一種智能收割控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

林家平，章二平

（廣西柳工農(nóng)業(yè)機(jī)械股份有限公司，廣西 柳州 545007）

甘蔗收割機(jī)是一種代替人工收割甘蔗的機(jī)器，在國(guó)內(nèi)產(chǎn)糖地區(qū)廣西、廣東兩省應(yīng)用非常廣泛。由于甘蔗收割動(dòng)作復(fù)雜，所以控制功能比較多，目前存在駕駛員操作困難，工作強(qiáng)度大，不利于長(zhǎng)期作業(yè)，影響機(jī)器收割效率。本文針對(duì)收割機(jī)操作繁雜問(wèn)題設(shè)計(jì)了智能收割控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)是一種控制收割機(jī)按設(shè)定參數(shù)工作的控制系統(tǒng)。通過(guò)預(yù)先設(shè)定發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、行走速度、割刀轉(zhuǎn)速、通道轉(zhuǎn)速和除雜風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，當(dāng)按下智能收割按鍵后，控制收割機(jī)按設(shè)定參數(shù)進(jìn)行收割。該系統(tǒng)采用參數(shù)化收割模式，具有操作簡(jiǎn)便和智能化作業(yè)的效果，采用通道堵塞保護(hù)方式，具有保護(hù)割刀和提高收割效率的效果。目前研究?jī)?nèi)容主要集中在參數(shù)的設(shè)定值和通道堵塞保護(hù)方式兩個(gè)研究方向上。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成

智能收割系統(tǒng)包括智能收割按鍵1、控制器2、顯示器3、發(fā)動(dòng)機(jī)4、行走電磁閥5、割刀電磁閥6、通道電磁閥7、除雜風(fēng)機(jī)電磁閥8、壓力傳感器9、割臺(tái)高度顯示裝置10；其中智能收割開關(guān)1與控制器2電性連接，控制器2分別與顯示器3、發(fā)動(dòng)機(jī)4、行走電磁閥5、割刀電磁閥6、通道電磁閥7、除雜風(fēng)機(jī)電磁閥8、壓力傳感器9、割臺(tái)高度顯示裝置10電性連接。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成如圖1所示。

2 系統(tǒng)工作原理

該系統(tǒng)顯示器上的智能收割參數(shù)設(shè)置界面，可以設(shè)定發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、行走電磁閥電流、割刀電磁閥電流、通道電磁閥電流、除雜風(fēng)機(jī)電磁閥電流等參數(shù)，控制器輸出設(shè)定參數(shù)到發(fā)動(dòng)機(jī)、行走電磁閥、割刀電磁閥、通道電磁閥、除雜風(fēng)機(jī)電磁閥，當(dāng)按下智能收割按鍵后，控制收割機(jī)按設(shè)定參數(shù)進(jìn)行智能收割；當(dāng)通道堵塞時(shí)，根據(jù)壓力傳感器和發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速反饋信號(hào)，降低行走速度；并根據(jù)割臺(tái)顯示裝置反饋信號(hào)調(diào)節(jié)割臺(tái)高度。工作原理如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)工作原理

該系統(tǒng)中的控制器內(nèi)置通道防堵塞程序，當(dāng)通道堵塞時(shí)，控制器根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)和壓力傳感器反饋的信號(hào)，降低行走速度和調(diào)節(jié)割臺(tái)高度。通道防堵塞過(guò)程：①只要滿足割刀壓力高、通道壓力高、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速掉速中任一條件，則降低行走速度；②行走速度降低后，只要滿足割刀壓力高、通道壓力高、割刀轉(zhuǎn)速低中任一條件，則升高割刀；③當(dāng)同時(shí)滿足割刀壓力正常、割刀轉(zhuǎn)速正常時(shí)，割刀高度恢復(fù)設(shè)定值；④當(dāng)同時(shí)滿足割刀壓力正常、通道壓力正常、割刀轉(zhuǎn)速正常、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速正常時(shí)，行走速度恢復(fù)設(shè)定值；⑤只要滿足割刀壓力高報(bào)警、通道壓力高報(bào)警、割刀轉(zhuǎn)速低報(bào)警中任一條件時(shí)，收割機(jī)停止前進(jìn)；⑥當(dāng)同時(shí)滿足割刀壓力正常、通道壓力正常、割刀轉(zhuǎn)速正常、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速正常、行駛手柄回中位時(shí)，收割機(jī)恢復(fù)行駛功能[1]。

3 系統(tǒng)電路結(jié)構(gòu)和工作流程

3.1 系統(tǒng)電路結(jié)構(gòu)

該系統(tǒng)電路由電源電路、中央處理器、A/D輸入電路、PWM輸出電路、CAN總線電路構(gòu)成。結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)電路結(jié)構(gòu)

3.1.1 電源電路

電源電路是控制器的供電模塊，把整車電源DC24V轉(zhuǎn)化為+5V、+3.3V,其中+5V為內(nèi)部組成電路的電源，+3.3V為電源模塊的基準(zhǔn)電壓，通過(guò)反饋電壓Vf與基準(zhǔn)電壓Vcc的比較保證電源穩(wěn)定輸出。電路如圖4所示。

圖4 電源電路

3.1.2 中央處理器

中央處理器（CPU=Central Processing Unit）為控制器的數(shù)據(jù)運(yùn)算和存儲(chǔ)模塊，是控制器核心元件?？刂破鞲鶕?jù)輸入?yún)?shù)要求，通過(guò)CPU邏輯運(yùn)算轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的輸出信號(hào)，控制機(jī)器的行走速度、通道轉(zhuǎn)速、割刀高度、除雜風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)智能收割控投制。

（1）A/D輸入電路。A/D輸入電路由開關(guān)量信號(hào)模塊和模擬量信號(hào)模塊組成。開關(guān)量信號(hào)模塊功能是通過(guò)設(shè)計(jì)外圍電容充電檢測(cè)電路，把輸入信號(hào)轉(zhuǎn)化為0(0V)或1(24V)，這樣中央處理器CPU就能夠識(shí)別和運(yùn)算相關(guān)信號(hào)。如：當(dāng)電路中的開關(guān)閉合時(shí)，充電電容開始充電，當(dāng)兩端電壓到達(dá)24V時(shí)，則CPU判斷輸入信號(hào)為1；反之，當(dāng)電路中的開關(guān)斷開時(shí)，充電電容開始放電，當(dāng)兩端電壓到達(dá)0V時(shí)，則CPU判斷輸入信號(hào)為0。如果電路中的輸入信號(hào)不穩(wěn)定，一般使用延時(shí)計(jì)數(shù)方法采集信號(hào)以濾除干擾。電路如圖5所示。

圖5 開關(guān)量輸入電路

開關(guān)信號(hào)電路工作流程如圖6所示。

圖6 開關(guān)信號(hào)工作流程

模擬量信號(hào)模塊功能是通過(guò)設(shè)計(jì)+3.3V電壓檢測(cè)電路，把輸入的物理量轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的電信號(hào)，這樣中央處理器CPU就能夠識(shí)別和運(yùn)算相關(guān)信號(hào)。如：割臺(tái)高度傳感器是電阻性信號(hào)，當(dāng)接入3.3V電壓檢測(cè)電路時(shí)，不同的電阻信號(hào)轉(zhuǎn)化對(duì)應(yīng)的電壓信號(hào)，CPU根據(jù)輸入電量的變化再轉(zhuǎn)化為高度顯示。電路如圖7所示。模擬信號(hào)電路工作流程如圖8所示。

圖7 模擬量輸入電路

圖8 模擬信號(hào)工作流程

（2）PWM輸出電路。PWM輸出電路主要由諧振電路、電壓比較器和功率管構(gòu)成。CPU控制諧振電路的占空比，占空比為脈沖正周期時(shí)間與脈沖整個(gè)周期的比例；當(dāng)占空比大時(shí)，輸出電壓高，當(dāng)占空比小時(shí)，輸出電壓小。功率管為開關(guān)元件，作用是控制輸出信號(hào)的通斷狀態(tài)。電壓比較器的作用根據(jù)反饋電壓Vf與基準(zhǔn)電壓Vss比較結(jié)果調(diào)節(jié)占空比，當(dāng)Vf＞Vss時(shí)，降低占空比；當(dāng) Vf＜Vss時(shí)，提高占空比；保證電源的穩(wěn)定輸出。電路如圖9所示。

圖9 PWM輸出電路

PWM電路工作流程如圖10所示。

圖10 PWM電路工作流程

（3）CAN總線電路。CAN總線電路由CAN通訊模塊構(gòu)成，主要作用是數(shù)據(jù)通信的物理接口。CAN通信線路由CAN_H和CAN_L組成，CAN_H的信號(hào)為2.5V-3.5V，CAN_L的信號(hào)為1.5V-2.5V；一般使帶屏蔽層的平線雙絞線進(jìn)行連接，并在首尾安裝終端匹配電阻（120Ω）；CAN總線通信按J1939協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)的收發(fā)。電路如圖11所示。

圖11 電路圖

CAN總線電路接收數(shù)據(jù)工作流程如圖12所示。

圖12 CAN接收數(shù)據(jù)流程

CAN總線電路發(fā)送數(shù)據(jù)工作流程如圖13所示。

圖13 CAN發(fā)送數(shù)據(jù)流程

4 系統(tǒng)的應(yīng)用

該智能收割系統(tǒng)已在廣西柳工生產(chǎn)的小型甘蔗收割機(jī)上成功運(yùn)用，實(shí)現(xiàn)了一鍵智能收割作業(yè)的操作，并驗(yàn)證了防止通道堵塞的保護(hù)功能。

4.1 控制系統(tǒng)布置

控制系統(tǒng)布置如圖14所示。

圖14 控制系統(tǒng)布置圖

4.2 顯示器主界面

顯示器是人機(jī)交互界面，駕駛員可以通過(guò)讀取顯示值了解機(jī)器的工作狀態(tài)是否符合當(dāng)前的工況要求，并進(jìn)行收割參數(shù)設(shè)置。界面如圖15所示。

圖15 顯示器主界面

4.2.1 參數(shù)設(shè)置界面

參數(shù)設(shè)置界面是機(jī)器收割工作參數(shù)的輸入窗口，共2個(gè)頁(yè)面。

頁(yè)面1是電磁閥電流設(shè)置界面，包括除雜風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速、割刀電磁閥電流、通道電磁閥電流、行走電磁閥電流等參數(shù)。界面如表1所示。

表1 參數(shù)設(shè)置表

頁(yè)面2是壓力報(bào)警值、割臺(tái)自動(dòng)調(diào)整量、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速等參數(shù)設(shè)置界面。界面如表2所示。

表2 參數(shù)設(shè)置表

5 結(jié) 論

目前智能收割控制系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中，一般出現(xiàn)設(shè)定發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速過(guò)高，造成油耗大；設(shè)定行駛速度過(guò)快，造成通道堵塞；設(shè)定除雜風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速低，收割含渣率高等問(wèn)題。為了彌補(bǔ)這個(gè)缺陷，通過(guò)反復(fù)試驗(yàn)進(jìn)行參數(shù)的改進(jìn)，實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)油耗低、收割通道通暢、收割干凈的效果。通道堵塞保護(hù)控制方式，目前通過(guò)降低行走速度和提高割臺(tái)高度方式實(shí)現(xiàn)；其存在的問(wèn)題是通道堵塞故障的判斷是否準(zhǔn)確。在后續(xù)工作中將對(duì)出現(xiàn)的問(wèn)題繼續(xù)進(jìn)行研究。