CN107366739B - 农业机械hst传动系统的电动调速机构及其测控方法 - Google Patents

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Abstract

一种农业机械HST传动系统的电动调速机构，由电子摇杆手柄、步进电机减速器和曲柄连杆机构三部分组成。手柄上的锁止头落在伞形板的弧面上任何一个V形槽内，构成车速档位，伞形板中央的U形槽作为停车档位，手柄滑过停车档位时必然被止住，需拉动拉钮才可使手柄离开此停车档位。步进电机减速器上的曲柄角度传感器输出轴的转动角度，计算机以此角度读数精确控制调速的档位；输出轴上曲柄的尾部凸起，与一块中间部位为凹坑的弧形压板接触，停车时曲柄的凸起和压板的凹坑嵌入啮合。当行驶的车辆需要停车时，以此凹、凸的锁止结构保障电动调速机构可靠地控制车辆停车。此电动调速机构不仅可被计算机信号控制调速，而且其双机械式锁止结构提高了停车的可靠性。

Description

农业机械HST传动系统的电动调速机构及其测控方法
技术领域
本发明属于农业机械领域，具体涉及调速控制机构及其测控方法。
背景技术
HST是Hydrostatie transoission的缩写，称为静压传动系统，它内含两个柱塞泵，一个作为油泵，另一个作为液压马达，调节液压泵的斜盘角度，使得液压油的油压和流量产生变化，液压马达的转速随之变化，液压马达的输出轴联结行走减速器，即可达到行车速度无极变速的目的。HST传动系统的操作非常方便，被普遍地应用于农业机械，例如高速插秧机、联合收割机的行走变速机构中，通常由一支调速手柄通过连杆机构来扳动液压泵的外伸轴。农业机械的HST传动箱的液压泵的外伸轴一般只能旋转45°，当处于旋转的中间位置时，液压马达不转动，即为农业机械停车档的位置；当处于其他位置时，液压马达转动，而且越是偏离中间位置，液压马达的转速越快，农业机械的行走速度也越快，当正向旋转时，车辆向前运动，否则后退运动。
现今自动驾驶技术已经应用于农业机械，实现了插秧机(中国专利201210169043.3)、拖拉机(中国专利201010149934.3)的自动驾驶，由计算机代替人完成了方向盘或转向手柄的操控，可是，这样的自动驾驶系统还需要一名驾驶员控制车速，不能实现车载无人化作业的目的，机器换人的效果还不是特别显著。收割机自动驾驶系统(中国专利201410413403.9) 提出了一种电动HST调速机构，能够实现计算机控制车速的目的，但该机构纯依赖转角传感器测量HST变速箱的伸出轴的转动角度，存在无法精准停车，以及自复位式手柄的操纵手感欠佳的缺点，距离实际应用还有一定的差距。现有的收割机或插秧机，在手柄的摇摆幅度的中间位置设置了一个“Z”形折角过渡，以避免由于人为操作失误使得车辆突然改变运动方向，保障了驾驶车辆的安全性，但这种“Z”形折角过渡却不利于被电动调速机构所改造或控制。
发明内容
为了克服现有HST传动系统的电动调速技术的不足，本发明提供了一种改进的农业机械 HST传动系统的电动调速机构及其测控方法，既利用了电动调速可被计算机控制的优点，又利用了机械机构可靠性好的优点。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：农业机械HST传动系统的电动调速机构由电子摇杆手柄、步进电机减速器和曲柄连杆机构三部分组成。电子摇杆手柄由手柄、壳体、伞形板、数码显示屏、手柄角度传感器和ECU组成，壳体面板的一侧是数码显示屏，另一侧是手柄，手柄是一支插在U型架上的空心管，此U型架的另一端有一支转轴构成手柄的转动中心，手柄的顶部是旋入的球头帽，球头帽的上半部分嵌入了一只手动/自动开关，球头帽下半部分的内孔直径较大，使得一段弹簧被套在手柄的外部与球头帽的内孔之间，该弹簧的另一侧是一只套在空心管外部的拉钮，在手柄与拉钮重合的部位处，手柄的轴线方向上开出一段穿透的长槽，一根销子恰好穿透拉钮使得它可沿手柄上下滑动，该销子同时也穿过一支手柄内的拉杆的上端，该拉杆的下端螺纹联结了一颗锁止头，它的钝角头可落在伞形板的弧面上任何一个V形槽内。伞形板的弧面的圆心与手柄的转动中心同轴，且固定在壳体内的支架上，伞形板的弧面上共有14个V形槽，呈对称分布，其中央为U形槽，作为停车档位。手柄角度传感器的伸出轴与手柄的转轴同轴，且其伸出轴通过一只联轴器与手柄的转轴同时转动，该传感器的本体固定在支架上。ECU位于壳体的底部，是调速控制的核心部件。中央U形槽的设置，使得手动操纵调速时，手柄滑过停车档位时必然止住手柄，避免由于人为操作失误使得车辆突然改变运动方向；任何从停车档开始的手动调速操纵，必须先拉起拉钮，使锁止头脱离U形槽；按下手动/自动开关，可使操纵调速在手动控制与计算机控制之间切换。
步进电机减速器由步进电机、动力传动齿轮组、转角传动齿轮组和曲柄角度传感器构成，步进电机固定在箱体上，其输出扭矩通过动力传动齿轮组的减速增扭处理，由动力传动齿轮组的最后一个齿轮Z6驱动输出轴转动。输出轴通过平键联结驱动齿轮Z7，齿轮Z8紧配套在曲柄角度传感器的伸出轴上，通过齿轮Z7与齿轮Z8啮合，把输出轴的转动角度传递到曲柄角度传感器。
曲柄连杆机构的结构是：曲柄联结在输出轴的伸出端，它的尾部呈梯形凸起，一块弧形压板与此曲柄的梯形凸起接触，此弧形压板的中间部位有一可使曲柄的梯形凸起嵌入的梯形凹坑，此弧形压板的一端铰接在箱体表面上，另一端与一只固定在箱体表面上的电磁铁的推拉杆铰接。连杆的两端分别采用球铰链的形式与曲柄和摇杆联结，摇杆是以HST传动箱的外伸轴为转动中心的，可往复转动45°。设置停车档位的方法是：在装配生产线上，使曲柄的梯形凸起嵌入弧形压板的凹坑中，锁住步进电机，调整连杆的长度，使收割机的履带完全停止转动，记录该位置时的曲柄角度传感器的测量数值——作为停车档位的设置数值P0；解锁步进电机，转动摇杆使连杆下降到最低的位置，记录该位置的测量数值作为车辆后退档位的极限设置数值R7；转动摇杆使连杆上升到最高的位置，记录该位置的测量数值作为车辆前进档位的极限设置数值D7。当需要停车时，无论手动控制速度，或由外部指令控制速度，曲柄转动到停车档位时，弧形压板使得这套梯形凸起和梯形凹坑啮合，HST传动箱的摇杆以机械机构的形式被非常牢靠地定位在停车位置。
当车辆处于手动控制速度模式时，转动手柄到任意档位，ECU将按照设定的档位号控制收割机的行驶方向和速度，其前进档位的曲柄角度传感器的设置为：
其后退档位的曲柄角度传感器的设置为：
其中，n——档位序号，
当车辆处于自动控制速度模式时，档位序号n和车辆的行驶方向是由外部指令设置的，此时，手柄的档位与实际速度无关。
ECU以单片机为核心，采集开关、角度信号，输出控制信号和数字显示信号，具体是：手柄角度传感器的信号输出端与ECU的接线端子电连接，信号通过由运输放大器构成的滤波电路接入到单片机的RA0引脚；曲柄角度传感器的信号输出端与ECU的接线端子电连接，信号通过由运输放大器构成的滤波电路接入到单片机的RA1引脚；手动/自动开关的信号输出端与ECU的接线端子电连接，通过光耦U1接入到单片机的RA2引脚；单片机的RB5、RB0、 RB1这3只引脚分别连接到3只开关三极管的基极，这3只开关三极管的射极分别与步进电机驱动器的PWM、方向、使能端口电连接；单片机的RC5、RC3、RC2与数码显示屏的SDO、SCK、RCK引脚电连接；单片机的RC7引脚依次连接光耦U2、功率三极管Q4的基极，该功率三极管Q4的集电极连接蜂鸣器；单片机的RC6引脚依次连接光耦U14、功率三极管Q5 的基极，该功率三极管Q5的集电极连接电磁铁；此外，单片机的RB2和RB3引脚连接CAN 驱动芯片的TXD和RXD引脚，CAN驱动芯片的CANH和CANL再连接到CAN接线端子，使得ECU可与外界进行数据通讯。
上述ECU的内部软件运行流程是：首先，初始化单片机的各模块，包括：配置各I/O引脚，单片机的RA0和RA1引脚初始化为模拟量输入端口来采集手柄角度传感器和曲柄角度传感器的输出值，其余I/O引脚被初始化为数字量输入输出；初始化设置AD相关的寄存器，设置采样的频率、分辨率；初始化SPI相关的寄存器，设置同步脉冲频率、主从模式；初始化CAN模块，设置波特率、ID地址，开启CAN通讯中断；初始化定时器0，产生一个1ms 的定时器；检查手柄是否在停车档位，如果不是，则调整到停车档位，完成初始化。然后软件进入巡回监测模式，轮流查询手动/自动开关的信号、定时器中断事件与通讯中断事件。当发生手动/自动切换的信号时，软件延时防抖处理后，确认信号仍然有效，则切换手动/自动的工作模式；当定时器中断事件发生时，启动一次AD转换，从RA0采集信号，读当前手柄角度传感器的数值，如果档位发生变化，且处于手动工作模式时，则更新目标档位，刷新数码显示屏，设置RB0为步进电机需要的旋转方向，启动PWM脉冲波从RB5输出驱动步进电机转动；此后，每当定时器事件时，读曲柄角度传感器的数值，检查曲柄是否已经到了目标位置，如果是，则停止PWM脉冲波的输出从而停止步进电机的转动，否则不做任何处理；当CAN通讯事件发生时，辨别指令的类型，做出相应的处理：若是手动或自动工作模式设置指令，则按照指令设置工作模式，刷新数码显示屏；若是设置档位指令，且为自动工作模式，则启动一次AD转换，从RA1采集信号，读出曲柄角度传感器的数值，与设定档位比较，决定是否启动步进电机而调整档位；若是读取当前手柄角度传感器数据时，启动一次AD转换，从RA0采集信号，数值通过CAN驱动芯片发送出去；若是读取当前曲柄角度传感器的数据时，启动一次AD转换，从RA1采集信号，数值通过CAN驱动芯片发送出去。无论手动控制速度，或自动控制速度，在控制车辆停车时，曲柄的梯形凸起必然陷入弧形压板的梯形凹坑，此时即使曲柄角度传感器的读数距离停车档位还存在差值，电磁铁推杆的推力使得曲柄无法再转动；在控制车辆向前运动或向后运动时，在启动PWM脉冲波的同时，RC6引脚都需要设为低电平，使电磁铁线圈得电动作，控制弧形压板拉开从而使其梯形凹坑与曲柄的梯形凸起脱开，延时1s后，确保曲柄的梯形凸起已经转出弧形压板的梯形凹坑区域，RC6引脚重新设为高电平，使电磁铁线圈失电，从而弧形压板仍然与曲柄保持接触，以便下次停车控制时曲柄的凸起陷入弧形压板的凹坑。
本发明的有益效果是使得HST传动系统的电动调速机构不仅可被计算机控制，而且其停车档位是被机械式机构锁住的，并且电子摇杆手柄的操纵方法接近传统的机械式手柄，提高了电动调速机构的可靠性。此机构可用于高速插秧机、履带式收割机、履带式旋耕机这些采用了HST传动系统的农业机械，实现车辆速度的计算机控制，并融入自动导航系统中，构成无人驾驶型的农业机械。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1是电动调速机构构造的一个实施例。
图2是电子摇杆手柄构造的一个实施例。
图3是步进电机减速器构造的一个实施例。
图4是曲柄连杆机构构造的一个实施例。
图5是ECU电路原理的一个实施例。
图6是ECU的软件流程的一个实施例。
图中，1.电子摇杆手柄，2.数码显示屏，3.车架，4.步进电机减速器，5.曲柄连杆机构，6.HST 传动箱，7.球头帽，8.手动/自动开关，9.弹簧，10.销子，11.拉钮，12.手柄，13.拉杆，14. 防尘罩，15.锁止头，16.伞形板，17.壳体，18.ECU，19.接线端子，20.手柄角度传感器，21. 联轴器，22.支架，23.转轴，24.U形架，25.步进电机，26.箱体，27.输出轴，28.齿轮Z6， 29.齿轮Z7，30.曲柄角度传感器，31.齿轮Z8，32.弧形压板，33.曲柄，34.电磁铁，35.连杆，36.摇杆，37.蜂鸣器，38.光耦U1，39.功率三极管Q4，40.功率三极管Q5，41.光耦U2， 42.光耦U14，43.开关三极管，44.CAN驱动芯片，45.运算放大器,46.单片机
具体实施方式
图1是电动调速机构构造的一个实施例，从上到下依次是电子摇杆手柄(1)、车架(3)、步进电机减速器(4)、曲柄连杆机构(5)和HST传动箱(6)。电子摇杆手柄(1)的壳体(17)和步进电机减速器(4)的箱体(26)固定于车架(1)上。
图2是电子摇杆手柄(1)构造的一个实施例，它主要由手柄(12)、壳体(17)、伞形板(16)、数码显示屏(2)、手柄角度传感器(20)和ECU(18)组成，壳体(17)面板的一侧是数码显示屏(2)，另一侧是手柄(12)，手柄(12)是一支插在U型架(24)上的空心管，此U型架的另一端有一支转轴(23)构成手柄(12)的转动中心，手柄(12)的顶部是旋入的球头帽(7)，球头帽(7)的上半部分嵌入了一只手动/自动开关(8)，球头帽(7)下半部分的内孔直径较大，使得一段弹簧(9)被套在手柄(12)的外部与球头帽(7)的内孔之间，该弹簧(9)的另一侧是一只套在空心管外部的拉钮(11)，在手柄(12)与拉钮(11)重合的部位处，手柄(12)的轴线方向上开出一段穿透的长槽，一根销子(10)恰好穿透拉钮使得它可沿手柄(12)上下滑动，该销子(10)同时也穿过一支手柄(12)内的拉杆(13)的上端，该拉杆(13)的下端螺纹联结了一颗锁止头(15)，它的钝角头可落在伞形板(16)的弧面上任何一个V形槽内。伞形板(16)的弧面的圆心与手柄(12)的转动中心同轴，且固定在壳体(17)内的支架(22)上，伞形板(16)的弧面上共有14个V形槽，呈对称分布，其中央为U形槽，作为停车档位。手柄角度传感器(20)的伸出轴与手柄(12)的转轴(23) 同轴，且其伸出轴通过一只联轴器(21)与手柄(12)的转轴(23)同时转动，该传感器的本体固定在支架(22)上。ECU(18)位于壳体(17)的底部，是调速控制的核心部件。
图3是步进电机减速器(4)构造的一个实施例，步进电机减速器(4)由步进电机(25)、动力传动齿轮组、转角传动齿轮组和曲柄角度传感器(30)构成，步进电机(25)固定在箱体(26)上，其输出扭矩通过动力传动齿轮组的减速增扭处理，由动力传动齿轮组的最后一个齿轮Z6(28)驱动输出轴(27)转动。输出轴(27)通过平键联结驱动齿轮Z7(29)，齿轮Z8(31)紧配套在曲柄角度传感器(30)的伸出轴上，通过齿轮Z7(29)与齿轮Z8(31) 的啮合，把输出轴(27)的转动角度传递到曲柄角度传感器(30)。
图4是曲柄连杆机构(5)构造的一个实施例，在输出轴(27)的伸出端平键联结一只曲柄(33)，它的尾部呈梯形凸起，一块弧形压板(32)与此曲柄(33)的梯形凸起接触，此弧形压板(32)的中间部位有一可使曲柄(33)的梯形凸起嵌入的梯形凹坑，此弧形压板(32) 的一端铰接在箱体(26)表面上，另一端与一只固定在箱体(26)表面上的电磁铁(34)的推拉杆铰接。连杆(35)的两端分别采用球铰链的形式与曲柄(33)和摇杆(36)联结，摇杆(36)是以HST传动箱(6)的外伸轴为转动中心的，可往复转动45°。设置停车档位的方法是：在装配生产线上，使曲柄(33)的梯形凸起嵌入弧形压板(32)的凹坑中，锁住步进电机(4)，调整连杆(35)的长度，使收割机的履带完全停止转动，记录该位置时的曲柄角度传感器(30)的测量数值——作为停车档位的设置数值P0；解锁步进电机(4)，转动摇杆(36)使连杆(35)下降到最低的位置，记录该位置的测量数值作为车辆后退档位的极限设置数值R7；转动摇杆(36)使连杆(35)上升到最高的位置，记录该位置的测量数值作为车辆前进档位的极限设置数值D7。
图5是ECU电路原理的一个实施例。ECU(18)以单片机(46)为核心，采集开关、角度信号，输出控制信号和数字显示信号，具体是：手柄角度传感器(20)的信号输出端与ECU(18)的接线端子(19)电连接，信号通过由运输放大器(45)构成的滤波电路接入到单片机(46)的RA0引脚；曲柄角度传感器(30)的信号输出端与ECU(18)的接线端子(19) 电连接，信号通过由运输放大器构(45)成的滤波电路接入到单片机(46)的RA1引脚；手动/自动开关(8)的信号输出端与ECU(18)的接线端子(19)电连接，通过光耦U1(38) 接入到单片机(46)的RA2引脚；单片机(46)的RB5、RB0、RB1这3只引脚分别连接到 3只开关三极管(43)的基极，这3只开关三极管(43)的射极分别与步进电机(25)驱动器的PWM、方向、使能端口电连接；单片机(46)的RC5、RC3、RC2与数码显示屏(2) 的SDO、SCK、RCK引脚电连接；单片机(46)的RC7引脚依次连接光耦U2(41)、功率三极管Q4(39)的基极，该功率三极管Q4(39)的集电极连接蜂鸣器(37)；单片机(46) 的RC6引脚依次连接光耦U14(42)、功率三极管Q5(40)的基极，该功率三极管Q5(40) 的集电极连接电磁铁(34)；此外，单片机(46)的RB2和RB3引脚连接CAN驱动芯片(44) 的TXD和RXD引脚，CAN驱动芯片(44)的CANH和CANL再连接到CAN接线端子，使得ECU(18)可与外界进行数据通讯。
图6是ECU的软件流程的一个实施例。首先，初始化单片机(46)的各模块，包括：配置各I/O引脚，单片机(46)的RA0和RA1引脚初始化为模拟量输入端口来采集手柄角度传感器(20)和曲柄角度传感器(30)的输出值，其余I/O引脚被初始化为数字量输入输出；初始化设置AD相关的寄存器，设置采样的频率、分辨率；初始化SPI相关的寄存器，设置同步脉冲频率、主从模式；初始化CAN模块，设置波特率、ID地址，开启CAN通讯中断；初始化定时器0，产生一个1ms的定时器；检查手柄(12)是否在停车档位，如果不是，则调整到停车档位，完成初始化。然后软件进入巡回监测模式，轮流查询手动/自动开关(8) 的信号、定时器中断事件与通讯中断事件。当发生手动/自动切换的信号时，软件延时防抖处理后，确认信号仍然有效，则切换手动/自动的工作模式；当定时器中断事件发生时，启动一次AD转换，从RA0采集信号，读当前手柄角度传感器(20)的数值，如果档位发生变化，且处于手动工作模式时，则更新目标档位，刷新数码显示屏(2)，设置RB0为步进电机(25) 需要的旋转方向，启动PWM脉冲波从RB5输出驱动步进电机(25)转动；此后，每当发生定时器事件时，读曲柄角度传感器(30)的数值，检查曲柄(33)是否已经到了目标位置，如果是，则停止PWM脉冲波的输出从而停止步进电机(25)的转动，否则不做任何处理；当CAN通讯事件发生时，辨别指令的类型，做出相应的处理：若是手动或自动工作模式设置指令，则按照指令设置工作模式，刷新数码显示屏(2)；若是设置档位指令，且为自动工作模式，则启动一次AD转换，从RA1采集信号，读出曲柄角度传感器(30)的数值，与设定档位比较，决定是否启动步进电机(25)来调整档位；若是读取当前手柄角度传感器(20) 数据时，启动一次AD转换，从RA0采集信号，数值通过CAN驱动芯片(44)发送出去；若是读取当前曲柄角度传感器(30)的数据时，启动一次AD转换，从RA1采集信号，数值通过CAN驱动芯片(44)发送出去。无论手动控制速度，或自动控制速度，在控制车辆停车时，曲柄(33)的梯形凸起必然陷入弧形压板(32)的梯形凹坑，此时即使曲柄角度传感器 (30)的读数距离停车档位还存在差值，电磁铁(34)推杆的推力使得曲柄(33)无法再转动；在控制车辆向前运动或向后运动时，在启动PWM脉冲波的同时，RC6引脚都需要设为低电平，使电磁铁(34)线圈得电动作，控制弧形压板(32)拉开从而使其梯形凹坑与曲柄 (33)的梯形凸起脱开，延时1s后，确保曲柄(33)的梯形凸起已经转出弧形压板(32)的梯形凹坑区域，RC6引脚重新设为高电平，使电磁铁(34)线圈失电，从而弧形压板(32) 仍然与曲柄(33)保持接触，以便下次控制停车时曲柄(33)的梯形凸起自然地陷入弧形压板(32)的梯形凹坑内。

Claims (2)

1.一种农业机械HST传动系统的电动调速机构，由电子摇杆手柄、步进电机减速器和曲柄连杆机构三部分组成，电子摇杆手柄的球头帽的上半部分嵌入了一只手动/自动开关，球头帽的下半部分依次排列弹簧、拉钮，在手柄与拉钮重合的部位处，手柄的轴线方向上开出一段穿透的长槽，一根销子恰好穿透拉钮使得它可沿手柄上下滑动，该销子同时也穿过一支手柄内的拉杆的上端，该拉杆的下端螺纹联结了一颗锁止头，它的钝角头可落在伞形板的弧面上任何一个V形槽内；伞形板的弧面上共有14个V形槽，呈对称分布，其中央为U形槽，作为停车档位；手柄角度传感器的伸出轴与手柄的转轴同轴，且其伸出轴通过一只联轴器与手柄的转轴同时转动；手动操纵调速时，手柄滑过U形槽时必然被止住；任何从停车档开始的手动调速操纵，必须先拉起拉钮，其特征在于：曲柄联结在输出轴的伸出端，它的尾部呈凸起，一块弧形压板与此曲柄的凸起接触，此弧形压板的中间部位有一可使曲柄的凸起嵌入的凹坑，此弧形压板的一端铰接在箱体表面上，另一端与一只固定在箱体表面上的电磁铁的推拉杆铰接；只要曲柄的凸起转动到此凹坑位时，曲柄必然止住，调整连杆的长度使此位置为停车位。
2.按照权利要求1所述的农业机械HST传动系统的电动调速机构，其特征是：ECU软件轮流查询手动/自动开关的信号、定时器中断事件与通讯中断事件，当发生手动/自动切换的信号时，切换手动/自动的工作模式；当定时器中断事件发生时，启动一次AD转换，读当前手柄角度传感器的数值，如果档位发生变化，且处于手动工作模式时，则更新目标档位，刷新数码显示屏，设置旋转方向，启动PWM脉冲波驱动步进电机转动，此后，每当发生定时器事件时，读曲柄角度传感器的数值，检查曲柄是否已经到了目标位置，如果是，则停止PWM脉冲波的输出从而停止步进电机的转动，否则不做任何处理；当CAN通讯事件发生时，辨别指令的类型，做出相应的处理：若是手动或自动工作模式设置指令，则按照指令设置工作模式，刷新数码显示屏；若是设置档位指令，且为自动工作模式，则启动一次AD转换，读出曲柄角度传感器的数值，与设定档位比较，决定是否启动步进电机来调整档位；无论手动控制速度，或自动控制速度，在控制车辆停车时，曲柄的凸起必然陷入弧形压板的凹坑，此时即使曲柄角度传感器的读数距离停车档位还存在差值，电磁铁推杆的推力使得曲柄无法再转动；在控制车辆向前运动或向后运动时，在启动PWM脉冲波的同时，使电磁铁线圈得电动作，控制弧形压板拉开从而使其凹坑与曲柄的梯形凸起脱开，延时1s后，确保曲柄的凸起已经转出弧形压板的凹坑区域，使电磁铁线圈失电，从而弧形压板仍然与曲柄保持接触，以便下次控制停车时曲柄的凸起自然地陷入弧形压板的凹坑内。
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