一种电动拖拉机用直驱式电液悬挂系统及其控制方法

1.本发明属于电动拖拉机悬挂提升系统技术领域，具体涉及一种电动拖拉机用直驱式电液悬挂系统及其控制方法。


背景技术：

2.为实现悬挂农机具的提升和下降功能，传统拖拉机的悬挂系统多采用以电液伺服阀或组合比例调速阀为核心控制阀的液压系统，具有耐冲击、静沉量小、动态性能好、可实现大功率输出的特点，但由于电液伺服阀、比例阀加工工艺复杂、对油液污染极为敏感，导致传统拖拉机悬挂系统存在维护成本高、系统效率低和可靠性低等缺点，且该种悬挂系统不适宜直接应用于电动拖拉机上。
3.目前电动拖拉机较多使用电动推杆作为悬挂提升装置，而由于实际耕作环境恶劣，电动推杆的减速齿轮、丝杆结构受土壤颗粒污染和挂载犁具大幅摆动的影响，其机械传动和减速结构容易损坏，导致耕深控制精度下降甚至失效。
4.近年来，随着直流伺服技术的发展，出现了一种可通过脉冲宽度调制(pwm)改变伺服电机转速来控制液压系统流量大小的直驱式电液伺服系统。该系统采用伺服电机驱动齿轮泵的方式，通过控制伺服电机的启停时间和转速等参数，直接调节液压执行机构的运动方向、运动速度和出力大小，摒弃了效率低的伺服阀、比例阀调节方式，节省系统能耗。因此，采用直驱式电液伺服技术的电动拖拉机悬挂系统，将简化悬挂系统结构，提高系统可靠性、可控性及抗油液污染能力，并降低悬挂系统能耗和维护成本。
5.电液悬挂系统可以实现耕深的力调节、位调节、力位综合调节等多种调节方式，因此悬挂控制方法的好坏直接影响拖拉机的作业质量。当电动拖拉机在复杂田间环境下作业时，耕作阻力、耕深位置、驱动轮滑转率、系统油压等多种参数交融耦合影响作业性能，尤其是犁具的耕深直接影响驱动轮滑转率，若滑转率大于0.3，将导致拖拉机牵引效率和犁具耕作质量大幅降低。同时考虑到传统液压悬挂系统的油源压力波动和比例阀精度限制以及电动推杆悬挂系统齿轮减速机构磨损等干扰因素的影响，传统基于单一参数的悬挂控制算法难以保证控制精度和作业质量。因此结合直驱式电液悬挂系统优良的可控性能，亟需开发一种考虑多种参数的综合悬挂控制算法。


技术实现要素：

6.为解决上述现有技术问题，本发明提供一种电动拖拉机用直驱式电液悬挂系统及其控制方法，采用直流伺服电机直接驱动液压泵，实现通过调节电机转速转矩的方式，直接调整液压系统流量；使用左右两个提升液压缸直接同步驱动两个下拉杆，完成悬挂提升和下降动作；针对该直驱式液压系统设计了基于导纳控制的“滑转率-耕作阻力-位置”多参数综合控制算法。克服现有拖拉机悬挂装置在田间作业中能耗高、稳定性差、可控性低等问题以及耕作阻力突变、耕深位置不稳定、驱动轮滑转率过高等引起的作业效率和作业质量问题。
7.为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
8.一种电动拖拉机用直驱式电液悬挂系统，所述电动拖拉机自带导航系统，电动拖拉机的后端设有支撑臂7；
9.所述系统包括销轴力传感器1、位移传感器2、上拉杆3、横向限位杆4、下拉杆5、纵向限位杆6、左提升液压缸8、右提升液压缸9、耕深控制面板10、电池组11、液压泵12、溢流阀13、电液换向阀14、液控单向阀组15、单向阀16、液压缸压力传感器17、犁具18、耕深控制器19、伺服驱动器20和直流伺服电机21；
10.上拉杆3的前端与电动拖拉机的后端铰接，后端与一对纵向限位杆6的上端连接，纵向限位杆6的下端与横向限位杆4连接；两根下拉杆5的前端与电动拖拉机的后端铰接，后端与横向限位杆4的两端连接；上拉杆3和下拉杆5与犁具18连接；所述左提升液压缸8及右提升液压缸9的上端与支撑臂7铰接，下端与下拉杆5的中部铰接；
11.所述伺服驱动器20与直流伺服电机21和耕深控制器19连接，直流伺服电机21直接驱动液压泵12；
12.所述位移传感器2设置在右提升液压缸9上，销轴力传感器1设置在下拉杆5与电动拖拉机连接处；液压缸压力传感器17设于左提升液压缸8及右提升液压缸9的内部；销轴力传感器1、位移传感器2、耕深控制面板10、电池组11和液压缸压力传感器17与耕深控制器19相连；
13.所述液压泵12、单向阀16、溢流阀13、电液换向阀14、液控单向阀组15与左提升液压缸8和右提升液压缸9依次连接。
14.所述液压泵12的进油口与油箱连接，所述液压泵12的出油口通过液压油管连接单向阀16的进油口和溢流阀13的进油口，单向阀16用于限制液压油流向，溢流阀13的回油口通过液压油管与油箱连接。单向阀16的出油口通过液压油管连接至电液换向阀14的p口；液控单向阀组15的a口通过液压油管连接左提升液压缸8和右提升液压缸9的无杆腔，液控单向阀组15的b口通过液压油管连接左提升液压缸8和右提升液压缸9的有杆腔；电液换向阀14的a、b口分别和液控单向阀15的p1、p2口直接连接，共同实现液压油路的换向和锁定；电液换向阀14的t口与油箱连接。
15.液控单向阀组15由两个液控单向阀组成，所述电液换向阀14是三位四通换向阀。
16.耕深控制面板10位于电动拖拉机的方向盘下方，所述电池组11位于电动拖拉机前部。
17.一种根据所述的电动拖拉机用直驱式电液悬挂系统的控制方法，所述方法包括以下步骤：
18.步骤1：实际耕作前，在耕深控制面板10中手动设定一个目标耕深值x0，实际耕作时，将位移传感器2测量到的左提升液压缸8和右提升液压缸9的伸长度实时地转换成犁具的耕深，将销轴力传感器1测量的销轴压力实时地转换为犁具18所受的耕作阻力；
19.步骤2.1：根据电动拖拉机自带的导航系统计算滑转率，判断滑转率是否在0.2～0.3的范围内，若在所述范围内，耕作阻力偏移量f
bias
＝0，若不在所述范围中，使用公式1计算控制系统需要的耕作阻力偏移量f
bias
，使用公式2计算纠正耕作阻力f：
20.f
bias
＝ks
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
公式1
21.f＝f
real
+f
bias
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
公式2
22.其中，f为纠正耕作阻力，单位为n；f
bias
为控制系统需要的耕作阻力偏移量，单位为n；f
real
为销轴力传感器1测量的实际耕作阻力值，单位为n；k为权重系数；s为当前时刻的滑转率；
23.步骤2.2：根据设定的目标耕深值x0和步骤2.1计算的纠正耕作阻力f，使用如公式3所示的导纳控制算法，以求解期望耕深值xd：
24.f＝md(x
″
d-x
″0)+dd(x'
d-x'0)+kd(x
d-x0)
ꢀꢀꢀꢀꢀ
公式3
25.其中，md、dd、kd为阻抗系数，分别代表了悬挂系统的惯性特性、阻尼特性和刚度特性；x
d”、x
0”、x
d’、x0’
分别表示期望耕深xd和目标耕深x0关于时间的二阶导数及一阶导数，其中，x
d”单位为cm/s2，x
0”单位为cm/s2，x
d’单位为cm/s，x0’
单位为cm/s，xd单位为cm，x0单位为cm；
26.步骤2.3：将所述导纳控制算法求解的期望耕深值xd和由位移传感器2测量的实际耕深x输入到耕深控制器19的pid控制算法中，由pid方法计算用于控制直流伺服电机的pwm和电磁换向阀的位置：
[0027][0028]
其中，pwm为直流伺服电机21的脉冲宽度占空比；k
p
、ki、kd分别为pid控制器的比例系数、积分系数和微分系数；xk为当前时刻的实际耕深x，单位为cm；x’为实际耕深x关于时间的一阶导数，单位为cm/s；
[0029]
步骤3.1：由耕深控制器19计算的pwm绝对值输入到伺服驱动器20中，驱动直流伺服电机21带动液压泵12以不同转速旋转，而pwm的正负号代表了电液换向阀14的方向；
[0030]
步骤3.2：直流伺服电机21的转速调节实现了液压泵12的流量控制，液压系统中不同的流量和电液换向阀14的不同位置，共同实现了左提升液压缸8和右提升液压缸9以不同速度同步上升或下降；
[0031]
步骤4：当左提升液压缸8和右提升液压缸9到达期望位置后，直流伺服电机21停止转动，由液控单向阀组15实现系统保压，锁定左提升液压缸8和右提升液压缸9的位置；若左提升液压缸8和右提升液压缸9所受负载超过其最大负载能力，而液压泵12仍在持续运转使得电液换向阀14中的压力超过溢流阀13设定压力时，由溢流阀13释放高压液压油。
[0032]
步骤4中，所述溢流阀13的设定压力为12mpa。
[0033]
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
[0034]
本发明提供了一种电动拖拉机用直驱式电液悬挂系统，该系统取消了依赖复杂电液伺服阀调节压力的传统拖拉机液压悬挂系统和对环境要求苛刻、无减震结构且较易损坏的电推杆悬挂系统，通过调整伺服电机转矩转速等参数直接控制液压系统的流量，结构简单紧凑、系统效率高且维护成本低。此外，采用左右两个液压缸直接同步驱动下拉杆的形式，提高了悬挂系统的可靠性和稳定性。
[0035]
同时，本发明提出了一种考虑滑转率、耕作阻力和耕深位置的多参数综合控制算法，基于导纳控制和pid控制方法，赋予直驱式悬挂系统惯性、阻尼和刚度特性，动态平衡了滑转率、耕作阻力和耕深位置关系，提高了拖拉机行驶稳定性和耕深稳定性。
附图说明
[0036]
图1是本发明直驱式电液悬挂系统的机械结构图；
[0037]
图2是本发明直驱式电液悬挂系统的液压系统图；
[0038]
图3是本发明直驱式电液悬挂系统的控制流程图；
[0039]
图4是本发明直驱式电液悬挂系统的控制流程图中的基于导纳控制的“滑转率-耕作阻力-位置”多参数综合控制算法图。
[0040]
其中的附图标记为：
[0041]
1、销轴力传感器
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
2、位移传感器
[0042]
3、上拉杆
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
4、横向限位杆
[0043]
5、下拉杆
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
6、纵向限位杆
[0044]
7、支撑臂
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
8、左提升液压缸
[0045]
9、右提升液压缸
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
10、耕深控制面板
[0046]
11、电池组
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
12、液压泵
[0047]
13、溢流阀
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
14、电液换向阀
[0048]
15、液控单向阀组
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
16、单向阀
[0049]
17、液压缸压力传感器
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
18、犁具
[0050]
19、耕深控制器
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
20、伺服驱动器
[0051]
21、直流伺服电机
具体实施方式
[0052]
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明：
[0053]
如图1和图2所示，一种电动拖拉机用直驱式电液悬挂系统，包括销轴力传感器1、位移传感器2、上拉杆3、横向限位杆4、下拉杆5、纵向限位杆6、支撑臂7、左提升液压缸8、右提升液压缸9、耕深控制面板10、电池组11、液压泵12、溢流阀13、电液换向阀14、液控单向阀组15、单向阀16、液压缸压力传感器17、犁具18、耕深控制器19、伺服驱动器20和直流伺服电机21。
[0054]
所述电动拖拉机自带导航系统。电动拖拉机的后端设有支撑臂7。
[0055]
上拉杆3的前端与电动拖拉机的后端铰接，后端与一对纵向限位杆6的上端连接，纵向限位杆6的下端与横向限位杆4连接。两根下拉杆5的前端与电动拖拉机的后端铰接，后端与横向限位杆4的两端连接。上拉杆3和下拉杆5与犁具18连接。所述左提升液压缸8及右提升液压缸9的上端与支撑臂7铰接，下端与下拉杆5的中部铰接。
[0056]
所述伺服驱动器20与直流伺服电机21和耕深控制器19连接，直流伺服电机21直接驱动液压泵12。
[0057]
所述位移传感器2设置在右提升液压缸9上。销轴力传感器1设置在下拉杆5与电动拖拉机后端的连接处。液压缸压力传感器17设于左提升液压缸8及右提升液压缸9的内部。耕深控制面板10位于电动拖拉机的方向盘下方。所述电池组11位于电动拖拉机的前部。销轴力传感器1、位移传感器2、耕深控制面板10、电池组11和液压缸压力传感器17通过电缆与耕深控制器19相连。
[0058]
电池组11为耕深控制面板10、耕深控制器19、伺服驱动器20和直流伺服电机21供
电。
[0059]
耕深控制器19通过专用信号线采集销轴力传感器1、位移传感器2和液压缸压力传感器17的传感数据，以获取悬挂系统当前状态信息。
[0060]
所述液压泵12、单向阀16、溢流阀13、电液换向阀14、液控单向阀组15与左提升液压缸8和右提升液压缸9依次连接。
[0061]
所述液压泵12的进油口与油箱连接，所述液压泵12的出油口通过液压油管连接单向阀16的进油口和溢流阀13的进油口，单向阀16用于限制液压油流向，溢流阀13的回油口通过液压油管与油箱连接。单向阀16的出油口通过液压油管连接至电液换向阀14的p口。液控单向阀组15的a口通过液压油管连接左提升液压缸8和右提升液压缸9的无杆腔，液控单向阀组15的b口通过液压油管连接左提升液压缸8和右提升液压缸9的有杆腔。电液换向阀14的a、b口分别和液控单向阀15的p1、p2口直接连接，共同实现液压油路的换向和锁定。电液换向阀14的t口与油箱连接。
[0062]
所述液控单向阀组15由两个液控单向阀组成，保压液压缸回路。
[0063]
所述电液换向阀14是三位四通换向阀，通过改变换向阀芯的移动方向来改变液压缸的运动方向。
[0064]
所述左提升液压缸8和右提升液压缸9带动下拉杆5绕其铰接点做旋转运动，进而带动犁具18完成上升和下降动作。
[0065]
由图3和图4所示，一种电动拖拉机用直驱式电液悬挂系统的控制方法，包括以下步骤：
[0066]
步骤1：实际耕作前，在耕深控制面板10中手动设定一个目标耕深值x0，实际耕作时，将位移传感器2测量到的左提升液压缸8和右提升液压缸9的伸长度实时地转换成犁具的耕深，将销轴力传感器1测量的销轴压力实时地转换为犁具18所受的耕作阻力；
[0067]
步骤2.1：根据电动拖拉机自带的导航系统计算滑转率，判断滑转率是否在0.2～0.3的范围内，若在所述范围内，耕作阻力偏移量f
bias
＝0，若不在所述范围中，使用公式1计算控制系统需要的耕作阻力偏移量f
bias
，使用公式2计算纠正耕作阻力f：
[0068]fbias
＝ks
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
公式1
[0069]
f＝f
real
+f
bias
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
公式2
[0070]
其中，f为纠正耕作阻力，单位为n；f
bias
为控制系统需要的耕作阻力偏移量，单位为n；f
real
为销轴力传感器1测量的实际耕作阻力值，单位为n；k为权重系数；s为当前时刻的滑转率。
[0071]
步骤2.2：根据设定的目标耕深值x0和步骤2.1计算的纠正耕作阻力f，使用如公式3所示的导纳控制算法，以求解期望耕深值xd：
[0072]
f＝md(x
″
d-x
″0)+dd(x'
d-x'0)+kd(x
d-x0)
ꢀꢀꢀꢀꢀ
公式3
[0073]
其中，md、dd、kd为阻抗系数，分别代表了悬挂系统的惯性特性、阻尼特性和刚度特性；x
d”、x
0”、x
d’、x0’
分别表示期望耕深xd和目标耕深x0关于时间的二阶导数及一阶导数，其中，x
d”单位为cm/s2，x
0”单位为cm/s2，x
d’单位为cm/s，x0’
单位为cm/s，xd单位为cm，x0单位为cm。
[0074]
步骤2.3：将所述导纳控制算法求解的期望耕深值xd和由位移传感器2测量的实际耕深x输入到耕深控制器19的pid控制算法中，由pid方法计算用于控制直流伺服电机的pwm
和电磁换向阀的位置：
[0075][0076]
其中，pwm为直流伺服电机21的脉冲宽度占空比；k
p
、ki、kd分别为pid控制器的比例系数、积分系数和微分系数；xk为当前时刻的实际耕深x，单位为cm；x’为实际耕深x关于时间的一阶导数，单位为cm/s。
[0077]
步骤3.1：由耕深控制器19计算的pwm绝对值输入到伺服驱动器20中，驱动直流伺服电机21带动液压泵12以不同转速旋转，而pwm的正负号代表了电液换向阀14的方向。
[0078]
步骤3.2：直流伺服电机21的转速调节实现了液压泵12的流量控制，液压系统中不同的流量和电液换向阀14的不同位置，共同实现了左提升液压缸8和右提升液压缸9以不同速度同步上升或下降。
[0079]
步骤4：当左提升液压缸8和右提升液压缸9到达期望位置后，直流伺服电机21停止转动，由液控单向阀组15实现系统保压，锁定左提升液压缸8和右提升液压缸9的位置；若左提升液压缸8和右提升液压缸9所受负载超过其最大负载能力，而液压泵12仍在持续运转使得电液换向阀14中的压力超过溢流阀13设定压力时，由溢流阀13释放高压液压油。优选地，所述溢流阀13的设定压力为12mpa。
[0080]
本发明的一种电动拖拉机直驱式电液悬挂系统工作原理为：
[0081]
在电动拖拉机实际耕作前，驾驶员根据农艺要求，在耕深控制面板10中设置目标耕深值。在实际耕作时，根据电动拖拉机导航系统导出的滑转率，当滑转率超出合理范围时，计算耕作阻力偏移量，导纳控制算法根据目标耕深值和销轴力传感器1测取的耕作阻力与滑转率引起的耕作阻力偏移量之和，重新计算期望耕深值，pid控制系统依据期望耕深值调整直流伺服电机21的转速。
[0082]
当悬挂提升时，电磁换向阀14的阀芯左移，液控单向阀组15全部开启，左提升液压缸8和右提升液压缸9同步回缩，带动下拉杆5向上提升，以带动犁具18提升；当悬挂下降时，电磁换向阀14的阀芯右移，液控单向阀组15全部开启，左提升液压缸8和右提升液压缸9同步伸出，带动下拉杆5下降，以带动犁具18下降。
[0083]
当悬挂到达目标位置时，电磁换向阀14的阀芯移动至中位，直流伺服电机21停止转动，液控单向阀组15全部关闭，实现左提升液压缸8和右提升液压缸9保压，锁定犁具18位置，降低了液压系统能耗。
[0084]
当犁具18稳定于某一设定耕深作业，由于土壤条件突变，耕作阻力激增时，由于导纳控制算法的惯性、阻尼和刚度特性，将控制犁具18柔顺提升，降低犁具18所需牵引力，保证电动拖拉机行驶稳定性；当土壤条件改善时，又将控制犁具18柔顺恢复其目标耕深，保证耕深稳定性。当滑转率超出合理范围时，该系统将滑转率加权转化为耕作阻力偏移量，通过调整耕作阻力，修正滑转率使其恢复至合理范围。