感器信号的采集，输出信号电路是将单片机的输出信号进行放大得到两路0-10V的模拟信号。单片机最小系统是单片机正常工作不可缺少的部分，包括电源电路。
上述系统配套的是50-80匹马力轮式拖拉机，拖拉机行驶速度为5-6km/h，耕地深度误差小于10％，耕地作业滑转率小于30％，耕作效率提高了20％，节油10％-15％。
上述系统的控制对象是电液比例阀，对比例阀的控制采用比例放大器。放大器的输入电压采用两路0-10V的模拟信号，分别从管脚16A和16C输入，通过选择16A通电或16C通电控制比例阀的方向，通过控制16A或16C上电压的大小控制阀口开度，从而实现节流调速。输出信号是电磁铁的输入电流。
上述系统的控制器通过采集传感器和CAN总线的信号获取拖拉机的状态信息，通过采集控制面板上设定的参数获取驾驶员发出的指令信息，通过输出PWM控制信号控制电液比例阀，进而控制悬挂机构，调节耕深。
本发明提出了根据扭矩调节耕深的耕深控制策略，具体实施方法如下：
(1)通过CAN总线遵循SAEJ1939协议实时获得发动机ECU的输出转矩；
(2)根据发动机所能输出的最大转矩值和发动机发送的相对值计算出发动机实际输出转矩，计算公式如式(4)所示；
Ttq＝(TCAN-125)×Tmax/125 (4)
式中Ttq表示发动机的实际输出转矩；
TCAN表示ECU通过CAN总线发出的相对转矩；
Tmax表示发动机能够输出的最大转矩；
(3)如图2所示，当发动机的输出转矩小于等于额定转矩时，系统正常工作；当发动机的输出转矩大于额定转矩时，系统通过控制器输出信号进而提升悬挂机构、减小耕深来增大扭矩，从而使扭矩维持在一定的范围内，保证发动机负荷的相对稳定。
以上所述仅为本发明的较佳实例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种基于扭矩调节的拖拉机耕深自动控制装置，其特征在于，该系统由控制面板、控制器、液压系统、悬挂机构和传感器五大部分组成；传感器安装在拖拉机机体上，与反映耕深变化的悬挂机构相连接，输出信号经放大器放大与数模转换后传递给控制器，控制器采集控制面板与传感器处的信号进行处理并将处理过的信号输出到液压系统，通过液压系统带动悬挂机构作出反应；各部分通过CAN总线进行数据的通信；所述控制面板安装在拖拉机驾驶室内，包括控制面板开关、状态操纵手柄、工作模式选择键以及工作模式指示灯等。
2.根据权利要求1所述的基于扭矩调节的拖拉机耕深自动控制装置，其特征在于，所述基于扭矩调节的拖拉机耕深自动控制装置配套有动力油箱、油泵、电油泵安全阀、电液比例阀、液压提升缸；所述动力油箱和悬挂机构分开布置；所述传感器为角度传感器，安装在提升臂转轴处，测量范围为±45°。
3.根据权利要求2所述的基于扭矩调节的拖拉机耕深自动控制装置，其特征在于，所述油泵流量为35L/min，油泵安全阀开启压力为18MPa，电液比例阀最大允许工作压力为20MPa，电液比例阀最大流量大于35L/min，液压提升缸杆径为35mm，悬挂机构最大提升力为14.2kN。
4.根据权利要求1所述的基于扭矩调节的拖拉机耕深自动控制装置，其特征在于：所述控制器包括电控液压悬挂系统控制器硬件和软件；控制器硬件电路的作用是调理各个传感器和控制面板的信号，对这些信号进行处理后送入单片机；控制器软件是单片机根据预先编制的控制策略和逻辑判断程序对信号进行处理，并输出PWM控制信号来控制执行器。
5.根据权利要求1所述的基于扭矩调节的拖拉机耕深自动控制装置，其特征在于：该装置配套的是50-80匹马力轮式拖拉机，拖拉机行驶速度为5-6km/h，耕地深度误差小于10％，耕地作业滑转率小于30％，耕作效率提高了20％，节油10％-15％。
6.根据权利要求1所述的基于扭矩调节的拖拉机耕深自动控制装置，其特征在于：该装置的控制对象是电液比例阀，对比例阀的控制采用比例放大器。
7.根据权利要求6所述的基于扭矩调节的拖拉机耕深自动控制装置，其特征在于：所述比例放大器的输入电压采用两路0-10V的模拟信号，输出信号是电磁铁的输入电流。
8.根据权利要求6所述的基于扭矩调节的拖拉机耕深自动控制装置，其特征在于：所述比例放大器的两路输入信号分别从管脚16A和16C输入，通过选择16A通电或16C通电控制比例阀的方向，通过控制16A或16C上电压的大小控制阀口开度，从而实现节流调速。
9.根据权利要求1所述的基于扭矩调节的拖拉机耕深自动控制装置，其特征在于：控制器通过采集传感器和CAN总线的信号获取拖拉机的状态信息，通过采集控制面板上设定的参数获取驾驶员发出的指令信息，通过输出PWM控制信号来控制电液比例阀，进而控制悬挂机构，调节耕深，保证发动机负荷稳定。
10.根据权利要求1所述的基于扭矩调节的拖拉机耕深自动控制装置，其特征在于，扭矩调节方法包括：
(1)通过CAN总线遵循SAEJ1939协议实时获得发动机ECU的输出转矩；
(2)根据发动机所能输出的最大转矩值和发动机发送的相对值计算出发动机实际输出转矩；
(3)当发动机的输出转矩小于等于额定转矩时，系统正常工作，保持耕深稳定；当发动机的输出转矩大于额定转矩时，系统通过控制器输出信号进而提升悬挂机构、减小耕深来降低扭矩，保持发动机负荷稳定。
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