農機自動導航電動方向盤直驅電機性能測試分析

摘要：電動方向盤傳動緊湊，對農業機械轉向系統改動小，是農機自動導航技術的關鍵部件。該文介紹了基于電動方向盤的農機自動導航系統和電動方向盤結構特點，針對國內三款電動方向盤進行了扭矩-轉速特性和正常工作電壓性能測試，試驗結果表明，三款電動方向盤電機的可控運行轉速范圍分別為0-200 r/min、0-109 r/min和0-100 r/min，輸出功率大小為WA > WB> WC；電流大小為IA>IB>IC，其中A款電動方向盤帶載能力最強。將A款和B款電動方向盤安裝到拖拉機上進行了田間試驗，結果表明A款和B款電動方向盤導航拖拉機跟蹤直線路徑的位置誤差標準差分別為1.86cm和1.60cm，最大誤差分別為-2.9cm和2.9cm。

關鍵詞：電動方向盤；農機導航；性能；測試

引言

近年來，農機自動導航技術在我國的應用范圍不斷擴大，特別是在新疆和黑龍江的播種作業中。采用自動導航技術可提高農機直線行駛和作業的精度，減少重疊和對行誤差，降低駕駛員疲勞強度，國內外使用結果表明，自動轉向技術是農業機械自動導航技術的關鍵技術之一[1,2]，農機自動轉向技術主要有電控液壓轉向和電動方向盤控制轉向兩種方式。電控液壓轉向方式在農機轉向系統上并聯增加電控液壓轉向系統，其控制功率大，響應快，但在拖拉機上后裝改造比較困難。電動方向盤轉向方式采用電機驅動農機轉向方向盤，其傳動機構緊湊，安裝簡單，對農業機械轉向系統改動小，是農機自動導航技術的發展方向之一[3,4]。約翰迪爾和拓普康等企業已在我國投放相關產品，取得了良好成效。國內相關企業也推出了幾款電動方向盤產品。但尚未見對電動方向盤的性能進行測試分析的報道，本文對三款國產的農機自動導航電動方向盤進行性能測試和分析，為農機自動導航系統的電動方向盤選型和改進提供參考。

1 電動方向盤自動導航系統

（1）電動方向盤在自動導航系統中的應用

電動方向盤自動導航系統主要包括電動方向盤、自動駕駛控制器、顯示屏、角度傳感器和北斗/GNSS定位系統，如圖1所示。北斗/GNSS定位系統獲得農機高精度位置信息，通過控制方向盤驅動農機自動轉向，控制農機按直線和曲線等規劃路線作業，實現對農機自動導航控制。電動方向盤替代了傳統農機自動導航系統中的液壓閥組，也適用于非液壓轉向系統農機的自動導航。

（2）電動方向盤分類

電動方向盤是農機自動導航系統的末端執行機構，主要包括方向盤、電機和控制器，其內置編碼器，采用矢量控制算法和PID算法等實現對方向盤角度的精確控制，代替原方向盤直接驅動轉向機構實現農機自動轉向。目前電動方向盤可分為電機傳動式和電機直驅式。

電機傳動式電動方向盤主要包括方向盤、電機、花鍵套、固定座、轉向軸和轉向軸固定筒，如圖3所示。方向盤通過花鍵套與轉向軸連接，電機通過傳動機構驅動方向盤轉動，從而實現農機轉向自動控制。

1.方向盤2.電機 3.花鍵套 4.固定座5.轉向軸 6.轉向軸固定筒

電機直驅式電動方向盤由方向盤、花鍵套、電機、轉向軸、固定座和轉向軸固定筒組成，如圖4所示。按運動結構分為固定部分和轉動部分，固定部分是圓柱形電機定子部分，通過固定支架安裝于農機的轉向柱固定筒上；轉動部分包括電機的轉子、方向盤以及花鍵套，其中花鍵套上部通過螺釘固定在轉子上，下端通過齒輪嚙合連接到農機的轉向柱上。

1.方向盤2.花鍵套 3.電機 4.轉向軸5.固定座 6.轉向軸固定筒

2 電動方向盤性能測試與結果分析

目前國產的電動方向盤主要為電機直驅式，為系統了解電機直驅式電動方向盤性能，本文選取了三款國產電機直驅式電動方向盤進行測試，分別記為A、B和C。

2.1 電動方向盤性能指標

（1）扭矩-轉速性能

電機能在一定范圍內自動調節轉矩和轉速的關系，在電機最大轉矩范圍內，轉矩將隨轉速下降而增大[5]。農機在作業過程中受地面影響，轉向輪受力時刻變化，尤其是水田農業機械，因此，電動方向盤的扭矩-轉速性能對農機自動導航系統的控制精度影響較大。

（2）工作電壓范圍

電動方向盤工作電壓由農機蓄電池提供，蓄電池輸出電壓受農機啟動電機、發電機等影響，電壓波動范圍大，因此，電動方向盤穩定工作電壓范圍越大，對農機作業的適應性越好。

2.2 電動方向盤測試平臺與方法
電動方向盤測試平臺示，平臺主要采用微機控制電機輸入輸出參數測試系統（浙江海門電子儀器廠，型號JDC-3C），該系統可同步測試電機的輸入電壓、電流、功率（功率因數）和輸出的轉矩、轉速、輸出功率及效率，有鎖存、打印、自動測試等功能，并能按用戶的要求格式繪制相關曲線。該裝置的轉矩及轉速的測量精度為0.5級，電壓、電流和功率的測量誤差為±（0.25%讀數+0.25%量程）。扭矩-轉速性能測試固定電機轉速，從0-8 N·m漸進增加負載，測量記錄電機的速度、輸出功率、電壓、電流、輸入功率和效率的變化。工作電壓范圍測試時對電動方向盤提供7-36V供電電壓，測試記錄方向盤正常工作電壓

2.3 平臺測試結果分析

（1）扭矩-轉速性能

將電機設定在轉速為30r/min、60r/min、80r/min和100r/min進行變載測試，負載變化范圍為0-8N·m，記錄電機的實際轉速。圖6為三款電動方向盤電機扭矩-轉速曲線，A款電動方向盤電機在最大負載不超過7.1N·m時轉速能在設定范圍內穩定運行，而B款最大可達8N·m，但A款帶載能力強。C款電動方向盤的電機為步進電機，負載接近3N·m時電機轉速即明顯下降。

對A款和B款電動方向盤在60r/min進行了測試，兩款電動方向盤在負載變化時轉速均有變化，如圖7所示。C款電動方向盤的電機在負載從0N·m-2N·m變化時，同一負載力矩時隨著速度的增加電機降速越頻繁。

A和B兩款方向盤測試轉速數據所示。30r/min時A款電動方向盤的轉速方差和均方差小于B款；60r/min、80r/min和100r/min時，B款的轉速方差和均方差小于A款。

（2）工作電壓范圍

三款電動方向盤正常工作電壓測試結果如表3所示，A款額定工作電流為11A，正常工作電壓范圍9.96-22.12V；B款額定工作電流為7.4A，正常工作電壓范圍8.42-18.28V；C款額定工作電流僅1.5A。三款電動方向盤均具有電壓反接保護功能。

2.4 田間試驗與結果分析

將電動方向盤安裝在雷沃重工股份有限公司阿波斯P1104-1L拖拉機上，導航控制系統采用雷沃雙天線GNSS導航控制器，根據電動方向盤控制通訊協議修改導航控制器通訊協議，安裝電動方向盤自動導航系統的自動導航拖拉機如圖8所示。在山東省濰坊市試驗基地進行了試驗，采用相同導航控制系統和控制參數對A和B款電動方向盤分別進行了測試，兩組測試在相同作業路徑上進行，作業速度0.7-2.8m/s，圖9所示為安裝A款電動方向盤自動導航拖拉機一段直線路徑跟蹤時控制期望轉速和實際轉速的數據。統計同一段路徑A和B款電動方向盤測試結果顯示，A款和B款電動方向盤導航拖拉機跟蹤直線路徑的位置誤差標準差分別為1.86cm和1.60cm，最大誤差分別為-2.9cm和2.9cm。

3 結論

電機是電動方向盤的核心部件，通過測試獲得了電動方向盤電機性能，A、B和C三款電動方向盤電機的可控運行轉速范圍分別為0-200 r/min、0-109 r/min和0-100 r/min，輸出功率大小為WA > WB> WC；電流大小為IA>IB>IC，A款電動方向盤帶載能力最強、正常工作電壓范圍大。

電動方向盤易與現有農機自動導航系統實現農機自動導航控制，拖拉機自動導航田間試驗結果表明采用電動方向盤導航控制精度高，A款和B款電動方向盤導航拖拉機跟蹤直線路徑的位置誤差標準差分別為1.86cm和1.60cm，最大誤差分別為-2.9cm和2.9cm，能滿足農業生產需求。

參考文獻

[1]張智剛, 羅錫文, 李俊嶺. 輪式農業機械自動轉向控制系統研究[J]. 農業工程學報, 2005(11):85-88.

[2]胡靜濤, 高雷, 白曉平, 等. 農業機械自動導航技術研究進展[J]. 農業工程學報, 2015(10):1-10.

[3]張智剛, 王進, 朱金光, 等. 我國農業機械自動駕駛系統研究進展[J]. 農業工程技術, 2018(18):23-27.

[4]單翔，王理想，張瑞宏. 電機式北斗導航自動駕駛系統應用[J]. 農業裝備技術，2018，44（4）:8-11.

[5]徐 鵬，孟 濤，孫玲玲. 電源電壓對電機性能的影響[J]. 汽車電器，2016，6:43-46.