CN110566661B

CN110566661B - 农业机械hst无级变速的电动推杆调速装置

Info

Publication number: CN110566661B
Application number: CN201910692883.XA
Authority: CN
Inventors: 张方明; 杨林淼; 李佳明
Original assignee: NINGBO YINZHOU MICROAGRI TECHNOLOGY Ltd; Ningbo Institute of Technology of ZJU
Current assignee: NINGBO YINZHOU MICROAGRI TECHNOLOGY Ltd; Ningbo Institute of Technology of ZJU
Priority date: 2019-07-30
Filing date: 2019-07-30
Publication date: 2021-02-09
Anticipated expiration: 2039-07-30
Also published as: CN110566661A

Abstract

一种农业机械HST无级变速的电动推杆调速装置，电动推杆分别与调速手柄的曲柄板、HST无级变速箱的摇杆铰接，一只直线位移传感器并排于电动推杆上，用来测量电动推杆的位移。一只电磁铁拉动的U型叉紧贴于停车档位的短直角过渡槽上，在调速手柄的高出面板15mm的前侧面和后侧面处，4片应变片构成测量电桥，用于感知调速手柄是否被向前推动或向后拉动。电桥的差分信号被ECU中的仪表运放芯片放大后被单片机采集，由程序判断是否需要拉开U型叉使车辆从停车转换为前进，或由前进转变为停车。当调速手柄处于停车档位时，程序接受CAN接口或UART串口的指令，控制车辆的运动状态。本装置兼顾了手动调速操纵与计算机程序的调速操纵，解决了无人驾驶农机的速度控制问题。

Description

农业机械HST无级变速的电动推杆调速装置

技术领域

本发明属于农业机械领域，具体涉及农机速度的计算机控制。

背景技术

HST无级变速已经被普遍地应用于农业机械，比如履带式收割机、履带式旋耕机、高速插秧机等。调速手柄通过连杆机构来驱动HST变速箱的外伸轴的转动，从而控制车辆行驶速度。常规的调速手柄的滑道并不是一条直的长槽，而是在长槽的一半位置存在一个短直角过渡槽，该位置就是控制车辆停止的停车档位，其目的是为了车辆在任何运动状态下能可靠地停车，不会突然改变车辆的行驶方向。如果直接控制调速手柄，这种短直角过渡槽却增加了自动控制的麻烦。

电子手柄加电动调速是实现HST无级变速车辆纵向控制的一个可行的方案，在此前的发明专利“履带式联合收割机的自动驾驶系统及其控制方法”中国专利201410413403.9中，提出了使用电子摇臂手柄取代机械式调速手柄，是对传统调速手柄的直接改造。在发明专利“农业机械HST传动系统的电动调速机构及其测控方法”专利号201710418605.6中提出了使用机械自锁式电子手柄的方案。前者存在的问题是霍尔传感器探头与永磁圆柱体之间的距离控制可能会达不到设计的预期，从而失去获得档位信息的可能；后者存在的问题是自动控制时，手柄的位置与实际的档位不一致，直观性不够，作业人员手动操作时适应性比较差。专利“工程机械驾驶操作电子手柄”专利号：CN200520027466提出了工程机械的电子调速手柄，当摇杆前后运动时，该方向上的电位器输出7档模拟信号，控制机械液压换挡机构动作，实现前进、后退、换挡功能。该方案只是由电子手柄代替了机械换挡，没有进一步考虑自动驾驶时需要的速度控制问题。

发明内容

为了克服现有农业机械HST无级变速的电动调速装置的缺陷，本发明提供了一种改进的电动调速装置。电动调速装置不仅可以接受指令来调速以满足无人驾驶系统速度控制的需求，而且保留了传统的机械手柄和机械调速方式，使操纵机器的人能快速地适应新装置。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：利用电动推杆内部采用丝杠、电机不通电时完全可靠的自锁的特点，以一支电动推杆代替与调速手柄焊接于一体的曲柄板与HST无级变速箱之间的连杆，该电动推杆的伸出杆的末端与曲柄板通过上球头铰铰接，该电动推杆的底座与HST无级变速箱的摇杆通过下球头铰铰接，在该电动推杆上并排一只直线位移传感器，该直线位移传感器的本体固定在电动推杆的壳体上，直线位移传感器的伸出杆的末端与电动推杆伸出杆的末端通过一个连接片固定。此外，一只接近开关在停车档位处。

在面板的短直角过渡槽的停车档位处，一只U型叉紧贴在面板上方，它的叉口与短直角过渡槽重叠，U型叉与一只电磁铁的推杆固定连接。在调速手柄的高出面板15mm的前侧面和后侧面处，垂直方向上各平行黏贴2片电阻应变片，命名为R1、R2、R3和R4，其中R1和R4在前侧面，R2和R3在后侧面。R1和R2串联组成一侧的桥臂，R3和R4串联组成另一侧的桥臂，最终构成一套电桥，用于感知调速手柄是否被向前推动或向后拉动。电桥由一片ECU板卡供电，电桥的差分信号输入到ECU板卡。

ECU采集电桥差分信号、直线位移传感器的信号、控制电动推杆的伸缩动作和电磁铁的伸缩动作。该ECU板卡由PIC18F25K80、INA826放大电路、SGM8584滤波电路、接近开关信号输入电路、VNH5019驱动电路、AOD4184功率管、E35无线通信电路和TJA1050电路组成。直线位移传感器的模拟量输出端与SGM8584滤波电路的信号输入AN0端电连接，SGM8584滤波电路的信号输出AD0端与PIC18F25K80的RA0引脚电连接；电桥的差分输出信号端与INA826放大电路的差分输入端电连接，INA826放大电路的输出端与SGM8584滤波电路的信号输入AN1端电连接，SGM8584滤波电路的信号输出AD1端与PIC18F25K80的RA1引脚电连接。停车档位接近开关、第一光耦EL357、PIC18F25K80的RA2引脚依次电连接。PIC18F25K80的RB5、RC4、RC5引脚分别与VNH5019驱动电路的PWM、INA、INB引脚电连接，VNH5019驱动电路的输出端OUTA和OUTB分别与电动推杆的电机A、B线电连接。PIC18F25K80的RC2依次与第二光耦EL357、AOD4184功率管和电磁铁电连接。PIC18F25K80的RB6、RB7引脚与E35无线通信电路的TX、RX引脚电连接。PIC18F25K80的CANRX、CANTX引脚与TJA1050电路电连接，使得ECU板卡既可接收上位机的指令去控制电动推杆，也可采集直线位移传感器的模拟量，发送给上位机。

ECU板卡上电后，PIC18F25K80的RA、RB、RC端口、A/D变换、PWM输出、CAN通信、UART串口通信和定时器依次进行寄存器的初始化，构建软元件时间继电器T0，开启定时器、UART串口通信和CAN通信中断功能。程序按照循环扫描的方式运行：当PIC18F25K80巡视RA1端口，启动A/D变换，如果采集值大于高阈值，且RA2处于高电平，表明调速手柄当前处于停车档，则启动PIC18F25K80的RC2引脚的PWM2脉冲波和时间继电器T0，电磁铁线圈被接通，U型叉被拉回，调速手柄向前的通道被打开，能够实现手动控制车辆向前运动的目的；如果发现AD1引脚的采集值小于低阈值，且RA2处于低电平，表明调速手柄需要回到停车档，同样，启动PIC18F25K80的RC2引脚的PWM2脉冲波和时间继电器T0，电磁阀线圈被接通，U型叉被拉回，调速手柄回到停车档位的通道被打开，车辆能够停下来。在时间继电器T0定时时间到达后，关闭PWM2脉冲波和时间继电器T0，U型叉恢复到初始位置。当PIC18F25K80发生CAN中断，且调速手柄处于停车档位时，程序对收到的上位机的指令进行判别，如果是调速指令，依据指令中的前进或后退参数，设置PIC18F25K80的RC4、RC5引脚为高、低电平，同时启动PIC18F25K80的RB5引脚的PWM5脉冲波，启动电动推杆做出伸出或缩回动作，并启动A/D转换模块读取AD0端口的直线位移传感器的当前数值，如果巡视时发现直线位移传感器的数值已经到达预定的档位，则立即停止PWM5脉冲波，电动推杆立即停止动作；如果是采集直线位移传感器的指令，则启动A/D转换，把转换后的数字量通过TJA1050电路发送给上位机。当PIC18F25K80发生UART中断，且调速手柄处于停车档位时，程序对收到的无线电指令进行判别，类似CAN通信，运行调速或采集数据模块。

本发明的有益效果是不仅使新增的电动推杆机构可被计算机程序控制以满足自动驾驶系统的调速控制需求，而且保留了传统的调速手柄适应操作人员长久以来的驾驶习惯。该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。

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是电动推杆调速装置的一个实施例。

图2是电磁U型叉的一个实施例。

图3 是ECU板卡的电路接线的一个实施例。

图4是ECU板卡的软件流程图。

图中，1.摇杆，2.HST无级变速箱，3.曲柄板，4.调速手柄，5.电阻应变片，6.电磁铁，7.U型叉，8.面板，9.接近开关，10.上球头铰，11.连接片，12.直线位移传感器，13.电动推杆，14.下球头铰，15.INA826放大电路，16.SGM8584滤波电路，17.PIC18F25K80，18.VNH5019驱动电路，19.AOD4184功率管，20.E35无线通信电路，21.第二光耦EL357，22.TJA1050电路，23.第一光耦EL357。

具体实施方式

图1是电动推杆调速装置的一个实施例，电动推杆13的位置原本是与调速手柄4焊接于一体的曲柄板3与HST无级变速箱2之间的连杆。该电动推杆13的伸出杆的末端与曲柄板3的侧方通过上球头铰10铰接，该电动推杆13的底座与HST无级变速箱2的摇杆1通过下球头铰14铰接，在该电动推杆13上并排一只直线位移传感器12，该直线位移传感器12的本体固定在电动推杆13的壳体上，直线位移传感器12的伸出杆的末端与电动推杆13伸出杆的末端通过一个连接片11固定。此外，一只接近开关9在停车档位处。

图2是电磁U型叉的一个实施例。在面板8的短直角过渡槽的停车档位处，一只U型叉7紧贴在面板8上方，它的叉口与短直角过渡槽重叠，U型叉7与一只电磁铁6的推杆固定连接。在调速手柄4的高出面板815mm的前侧面和后侧面处，垂直方向上各平行黏贴2片电阻应变片5，命名为R1、R2、R3和R4，其中R1和R4在前侧面，R2和R3在后侧面。R1和R2串联组成一侧的桥臂，R3和R4串联组成另一侧的桥臂，最终构成一套电桥，用于感知调速手柄是否被向前推动或向后拉动。电桥由一片ECU板卡供电，电桥的差分信号输入到ECU板卡。

图3是ECU板卡的一个实施例。该ECU板卡采集电阻应变片5的电桥差分信号、直线位移传感器12的信号、控制电动推杆13的伸缩动作和电磁铁6的伸缩动作。该ECU板卡由PIC18F25K80、INA826放大电路15、SGM8584滤波电路16、接近开关9的信号输入电路9、VNH5019驱动电路18、AOD4184功率管19、E35无线通信电路20和TJA1050电路22组成。直线位移传感器12的模拟量输出端与SGM8584滤波电路16的信号输入AN0端电连接，SGM8584滤波电路16的信号输出AD0端与PIC18F25K80的RA0引脚电连接；电桥的差分输出信号端与INA826放大电路15的差分输入端电连接，INA826放大电路15的输出端与SGM8584滤波电路16的信号输入AN1端电连接，SGM8584滤波电路16的信号输出AD1端与PIC18F25K80的RA1引脚电连接。停车档位接近开关9、第一光耦EL357、PIC18F25K80的RA2引脚依次电连接。PIC18F25K80的RB5、RC4、RC5引脚分别与VNH5019驱动电路18的PWM、INA、INB引脚电连接，VNH5019驱动电路18的输出端OUTA和OUTB分别与电动推杆13的电机A、B线电连接。PIC18F25K80的RC2依次与第二光耦EL357、AOD4184功率管19和电磁铁6电连接。PIC18F25K80的RB6、RB7引脚与E35无线通信电路20的TX、RX引脚电连接。PIC18F25K80的CANRX、CANTX引脚与TJA1050电路22电连接，使得ECU板卡既可接收上位机的指令去控制电动推杆13，也可采集直线位移传感器12的模拟量，发送给上位机。

图4是计算机程序控制的一个实施例。ECU板卡上电后，PIC18F25K80的RA、RB、RC端口、A/D变换、PWM输出、CAN通信、UART串口通信和定时器依次进行寄存器的初始化，构建软元件时间继电器T0，开启定时器、UART串口通信和CAN通信中断功能。程序按照循环扫描的方式运行：当PIC18F25K80的巡视RA1端口，启动A/D变换，如果采集值大于高阈值，且RA2处于高电平，表明调速手柄4当前处于停车档并且需要车辆前进，则启动PIC18F25K80的RC2引脚的PWM2脉冲波和时间继电器T0，电磁铁6线圈被接通，U型叉7被拉回，调速手柄4向前的通道被打开，可以实现手动控制车辆向前运动的目的；如果发现AD1引脚的采集值小于低阈值，且RA2处于低电平，表明调速手柄4需要回到停车档，同样，启动PIC18F25K80的RC2引脚的PWM2脉冲波和时间继电器T0，电磁铁6线圈被接通，U型叉7被拉回，调速手柄4回到停车档位的通道被打开，车辆可以停下来。在时间继电器T0定时时间到达后，关闭PWM2脉冲波和时间继电器T0，U型叉7恢复到初始位置。当PIC18F25K80发生CAN中断，且调速手柄4处于停车档位时，程序对收到的上位机的指令进行判别，如果是调速指令，依据指令中的前进或后退参数，设置PIC18F25K80的RC4、RC5引脚为高、低电平，同时启动PIC18F25K80的RB5引脚的PWM5脉冲波，启动电动推杆13做出伸出或缩回动作，并启动A/D转换模块读取AD0端口的直线位移传感器12的当前数值，如果巡视时发现直线位移传感器12的数值已经到达预定的档位，则立即停止PWM5脉冲波，电动推杆13立即停止动作；如果是采集直线位移传感器12的指令，则启动A/D转换，把转换后的数字量通过TJA1050电路22发送给上位机。当PIC18F25K80发生UART中断，且调速手柄4处于停车档位时，程序对收到的无线电指令进行判别，类似CAN通信，运行调速或采集数据模块。

Claims

1.一种农业机械HST无级变速的电动推杆调速装置，其特征在于：电动推杆的一端与调速手柄的曲柄板通过上球头铰铰接，该电动推杆的另一端与HST无级变速箱的摇杆通过下球头铰铰接，在该电动推杆上并排一只直线位移传感器，该直线位移传感器的本体固定在电动推杆的壳体上，直线位移传感器的伸出杆的末端与电动推杆伸出杆的末端通过一个连接片固定；一只U型叉紧贴在面板的短直角过渡槽的停车档位处，它的叉口与短直角过渡槽重叠，U型叉与一只电磁铁的推杆固定连接；在调速手柄的高出面板15mm的前侧面和后侧面处，垂直方向上各平行黏贴2片电阻应变片，构成一套电桥，用于感知调速手柄是否被向前推动或向后拉动；直线位移传感器的模拟量输出端与ECU板卡的SGM8584滤波电路的信号输入AN0端电连接，SGM8584滤波电路的信号输出AD0端与PIC18F25K80的RA0引脚电连接；电桥的差分输出信号端与INA826放大电路的差分输入端电连接，INA826放大电路的输出端与SGM8584滤波电路的信号输入AN1端电连接，SGM8584滤波电路的信号输出AD1端与PIC18F25K80的RA1引脚电连接；停车档位接近开关、第一光耦EL357、PIC18F25K80的RA2引脚依次电连接；PIC18F25K80的RB5、RC4、RC5引脚分别与VNH5019驱动电路的PWM、INA、INB引脚电连接，VNH5019驱动电路的输出端OUTA和OUTB分别与电动推杆的电机A、B线电连接；PIC18F25K80的RC2依次与第二光耦EL357、AOD4184功率管和电磁铁电连接；PIC18F25K80的RB6、RB7引脚与E35无线通信电路的TX、RX引脚电连接；PIC18F25K80的CANRX、CANTX引脚与TJA1050电路电连接，使得ECU板卡既可接收上位机的指令去控制电动推杆，也可采集直线位移传感器的模拟量，发送给上位机。

2.按照权利要求1所述的农业机械HST无级变速的电动推杆调速装置，其特征是：ECU板卡上电后，PIC18F25K80的RA、RB、RC端口、A/D变换、PWM输出、CAN通信、UART串口通信和定时器依次进行寄存器的初始化，构建软元件时间继电器T0，开启定时器、UART串口通信和CAN通信中断功能；程序按照循环扫描的方式运行：当PIC18F25K80巡视RA1端口，启动A/D变换，如果采集值大于高阈值，且RA2处于高电平，表明调速手柄当前处于停车档，则启动PIC18F25K80的RC2引脚的PWM2脉冲波和时间继电器T0，电磁铁线圈被接通，U型叉被拉回，调速手柄向前的通道被打开，能够实现手动控制车辆向前运动的目的；如果发现AD1引脚的采集值小于低阈值，且RA2处于低电平，表明调速手柄需要回到停车档，同样，启动PIC18F25K80的RC2引脚的PWM2脉冲波和时间继电器T0，电磁阀线圈被接通，U型叉被拉回，调速手柄回到停车档位的通道被打开，车辆能够停下来；在时间继电器T0定时时间到达后，关闭PWM2脉冲波和时间继电器T0，U型叉恢复到初始位置；当PIC18F25K80发生CAN中断，且调速手柄处于停车档位时，程序对收到的上位机的指令进行判别，如果是调速指令，依据指令中的前进或后退参数，设置PIC18F25K80的RC4、RC5引脚为高、低电平，同时启动PIC18F25K80的RB5引脚的PWM5脉冲波，启动电动推杆做出伸出或缩回动作，并启动A/D转换模块读取AD0端口的直线位移传感器的当前数值，如果巡视时发现直线位移传感器的数值已经到达预定的档位，则立即停止PWM5脉冲波，电动推杆立即停止动作；如果是采集直线位移传感器的指令，则启动A/D转换，把转换后的数字量通过TJA1050电路发送给上位机；当PIC18F25K80发生UART中断，且调速手柄处于停车档位时，程序对收到的无线电指令进行判别，类似CAN通信，运行调速或采集数据模块。