聯合收獲機凹板間隙調節系統研究

摘要：聯合收獲機凹板間隙的大小是影響聯合收獲機脫離質量的關鍵因素之一，本文設計了一款基于聯合收獲機的凹板結構，通過控制線性驅動器對凹板間隙進行自動調節的系統，實現了聯合收獲機凹板間隙自動調節，通過試驗研究結果表明：該系統調節方便實用，且調節精度在5%以內。本文網絡版地址：http：//www.eepw.com.cn/article/271644.htm

關鍵字：凹板間隙；BTS7960；CAN總線

DOI：10.3969/j.issn.1005-5517.2015.3.009

基金項目：國家高技術研究發展計劃（863計劃）資助項目（2013AA040401）

梁學修（1987-），男，博士，主要研究方向：自動控制與智能檢測研究。

引言

谷物聯合收獲機的作業性能指標，主要包括總損失率、破損率和含雜率等。脫粒與分離滾筒是谷物聯合收獲機的重要工作部件。脫粒與分離滾筒由高速旋轉的滾筒和固定的弧型凹板配合，使谷物從滾筒與凹板之問通過，經脫粒元件的打擊、揉搓、碾壓和梳刷，通過破壞谷粒與穗軸的連接力而實現脫粒。故在作物條件一定時，脫粒質量的好壞主要取決于脫粒滾筒轉速和凹板間隙。在一般情況下，凹板間隙越小，滾筒轉速越大，脫粒效果越好，但破碎率反而會增加。反之，在凹板間隙較小且轉速較低的情況下，雖然可以減少破損率，但很容易出現脫不凈、秸稈多等現象。因此要達到脫粒干凈、谷粒破碎少、秸稈長度大、并且盡可能的將脫下的谷粒全部從凹板中漏下來的脫粒效果，對凹板間隙的調節是必不可少的。

本文設計了一款聯合收獲機凹板間隙自動調節系統，其中調節系統包括控制器、凹板間隙檢測部分、凹板間隙調節機構。

1 系統設計

本研究針對凹板結構，采用四點同步調節法進行對凹板間隙的調節，及針對聯合收獲機凹板結構安裝四個線性驅動器，通過構建CAN總線控制節點，對四個點的線性驅動器進行同步控制，從而實現凹板間隙的調節。

系統采用美國Microchip公司生產的PIC18F25K80微控器。該芯片集成CPU和時鐘、“看門狗”、A/D轉換、定時/計數和I/O等模塊。片上自帶ECAN模塊，ECAN模塊是一個通信控制器，實現了BOSCH規范中定義的CAN 2.OA或B協議，該模塊具有以下特性：實現了CAN協議CAN l.2、CAN 2.OA和CAN 2.OB，支持DeviceNetrM數字字節過濾器，支持標準數據幀和擴展數據幀，0-8字節數據長度，最高1Mb/s的可編程比特率，并帶有SPI，USART，TIMER等多種外設資源。其控制系統結構示意圖如圖1所示。

1.1 聯合收獲機凹板間隙機構電控設計

聯合收獲機凹板間隙大小的控制結構由線性驅動器來實現，通過控制驅動器電機的旋轉來推動推桿，從而對凹板間隙進行控制。采用電位計的信號做為反饋信號，構建閉環速度控制系統。其控制流程框圖如圖2所示。

采用的線性驅動器（放大器）適用于要求特殊的領域，相比普通PWM開關型伺服驅動器，其特點是：驅動平滑、無力矩紋波、無電磁開關噪音、高帶寬、并可驅動超小電感量的電機。線性驅動器采用鋁合金材質，結構設計緊密、重量輕、采用直流電機齒輪減速，內置微動開關，可實現行程走完自動停止，并且內置電位器，可實現行程可控，24V供電，轉矩1500N·m.最大電流5A。

針對直流電機的特性設計了一種基于BTS7960芯片的電機驅動電路，BTS7960是應用于電機驅動的大電流集成芯片。它由一個P溝道的高邊MOSFET和一個N溝道的低邊MOSFET結合一個集成的驅動IC形成了能經受大電流通過的H橋。由于有了P溝道高邊開關，省去了電荷泵，因此減小了電磁干擾（EMI）。BTS7960內部集成的驅動IC使其和微控制器的接口變得非常容易，并且具有邏輯電平輸入、電流檢測診斷、斜率校正、死區時間產生和過溫、過壓、欠壓、過流及短路保護的功能。兩塊BTS7960能夠進行連接構成H全橋。BTS7960通態電阻的典型值為16毫歐，驅動電流可達43A，完全符合驅動本文選用電機的要求。以BTS7960設計的電機驅動器的特點有：具有信號指示和電源指示；轉速可調；抗干擾能力強輸入全光電隔離；內部具有續流保護：可單獨控制一臺直流電機；PWM脈寬平滑調速（可使用PWM信號對直流電機調速）：可實現正反轉；此驅動器壓降小，電流大，驅動能力強。其電機驅動電路如圖3所示。

2 CAN通信模塊

本系統選用TJA1050芯片作為CAN收發器設計的智能節點，該芯片提供了CAN控制器與物理總線之間的接口以及對CAN總線的差動發送和接收功能，跟光耦TLP113共用，實現信號的隔離。TJA1050符合IS0 11898標準，因此它可以和聯合收獲機上其他遵從IS0 11898標準的收發器產品協同操作，其硬件設計如圖4。

3 軟件設計

為了達到程序的簡單明了、易于閱讀、調試方便、采樣率高及可靠性好的目的，采用結構化的程序設計方法。本研究采用的是MAPLAB IDEV8.76作為控制系統的軟件作為開發環境，并采用Hit ech公司開發的PICC編譯器進行編寫、調試和編譯程序。主要介紹CAN模塊以及PWM模塊的初始化程序，具體實現如下：

///////////CAN////////////

/////Fosc=lOMHz，

/////CAN Baud

4 試驗結果及分析

為了測試設計電路的可行性，對電路進行了輸入輸出實驗。利用微控制器PIC18F25K80的PWM模塊對驅動電路輸入常用的1KHz、40%占空比的方波對電機進行控制。從波形圖中可以看出，BTS7960驅動電路能夠較好地跟蹤輸入信號的變化，不僅波形完整穩定，并且能夠把單片機輸出沒有驅動能力5V驅動PWM信號放大至能夠驅動電機的24V電壓，能夠用于線性驅動器的電機驅動，實現聯合收獲機凹板間隙的調節。

為了驗證控制系統的可行性，將其安裝在聯合收獲機上進行田間試驗，其現場安裝實物圖如圖6所示。經過多次試驗結果顯示其對凹板間隙的調節精度在5%以內。

5 結束語

本文設計的一款聯合收獲機凹板間隙自動調節系統，通過自帶有CAN模塊的PIC18F25K80作為微控制器，搭配TJA1050 CAN收發器，構成CAN總線節點，具有很高的性價比和可靠性，而且功耗低、布線簡潔。完成了同步控制線性驅動器通訊設計要求，并且設計的基于BTS7960芯片的電機驅動電路，達到了精確控制線性驅動器的效果，同樣達了試驗要求，其控制精度達到5%以內。通過了試驗室和室外試驗的驗證，該系統具有很好的實用性。