一种小型拖拉机换档执行机构控制系统的控制方法

技术领域

本发明涉及拖拉机换档变速领域，具体地讲，涉及一种小型拖拉机换档执行机构控制系统的控制方法。

背景技术

农用拖拉机作为各种田间作业的动力源，是农业机械化的重要工具之一。手动换挡不仅会引起操作者的不适，甚至也会导致拖拉机意外停车。随着现代农业的发展，拖拉机正迅速向自动化、智能化方向发展，自动换挡是农用拖拉机的发展趋势之一。拖拉机通常在不平整的田间行驶，其牵引力较大，配上动力换挡变速器，可以保证在不同工况下速度调整的灵活性。自动换挡可以减少驾驶员重复性换挡作业的工作强度，能够将驾驶员从频繁的换挡中解放出来，使驾驶员更加专注于其它作业相关的操作。

申请号为202211239734.6发明专利通过不断调整速差值，实现换档参数自调整，从而减少换档失败的次数和缩短换档时间。申请号为202310097377.2的发明专利针对变速箱使用过程中产生的磨损、换挡位移改变问题，公开了一种AMT变速器自学习方法。申请号为202310310358.3发明专利从减少电子换档器体积和成本角度公开了一种电子换档系统、档位确定方法。申请号为202310231173.3发明专利公开了一种电控换档系统位置信号校验方法，采用高精度位移传感器和霍尔传感器对换挡电机当前位置进行检测，通过换挡电机控制器进行档位控制，减少换挡失败风险出现的可能。

上述现有技术存在的共同的缺点是：自动变速器在换挡过程中，驱动电机与选换挡执行机构之间不能协调控制，很难实现快速平缓的换挡，甚至会导致换挡过程瞬时中断或影响变速箱使用寿命。为提高拖拉机动力换档的顺畅，最根本的是解决对目标档位位置的准确、快速跟踪，但磨损、作业条件等未知因素会削弱对目标档位位置跟踪的效果，而系统中存在扰动又是不可避免的，会导致换档失效。因此，有效减少扰动对位置控制效果的影响、设计开发换档失效的监测和处理功能也是提高拖拉机换档顺畅的有效途径。

发明内容

本发明要解决的技术问题是针对滚珠丝杠换档机构，提供一种小型拖拉机换档执行机构控制系统的控制方法，实现对档位位置的快速和精确跟踪，并且能更好地处理系统中未知干扰对位置控制的影响。

本发明采用如下技术方案实现发明目的：

一种小型拖拉机换档执行机构控制系统，包括控制器，所述控制器控制器(1)与通信模块(2)、位移检测模块(3)、电源转换模块(4)、电机驱动模块(5)、电流检测模块(6)和故障诊断处理模块(7)分别联接，电源转换模块与电机驱动模块联接，电机驱动模块与电流检测模块联接；所述故障诊断处理模块包括定时器一、定时器二、扭矩传感器和报警显示器。定时器一用于定时对电机输出扭矩进行采集、计算对比，定时器二用于对每次换档位置跟踪控制的所用时间的监测；扭矩传感器为选择接触式扭矩传感器，其对电机输出端扭矩进行采集并配置调理电路，报警显示器设有喇叭、发光灯、光耦，用于在电机失效状态下的报警提示；所述的控制方法利用所述控制器(1)将通信模块(2)接收到上位机发送的滚珠丝杠位置转换为期望位移，并将应该期望位移作为设定值，以位移检测模块(3)输出值为反馈，采用基于有限时间自适应的控制方法对换档执行机构位置进行控制，控制过程包括以下步骤，

(1)建立换档电机和滚珠丝杠系统模型，选取换挡执行机构中的滚珠丝杠的位移、速度和加速度为系统的状态变量，以滚珠丝杠的位移作为系统的输出，写出换档执行机构状态空间表达式如下：

其中，J

(2)基于反步法控制原理，设计基于有限时间自适应的档位位置跟踪控制器，首先定义系统误差变量如下：

其中，x

定义虚拟误差变量α

其中k

定义第一个子系统的Lyapunov函数并计算其导数如下：

(3)引入第三个误差变量z

定义虚拟误差变量α

其中k

定义第二个子系统的Lyapunov函数并计算其导数如下：

(4)计算z

令κ＝1/b，

其中，k

其中，γ

所述控制器按照步骤4计算得到控制律并输出电压至电机驱动模块控制换档电机和滚珠丝杠运动，并通过电流检测模块对输出电压进行反馈控制，同时，故障诊断处理模块启动定时器二，如果在设定时间内滚珠丝杠未达到期望位置则控制器自动将期望位置设成空档位置。另外，故障诊断处理模块通过定时器一设定时间，周期性采集扭矩传感器信号并与控制器计算得到的扭矩值进行对比，如果偏差绝对值大于设定值，则切断电源转换模块与电机驱动模块的连接并启动报警显示器。

本技术方案设有用于监测流经电机的电流检测模块，并且控制器以电流反馈形式对输出电压进行监控和反馈控制，可避免因控制失控对换档系统造成的损坏；另外，本技术方案还设有故障诊断处理模块，能够监测和应对换档过程中存在的电机失效和换档失效的可能性，保证换档机构和行车安全。

相比于现有技术，本发明的有益效果在于：

1.本发明提出的小型拖拉机换档执行机构控制方法通过自适应控制理论解决换档机构控制系统参数未知扰动的问题，通过参数更新率进行参数估计减少参数的变化对档位位置跟踪造成的影响。

2.本发明提出的小型拖拉机换档执行机构控制方法将有限时间控制与自适应控制相结合，提高了换档执行机构对设定换档位置的跟踪速度和抗干扰能力。使得拖拉机在进行换挡操作时，档位位置具有较小的超调量，且能够在更短的时间内完成换挡，减少换挡顿挫、动力中断时间长对换挡品质的影响。

3.本发明所设计的小型拖拉机换档执行机构控制系统，具有故障诊断和处理功能，对控制失控、电机失效和换档失效等监测和处理措施，能够保证换档控制的可靠、有效。

附图说明

图1为本发明的原理图。

图2为本发明实施例中给出的换档执行机构控制系统框图。

图3为本发明整体控制方法流程图。

图4为本发明的控制方法对斜坡位置信号的跟踪输出效果图。

图5为本发明的控制方法对斜坡位置信号的跟踪误差效果图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明涵盖任何由权利要求定义的在本发明的精髓和范围上做的替代、修改、等效方法及方案。为了使公众对本发明有更好的了解，在具体实施方式中对本发明的细节描述中，详尽描述了一些特定的细节部分，对于未描述的部分，均为本领域技术的常规技术。

小型拖拉机换档执行机构控制系统，参见图1，包括控制器，所述控制器1与接通信模块2、位移检测模块3、电源转换模块4、电机驱动模块5、电流检测模块6和故障诊断处理模块7分别联接，电机驱动模块与电源转换模块及电流检测模块分别联接。

控制器1采用STM32F103C8T6微处理器作为换挡执行机构控制系统的主控芯片，它负责完成数据的接收、采集、计算及控制输出功能。

通信模块2采用CAN通信收发形式，并设计以TJA1050芯片为主的CAN通信收发器。电源转换模块3从车载蓄电池获取基准电压，一路通过12V稳压电路后为换档电机提供工作电压，另一路经过以TPS65381芯片为主的变压模块获得3.3V和5V电压为控制器及外围电路供电。

电机驱动模块4为换档电机提供控制电压或电流，根据PWM脉宽调制方法控制直流电机，采用HIP408作为直流电机驱动芯片并选用IRF3205型号MOSFET管设计H桥电路。

电流检测模块5选用5mR精密采样电阻采集流经换档电机的电流并选用AD8418电流检测芯片进行采样和电压转换。控制器以电压反馈形式对输出电压进行监控和反馈控制，可避免因控制失控对换档系统造成的损坏。

位移检测模块6由电位计和信号调理电路组成，用于实时检测滚珠丝杠的位移。

故障诊断处理模块7由定时器一、定时器二、扭矩传感器和报警显示器组成。定时器一和定时器二皆取之STM32F103C8T6微处理器内部定时器，其中定时器一用于定时周期性对电机输出扭矩进行采集、计算对比，定时器二用于对每次换档位置跟踪控制所用时间的监测。选择接触式扭矩传感器对电机输出端扭矩进行采集并配置调理电路，报警显示器由喇叭、发光灯、光耦等组成，用于在电机失效状态下的报警提示。

小型拖拉机换档执行机构控制系统的控制方法，参考图3，控制器1将通信模块2接收到上位机发送的滚珠丝杠位置转换为期望位移，并将应该期望位移作为设定值，以位移检测模块输出值为反馈，采用基于有限时间自适应的控制方法对换档执行机构位置进行控制，包括以下步骤：

(1)建立换档电机和滚珠丝杠系统模型，选取换挡执行机构中的滚珠丝杠的位移、速度和加速度为系统的状态变量，以滚珠丝杠的位移作为系统的输出，写出换档执行机构状态空间表达式如下：

其中，J

(2)基于反步法控制原理，设计基于有限时间自适应的档位位置跟踪控制器。首先定义系统误差变量如下：

其中，x

定义虚拟误差变量α

其中k

定义第一个子系统的Lyapunov函数并计算其导数如下：

(3)引入第三个误差变量z

定义虚拟误差变量α

其中k

定义第二个子系统的Lyapunov函数并计算其导数如下：

(4)计算z

令κ＝1/b，

其中，k

其中，γ

所述控制器1按照步骤(4)计算得到控制律并输出电压至电机驱动模块5控制换档电机和滚珠丝杠运动，并通过电流检测模块6对输出电压进行反馈控制，同时，故障诊断处理模块7启动定时器二，如果在设定时间内滚珠丝杠未达到期望位置则控制器1自动将期望位置设成空档位置。另外，故障诊断处理模块7通过定时器一设定时间，周期性采集扭矩传感器信号并与控制器计算得到的扭矩值进行对比，如果偏差绝对值大于设定值，则切断电源转换模块4与电机驱动模块5的连接并启动报警显示器。

图3所示，小型拖拉机换档执行机构控制系统的控制方法，包括如下步骤：

S1：系统上电后进行初始化；

S2：控制器通过CAN收发器接收上位机发送的档位信号；

S3：通过位移检测模块采集滚珠丝杠的位置；

S4：将收到的档位信号与滚珠丝杠的位置进行比较，判断是否需要换档控制，如果不需要进行换档控制，则返回S2；如果需要换档控制，则执行S5,S6和S13；

S5：如果需要进行换档控制，则执行基于有限时间自适应的位置控制程序；

S6：启动计时器2；

S7：根据有限时间自适应的位置控制程序输出PWM对换档电机进行控制；

S8：通过电流检测模块对流经电机的电流进行检测，并转化为电压输入至控制器；

S9：将检测电压与基于有限时间自适应的位置控制程序计算电压比较，判断是否达到；如果没达到，则返回S7；

S10：达到期望电压，判断定时器二计数时长是否大于设定时间，如果耗时已大于设定时间，则执行S11并返回S3；

S11：将目标档位设为空档位；

S12：判断滚珠丝杠是否达到期望档位位置，如果已达到，则返回S2，如果没达到则返回S5；

S13：启动定时器一，用于周期性诊断电机是否失效；

S14：判断定时时长是否达到，如果没达到则继续等待，如果达到则执行S15；

S15：控制器根据档位控制程序计算输出扭矩T1；

S16：控制器通过扭矩传感器获取电机输出扭矩T2；

S17：判断T1与T2之差绝对值是否大于设定值ΔT，如果差值不大于ΔT则返回S13；如果差值大于ΔT则执行S18；

S18：启动报警显示器，发出声光报警信号。

为验证提出方法的有效性，本发明实施例通过MATLAB软件中的SIMULINKL组件进行仿真实验，同时引入传统自适应控制方法做比较。使用幅值为5的坡度信号作为期望档位来测试两种控制策略的响应状况，其仿真结果图如图4、图5所示，实线为期望位移设定值，点画线为传统自适应控制方法，虚线为有限时间自适应控制方法。从图中可以看出，两种控制方法均能对坡度信号实现较好的响应和良好的跟踪效果。与传统的自适应控制器相比，本发明给出的基于有限时间自适应控制策略收敛速度也更快，位置跟踪过程中超调量更小。

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。