1、无人驾驶拖拉机电控液压转向系统的可靠性测试本 科 毕 业 设 计无人驾驶拖拉机电控液压转向系统的可靠性测试无人驾驶拖拉机电控液压转向系统的可靠性测试摘 要本文主要针对我校自主研发的无人驾驶拖拉机电控液压转向系统，开展电磁阀可靠性测试，检验电磁阀对长期通电和频繁通断电的耐受性。分析了现有电控液压转向系统的组成，包括有过滤器、定量泵、手动换向阀、转向器、液压泵、压力表、溢流阀、二位三通换向阀、三位四通电磁比例换向阀和油箱等，描述了其基本工作原理。在工作过程中，二位三通换向阀需要频繁通断以实现手动和自动油路的切换，直接关系到系统工作的稳定性和可靠性。因此，本文设计了一套二位三通换向阀的可靠性测试系统
2、。该测试系统包括：基于 AT91SAM9263 的嵌入式系统开发板、电磁阀驱动放大电路和美国 HYDRAFORCE 公司生产的 SV-10-31N-24VDC 电磁阀。基于 SBC6330XARM 开发板，开发了测试程序。ARM 板主控电路产生 PWM 信号，通过驱动电路放大信号，控制电磁阀油路。本次测试一共进行了 4 中不同的控制信号测试，分别为周期为 2 秒、1 秒、0.6 秒的方波以及持续输出 3.3V 高电平。2 秒、1 秒和 0.6 秒的方波测试时间为 30 分钟，持续输入高电平的测试时间为 60 分钟。测试结果表明：ARM 主控板和驱动电路控制下有效地工作，电磁阀对长期通电和频繁通
3、断具有较好的耐受性。关键词：SBC6330X 驱动电路 电磁阀无人驾驶拖拉机电控液压转向系统的可靠性测试Turning to the Reliability of the Testing System of UnmannedTractors HydraulicWu Zhangrong(College of Engineering, South China Agricultural University, Guangzhou 510642, China)Abstract:This paper mainly aim at my school unmanned tractors hydraulic
4、steering system, carry out the solenoid valve solenoid valve reliability test, test of tolerance is energized for a long time and frequent on-off.The analysis of the existing electric hydraulic steering system composition, comprising a filter, the quantitative pump, a manual reversing valve, steerin
5、g gear, hydraulic pump, pressure gauge, pressure relief valve, reversing valve, two three three position four way electromagnetic proportion reversing valve and the mailbox, the basic working principle described. In the work process, two position three way directional control valve need frequent on-
6、off switch to realize manual and automatic oil, directly related to the stability and reliability of the system. Therefore, this paper designed a reliability test system of a set of two position three way reversing valve.The test system comprises: driver development board, AT91SAM9263 embedded syste
7、m SV-10-31N-24VDC solenoid valve solenoid valve amplification circuit and the United States of America HYDRAFORCE company production based on. Based on the SBC6330XARM development board, development test program. ARM main control circuit generates a PWM signal, through the drive circuit of signal am
8、plification, electromagnetic valve control circuit.The tests were conducted in different control signal test 4, respectively, a period of 2 seconds, one second, 0.6 seconds of Fang Bo and continuous output 3.3V high level. 2 seconds, one second and 0.6 second square wave test time is 30 minutes, sus
9、tained high level input test time is 60 minutes. The test results show that: ARM main control board and a driving circuit control work effectively, the solenoid valve on the long-term electricity and frequent on-off has better tolerance.Key words: SBC6330X drive circuit electromagnetic valveI目 录1 前言
10、 .11.1 研究背景 .11.2 研究目的 .11.3 研究意义 .11.4 国内外研究状况 .12 拖拉机电控液压转向系统原理 .32.1 拖拉机原有转向系统 .32.2 拖拉机电控液压转向系统的工作原理 .52.3 待测试二位三通换向阀的工作特性 .83 液压转向系统测试电路设计 .83.1 ARM 主控电路 .93.1.1 SBC6300X 开发板 CPU 规格 .93.1.2 SBC6300X 开发板主板功能接口 .103.1.3 SBC6300X 开发板核心板功能 .113.2 驱动电路 .113.2.1 IRFR9540 芯片简介 .124 ARM 主控板控制程序设计 .134.
11、1 开发板硬件环境初始化 .134.2 利用定时器实现 IO 引脚的 PWM 信号输出 .135 可靠性测试流程及结果 .145.1 可靠性测试流程 .145.2 可靠性测试结果 .15参考文献 .16附录 .17致谢 .21华南农业大学本科生毕业设计成绩评定表 11 前言 1.1 研究背景中国是一个农业大国，用占世界 7的耕地解决了世界 22的人口温饱问题，取得了举世瞩目的成就。目前，我国面对“人多地少，资源短，环境恶化，人增地减”的趋势不可逆转。保证 21 世纪我国 13 亿人口的食物安全，关键在于推动农业科技的进步。目前，农业机械智能导航技术在欧美发达国家已经得到深入的研究，其产品在实际
12、农业生产中也得到了广泛的应用并取得的显著的生产效益。在我国，农业机械化研究和应用已经有了长足的发展，但是在农业机械装备的信息化和智能化等技术方面的研究和应用还是明显不足，远落后于西方发达国家，在实际生产应用中的例子更是很少。农业机械智能导航的自动化、信息化和智能化是现代化农业发展的重要技术基础。其为精准农业的实践和推广支持，加快实现我国农业现代化。1.2 研究目的本文的研究主要有三个方面的目的：第一，通过对无人驾驶拖拉机电控液压转向系统的了解，得知系统的组成、结构和工作原理。第二，根据测试所需用 ARM 板及驱动电路板设计制作控制信号。第三，通过电磁阀的可靠性测试，检验电磁阀对长期通电和频繁通
13、断电的耐受性。1.3 研究意义自动转向控制技术是实现智能农业机械自主导航行走的关键技术之一。在复杂的农田生产环境下，农业机械转向控制器的设计不同于公路行走车辆，因为其面对的工作环境是变化的，不可预知的地形，行走的地表有硬有软，具有高度的非线性性（Q. Zhang， 2002） 。因此农业机械转向控制器要求能适应不同车辆状态和行驶速度等车辆动态参数，根据不同工况采取不同策略，要求执行敏捷，控制精确。最优的农业机械转向控制器对于智能农业机械来说无疑是有力的技术基础。因此，开展农业机械转向控制技术的研究对于智能农业机械的发展，对于精确农业的最终实现，促进农业生产的可持续化发展具有现实而重要的意义。1
14、.4 国内外研究状况现代农业机械自动转向控制系统可以分为转向机构和转向控制两部分（田海清，2005） ，转向机构的作用是直接控制农业机械的实际角位移，使农业机械不断调整位置2和方向从而实现沿预定路径运动。转向控制系统包括导航控制器和转向操纵控制器，导航控制器的作用是根据农业机械模型，设计最优的导航控制算法，将 GPS、陀螺仪、电子罗盘、视觉传感器等多源传感器信息融合，计算分析最终决策出农业机械转向控制量。而转向机构目前可以大致的分为两种液压驱动和电机驱动两种方式。在国外，液压驱动方式方面，J.A. Marchant 等人（ J.A. Marchant，1996）对一台人工操作的汽油机车辆进行改
15、装，并结合里程表、视觉传感器，通过 Kalman 滤波器融合处理实现了车辆自动转向控制。电机驱动方面，Noboru Noguchi（Noboru Noguchi，1997 ）等人对传统的小型后轮驱动汽油拖拉机改装，采用步进电机驱动方向盘，磁阻航向传感器实时采集车辆航向信号，转向角通过电位计获得，后轮旋转角则通过旋转编码器获取。在我国，对于农业机械自动转向控制技术方面研究起步相对较晚(ToruT，2000)，而且大部分技术以国外相对成熟技术为基础，并多数处于实验室研发阶段，科研成果也主要集中在高校的课题科研成果的层面上，离实际运用还有一段距离。在国内，液压驱动方式方面，魏延富等设计了基于电液伺服
16、及反馈系统的拖拉机转向控制系统（魏延富，2006） ，该系统是由力传动装置控制方向盘，从而控制油路液压驱动轮子转动。严格来讲，该系统使用的不是电控液压系统，且其反馈回路反馈的是车轮 0位置的信号，不能解决车轮转向任意角度（允许范围内）的转动。中国农业大学工学院陈文良等人（陈文良，2005）设计了一种用于拖拉机自动驾驶的电控液压动力转向系统，该系统具有自动和人工转向两种转向模式，在保证原有转向系统机械结构基本不变的情况下，加装了全液压转向器、步进电机驱动器以及电磁换向阀和液压连接部件，系统通过步进电机驱动全液压转向器转向，将油泵中的油液在转向器作用下定向、定量推动转向油缸，推动导向轮实行动力转向
17、，以实现拖拉机的自动转向功能。而人工与自动转向模式切换则通过电磁换向阀控制液压油流经原有转向器或改装转向器中流向实现。电机驱动方面，华南农业大学工程学院李俊岭（李俊岭，2005） 、林卫平（林卫平，2007）等以日本久保田 SPU60 型水稻插秧机为研究对象，在转向机构改造过程中，以不破坏原机驾驶功能和人工控制与自动控制兼容为原则，在方向盘上加装直流电动机作为动力源，电机经减速器减速增扭与方向盘传动设备连接，经历三代实现了转向机构改3造，转角信息的反馈则通过日本 KOYO 公司的 TRD-NA1024NW 型绝对值旋转编码器经单片机获得。在此基础上经行改进，以同步带取代链条，对电机进行控制。2
18、 拖拉机电控液压转向系统原理 2.1 拖拉机原有转向系统许多拖拉机的转向系统都是采用的液压助力转向系统。东方红-X804 自身的转向机构也是采用液压助力转向系统，采用独立油路，全液压前轮转向。转向油路是由转向油泵、方向盘、转向器、液压转向油缸、油箱等部分组成，如图 1 所示。机构的动作原理是：东方红-X804 拖拉机起动后，发动机带动转向油泵运转，转动方向盘，液压油经转向器油路到转向油缸，液压驱动油缸动作，拉动前轮转向，当转向动作到位后，油路液压平衡，液压油回油到油箱。转向油缸转向器转向液压泵油管油箱方向盘前转向轮图 1 东 方 红 -X804 拖 拉 机 原 配 转 向 油 路 示 意 图农
19、用拖拉机中，小马力和中马力拖拉机的转向器绝大部分都是用开芯无反应转向器和定量液压油泵，大马力拖拉机绝大部分都是用闭芯无应用转向器和变量液压泵。开芯和闭芯是依据转向器中位机能来定义，而液压油泵的类型是依据转向器的类型配套。开芯系统中，释放方向盘，转向器中的旋转阀处于中位时，油泵和油箱之间是连通的，一般使用定量油泵；闭芯系统中，释放方向盘，转向器中的旋转阀处于中位时，转向器的进油端是关闭的，一般使用变量油泵。4A 转向器基本连接图B 开芯无反应转向器原理图 C 闭芯无反应转向器原理图图 2 拖 拉 机 转 向 器 原 理 图图 2 中 A 是拖拉机全液压转向器的基本组装图，它有液压油箱、液压油泵、
20、过滤器、溢流阀、单向阀、转向器、转向盘、转向油缸、转向车轮及一些液压辅助元件组成。其中，液压油泵和转向器的类型依据不同马力的拖拉机而不同，小马力和中马力拖拉机的转向器如 B 所示，是开芯无反应转向器，转向器在中位的时候液压油能流回油箱而自动缷荷，与此相配套的液压油泵是定量泵；大马力拖拉机的转向器如 C 所示，是闭芯无反应（或有反应）转向器，转向器在中位的时候液压油不能通过转向器流回油缸，它是通过配套的变量泵进行缷荷。5全液压转向系统除了上面列举的基本元件外，有的转向器还配套安全阀、双向过载阀、双向补油阀和单向阀，如下图 3 所示：P T R L转向器21341-安全阀 2-单向阀 3-双向补油
21、阀 4-双向过载阀图 3 转 向 器 配 套 阀 组安全阀的功能是压力油到达安全阀设定压力时，安全阀打开泄油，提供转向系统压力的安全保护；双向过载阀的功能是当转向油缸受到外部冲击时，油缸内的压力高，压力油到达过载阀设定压力时，过载阀打开泄油，对转向油缸实施过载保护；双向补油阀功能是当过载阀开启时，为了防止油液产生气蚀，补油阀打开从组合阀块的回油口吸油，及时将压力油补充到转向油缸的左或右油腔；单向阀是转向器进油时打开，在低转速时防止由于外部载荷的冲击，高压油倒流，造成方向盘的抖动。随着时代的发展，除了开芯无反应转向器和闭芯无反应（或有反应）转向器外，现在也出现了负荷传感全液压转向系统，它具有无论
22、负荷压力大小、方向盘转速快慢，均能按转向油路要求，优先分配相应流量，保证转向可靠、灵敏、轻便；油泵输出的流量，除向转向系统供给所需的流量外，剩余部分可供给辅助油路使用，从而消除转向油路供油过多而造成的功率损失，提高了系统效率。2.2 拖拉机电控液压转向系统的工作原理本文中电控液压转向机构的设计是，在原转向油路并联安装一个转向控制机构，即并联一个用于电路控制的“转向器”。这个便于控制的“转向器”是一套电控液压阀，即把原来手动控制转向的方向盘及其联带的液压转向器，转为电控的液压电磁阀机构。6如图 4 所示，改动上并联安装了 O 型的三位四通比例换向阀，为了油路油压的安全，还需要安装一个安全溢流阀，
23、油管路上，加多了油管和 3 个同原来油路转换的切换阀。电控液压转向系统原理图如图 4 所示：3458901276 - 16 - 2ab1 05PTABA 1B 1控制器G P S 、 A H R SC A N人工 / 自动 （ 模式选择开关 ）装在拖拉机上S aS yS b传感器PT AB开芯无反应式转向器0-过滤器 1-定量泵 2-二位三通电磁阀 3-转向器（开芯无反应） 4-转向油缸 5-单向阀 6- 压力表 7-溢流阀 8-三位四通比例电磁换向阀（O 型） 9-平衡阀 10-液压油箱图 4 优 化 的 液 压 转 向 系 统 原 理 图上图 4 系统在油缸与电磁换向阀之间连接入两个平衡阀 9，它们实际上并联有单向阀的背压阀，分别接在电磁阀的 A、B 口至转向油缸的两个液压油接口之间。液压油可以经过单向阀无约束地从平衡阀正向（液压缸进油）通过（图中 AA1 或 BB1），但从反向通过（液压缸回油）时需要克服平衡阀设定的开启压力，该压力构成回油背压压力。下面进行换向阀换向瞬间系统动力学分析。设定两个平衡阀开启压力略大于一般情况下回正力矩 Tz 对应的压力（本机经试验验证约 4MPa 即可）。在这种情况下，阀芯由中位切换至任一侧位时，阀 A、B 口一个接通油泵 P，另一个接通回油口 T。设 A 口接
