联合收割机拨禾轮转速自动控制系统设计

崔 勇，翟旭军，陶德清

(江苏农牧科技职业学院，江苏 泰州 225300)

0 引言

当前在联合收割机自动控制过程中仍存在故障率高、性能不稳定等缺点，在自动控制过程中无法应对自然环境变化，导致自动控制效率较为低下。联合收割机相比于一般收割机结构较为复杂，在自动控制时对其智能性及功能性要求较高。基于此，需要简化控制系统，优化自动控制功能，促进联合收割机的普及。拨禾轮是联合收割机重要部分，对拨禾轮的自动控制可降低传动级数，减少工作过程的功率损耗，提升系统工作稳定性，并可促使系统在工作过程中各个工作顺序有效展开。本文在此基础上对联合收割机拨禾轮转速自动控制系统进行设计，便于提升联合收割机拨禾过程稳定性和实效性。

1 拨禾轮工作原理

1.1 拨禾轮运动数学模型

从运动类型来看，拨禾轮在收割过程中的运动属于一种复合运动，为对其运动过程进行分析，先建立直角坐标系，设定坐标原点为O0，收割机前进与地面平行方向为X轴，垂直地面方向为Y轴。在此坐标系下拨禾轮外部边缘位置上的点在系统启动后便沿逆时针方向运转。其工作过程如图1所示。

图1 拨禾轮工作过程Fig.1 The working process of the reel

结合图1拨禾轮工作过程便可建立拨禾轮工作过程数学模型方程，模型表示为

式中R—拨禾轮半径；

ω—拨禾轮运动过程角速度；

Vm—联合收割机运动前进速度；

t—拨禾轮在水平方向运转的时间；

H—拨禾轮在联合收割机安装高度；

h—农作物割茬高度；

L—农作物平均高度。

在以上数学模型基础上，在进行农作物收割过程中，为减少农作物与拨扳的碰撞，在拨禾轮工作过程中设定其进入禾丛时在水平方向的分速度为0。在此基础上得出下式，即

Vx=0

进行拨禾轮位置调整需要遵循以上过程，且在运动过程中需要促进拨板在运动过程中呈垂直状态时作用在农作物的点应稍高于农作物重心高度，以此消除收割过程中可能出现的拨禾板无法拨带农作物的情况。

1.2 拨禾轮转速数学模型

拨禾轮在运动过程中可结合其作业速度及速度比值λ(一般取值在1.5～1.6区间)，在此基础上可确定其线速度为

式中n—拨禾轮工作转速；

Vb—拨禾轮运动角速度。

在进行λ取值时可结合拨禾轮板数、工作速度、农作物成熟条件来确定。若在设计中采用6板拨禾轮作为设计样板，则其实际取值可低于1.5～1.6区间；若采用4板拨禾轮作为设计样板，则其实际取值可稍高于1.5～1.6区间。实际作业过程中，当作业速度有所提升时便可利用惯性作用降低农作物谷粒的掉落率，因此在实际设计中选取λ值的主要影响因素为收割机实际作业速度。

1.3 拨禾轮功率确定

拨禾轮功率是联合收割机总功率重要组成部分，其计算公式可表示为

式中P—拨禾轮工作过程中边缘切向阻力；

B—拨禾轮设计宽度；

Vb—拨禾轮运动角速度。

电动机是拨禾轮的动力提供装置，在选择拨禾轮过程中需要结合拨禾轮的机械特性等因素选择电动机的相关参数和类型。联合收割机在实际工作过程中一般采用三相交流电，因此若对联合收割机无特殊要求则采用交流电动机。采用交流电动机具有稳定的结构，使用寿命较长，性价比高，实际设计中一般选用鼠笼式交流电动机。联合收割机工作环境较为复杂，经常需面对大量粉尘，因此电动机需要具备一定密封性，则在此基础上选择Y系列电动机。结合实际经验确定拨禾轮功率分布在0.182～0.33kW之间，因此选择功率为0.55kW的Y系列电动机。

2 拨禾轮自动控制系统设计

2.1 交流变频电源

设定拨禾轮的输出频率在1～5Hz之间，采用三相380V的输出电压，并通过87C196KC16单片机作为控制系统。拨禾轮属于联合收割机的辅助构件，因此对其快速响应速度无特殊要求，设定其响应时间为0.5s。在实际工作中转子会出现发热情况导致其共组环境温度升高，因此要求电源装置可在50℃的环境下仍旧保持其工作性能。在此基础上设计的交流电源主回路拓扑结构如图2所示。

图2 电源主回路拓扑结构Fig.2 Topology of the main circuit of the power supply

本系统中采用的是输出频率位于1～5Hz的低频率交流电源，并采用3脉冲零式电路结构，以此提高其性价比，且该电源的输出包括2个半桥及6只晶闸管组成，图3所示为R输出相。

图3 R输出相Fig.3 R output phase

图3中的R输出相包含2个半桥及6个晶闸管，两个板桥分别为正组(M1-M3)、反组(M4-M6)。在系统工作过程中，若输出电压为正半轴且正组为整流状态，此时负组正好相反，作用是防止两组整流桥出现短路情况；反之，输出电压为负半轴且负组为整流状态，此时正组正好相反，作用是防止两组整流桥出现短路情况。

电路中的支流变频器主要作用是帮助系统实现实施变频作用，即在进行电流控制过程中通过变频端输出端可获得多个低频交流电压。在本系统中的三相零式可控电路如图4所示。

图4 三相零式可控电路Fig.4 Three phase zero control circuit

2.2 触发脉冲的控制方法

拨禾轮的交流变频控制方法较多，针对联合收割机的实际工作情况选择余弦交截法，该种控制方法可通过既定参考电压uR，结合电源传出的信号余弦波ur二者交点进行晶闸管的导通电确定过程。

A-N、B-N、C-N分别为联合收割机中的交流器相电压波形，UT1、UT2、UT3分别表示余弦波，这些余弦波的相位可促进波形峰值与晶闸管触发角α为0时的位置相对应。在此基础上可通过比较器判断其状态，当uR-uR大于0其输出值为“1”，反之输出为0。当输出器脉冲在由“0”向“1”转变过程中会瞬间产生脉冲。

余弦交截法脉冲发生器波形的3个通道即具备一定独立性，可互相联系起来形成一个新的通道，在实际工作中主要通过环形分配器对其脉冲进行有效分配，并可求得器近似解，即

πn-θ0—调制波n经过零点；

θ0—0时刻的相位角；

Dir=+1—调制波为正；

Dir=-1—调制波为负；

Sig=+1—基准波为正；

Sig=-1—基准波为负；

可通过汇编语言进行其出发时刻确定，系统实际工作过程中主要通过输出脉冲至相应晶闸管，并可通过高级语言计算触发控制角，并在此基础上得出不同等级的触发顺序。

2.3 信号发射电路设计

图5为一种可在工作中产生正弦信号的一种线路结构。由于本文研究的电路电压已经确定，因此通过电压—频率变换得出的频率与电压确定的三角波信号，并通过正余弦转换实现相位角差为120°的信号转换。正弦信号的振幅大小通过输出电压给定信号进行控制，其最后输出信号作为一种给电信号，采用变频输出方式为电动机提供功率。

图5 正弦信号发生器Fig.5 Sine signal generator

2.4 单片机系统设计

本设计采用的是一种名为87C196KC的单片机，特点为：系统总线十分灵活，可对其进行动态设置，一般可将其设置为8位或16位总线，在此基础上有效降低编程难度。该单片机对外部系统要求极为简单，其自身所携带的16K EPROM可有效降低系统工作过程的繁杂工作，促进编程工作更加灵活多变；87C196KC单片机在工作中速度极快，并可为系统计算机提供其工作所需功率，且该单片机采用EPA及PTS技术，有效提升系统工作能力。

本设计中的87CI96KC单片机预期目标主要是进行相应数据采集及模数转换，并对系统误差信号进行PI计算，在此基础上对晶闸管触发相位进行调整，以此实现对输出电压的有效控制。同时，可通过该单片机生成脉冲并将其进行有效分配，实现数字触发器的所有功能。

2.5 自动控制系统组成

本设计中的拨禾轮轮速控制系统主要通过三相交流电作为电源提供基础，结合87CI96KC单片机组成核心控制系统，如图6所示。本系统的电路结构为三脉冲零式电路，并可结合功能性将整个系统分为功率主回路以及控制电路两个组成部分。其中，功率主回路部分主要形式为调频调压变换方式，实际控制过程中采用控制回路提供的信号实现电路的开关，并在此过程中产生需要的输出电压。

图6 拨禾轮双闭环控制系统Fig.6 Double closed loop control system

2.6 单片机控制系统

本设计采用87CI96KC单片机作为控制核心部件，其主原理框图如图7所示。

图7 87CI96KC单片机控制系统结构原理图Fig.7 87CI96KC MCU control system structure diagram

从87CI96KC单片机控制系统来看：该系统属于综合性系统，包含多个子系统，该电路由复位、放大电路、脉冲及电源提供系统等部分组成。在其输入电路中具有专用于限流的电阻电容，且还可在电路过程中实现滤波功能，在电路出现过载的过程中对电路进行有效保护。 系统实际工作过程中当内部阻值较大时则

需要降低A/D的转换精度，并且有效降低电容误差。

系统中核心部件为87CI96KC单片机,该单片机可为整个控制系统提供信息收集、数字调节、自动控制及数字触发等功能。单片机的三极管会将脉冲进行放大处理，之后将其传送至单稳电路进行整形处理，配合RC电路拓宽脉冲，至少将其拓宽50%以上后进行功率放大后将其显示出来。经过拓宽处理后脉冲电流仍旧较小，因此无法有效触发晶闸管，基于此需通过三极管对其进行放大处理，使之达到触发需求。触发电路如图8所示。

图8 触发电路Fig.8 Trigger circuit

系统的隔离电路主要作用是避免高压对电路造成的影响，结合脉冲变压器对其进行隔离处理，并通过LED将脉冲显示出来，且可对电路进行稳压处理。隔离电路如图9所示。

图9 隔离电路Fig.9 Isolation circuit

在进行电路移相控制通过单片机控制过程中，需结合单片机中的晶闸管控制起始点防波信号，促进所有脉冲信号在每个周期中均出现，需要保证方波信号与电源频率相同，称其为同步信号。本设计同步电路如图10所示。

图10 同步电路Fig.10 Synchronization circuit

3 结论

针对联合收割机拨禾轮实际工作情况设计了自动控制系统，实现了对拨禾轮轮速的有效控制。从运动类型来看，拨禾轮在收割过程中的运动属于一种复合运动，在选择拨禾轮过程中需要结合拨禾轮的机械特性等因素选择电动机的相关参数和类型。联合收割机工作过程中，一般采用三相交流电，结合实际经验确定拨禾轮功率分布在0.182～0.33kW之间，因此选

择功率为0.55kW的Y系列电动机。本设计中的拨禾轮轮速控制系统主要通过三相交流电作为电源提供基础，结合87CI96KC单片机组成核心控制系统，并设置稳压电路、同步电路、放大电路等组成部分，实现了对拨禾轮转速的有效控制。

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