輪式自走方捆打捆機行走速度控制系統設計與試驗

郭 輝 高國民 周 偉 呂全貴 郝良軍

(1.新疆農業大學機電工程學院， 烏魯木齊 830052； 2.新疆新研牧神科技有限公司， 烏魯木齊 830011)

0 引言

機械傳動方式驅動的輪式自走聯合收獲機在工作時，由于作物生長密度不同造成喂入量不穩定，從而進一步影響作業品質及生產效率，情況嚴重時會造成工作部件堵塞，甚至零部件變形、損壞[1-2]。因此，有必要在機具作業過程中，根據機具的作業負荷實時調整機具的行走速度，從而有效控制喂入量，使機具的工作負荷保持穩定[3-5]。

機械驅動輪式自走農業機械大多采用V帶無級變速裝置實現對車輛行走速度的微調，在發動機轉速穩定的情況下，調整車輛的行走速度以滿足工況變化的需求[6-7]。V帶傳動無級變速裝置通過改變兩錐盤的軸向距離調整其與傳動帶的接觸位置和工作半徑，從而實現無級變速。V帶式無級變速裝置具有結構簡單、傳動平穩、價格低廉、不需潤滑以及可緩沖吸振等特點，是應用較為廣泛的一種變速裝置[8-10]。

以新疆機械研究院股份有限公司研制的牧神4KZ300型自走式秸稈方捆機為研究對象，本文采用V帶無級變速裝置驅動的輪式自走方捆機通用底盤，結合機、電、液自動控制技術，設計輪式自走方捆打捆機行走速度控制系統，并通過臺架及道路試驗，驗證控制系統有效性、穩定性及準確性。

1 總體方案

1.1 整體結構及相關參數

4KZ300型打捆機行走動力傳遞：發動機動力通過三角帶傳遞至無級變速裝置，然后傳遞至變速箱、輪邊減速器，最終驅動地輪轉動，其中無級變速裝置由駕駛室內操縱桿控制。

4KZ300型打捆機整體結構示意圖如圖1所示[11-12]。機具行走系統相關參數為：n為發動機額定轉速，取1 750 r/min；d為驅動輪直徑，取1.33 m；i為無級變速裝置傳動比，取0.8～1.8；is為輪邊減速器減速比，取6.08；it為齒輪變速箱減速比，Ⅰ擋22.644，Ⅱ擋9.403，Ⅲ擋3.747。

圖1 自走式方捆打捆機整體結構示意圖Fig.1 Overall schematic of self-propelled square baler1.割臺 2.駕駛室 3.無級變速裝置 4.驅動輪

1.2 無級變速裝置工作原理

無級變速裝置由主動帶輪、中間帶輪、從動帶輪、油缸、膠帶、回轉臂等組成，無級變速裝置示意圖如圖2所示。

圖2 無級變速裝置示意圖Fig.2 Schematic of continuously variable transmission1.主動帶輪 2.油缸 3.中間帶輪 4.V帶 5.轉速傳感器 6.從動帶輪 7.機架 8.鉸接塊 9.回轉臂 10.位移傳感器

無級變速裝置調速原理[13]：油缸的伸縮會引起中間帶輪跟隨回轉桿做回轉運動，進而引起主動帶輪與中間帶輪、中間帶輪與從動帶輪中心距的變化；由于V帶節線長度固定，中心距的變化會引起中間帶輪對應直徑的變化，系統傳動比隨之變動，進而改變驅動輪轉速，4KZ300型方捆打捆機無級變速裝置基本參數為：d1為主動帶輪直徑，取290 mm；d2為從動帶輪直徑，取345 mm；l9為主、中帶輪對應V帶帶長，取3 668 mm；l8為從、中帶輪對應V帶帶長，取3 609 mm。

1.3 無級變速液壓回路改進

圖3 控制系統液壓原理圖Fig.3 Hydraulic schematic of control system1.油箱 2.液壓泵 3、5.溢流閥 4.電控多路閥 6.截止閥 7.三位四通電磁換向閥 8.鎖緊裝置 9.油缸 10.手控換向閥 11.過濾器

基于4KZ300型打捆機底盤無級變速的液壓調節回路，增加了電控多路閥與單向閥等液壓元器件，改進后液壓回路如圖3所示[14-16]。此系統既可實現自動控制無級變速，也可實現手動控制無級變速，可防止電控系統失效導致機具無法正常行走。電控多路閥中，當截止閥低電平時為手動控制行走狀態，截止閥高電平時為自動控制行走狀態。三位四通電磁換向閥左位得電時，油缸縮短，無級變速裝置傳動比升高；右位得電時，油缸伸長，傳動比降低。

1.4 自動控制系統總體設計

根據4KZ300型打捆機相關參數及V帶無級變速裝置速度調整原理，所設計的行走速度控制系統總體結構框圖如圖4所示。控制系統由控制終端、車速控制器、繼電器模塊、電控多路閥、無級變速裝置、位移傳感器、A/D轉換模塊、轉速傳感器、電源模塊等組成，其中控制終端由顯示屏和控制器組成，控制終端的控制器作為整個控制系統的主控制器。

圖4 自動控制系統總體結構框圖Fig.4 Overall structure block diagram of automatic control system

主控制器讀取CAN總線上的機具負荷數據，計算后確定機車目標速度，并通過CAN總線發送至車速控制器，車速控制器讀取位移傳感器、轉速傳感器的監測值以實時判斷行車狀態，并根據無級變速裝置傳動比與油缸伸長量之間的關系模型，驅動電控多路閥做相應換向動作驅動油缸伸縮。油缸伸縮會引起無級變速裝置傳動比的改變，進而調整行車速度保持系統負荷穩定。其中負荷數據包括壓縮活塞壓縮力、活塞每次往復運動草捆壓縮量、草捆質量等參數，并由這些數據綜合運算而成一個綜合值；位移傳感器監測無級變速裝置油缸伸長量，間接獲得無級變速裝置傳動比及驅動輪轉速，用于行走速度調節控制反饋；轉速傳感器直接監測驅動輪轉速，用于行走速度穩定控制反饋。

2 硬件選型及軟件設計

2.1 硬件選型

4KZ300型打捆機液壓系統流量30 L/min，電控多路閥選用PDCF10-D型電磁控制多路閥，額定流量10 L/min，驅動電壓24 V，電控多路閥響應時間為20～40 ms。油缸選用HSG01-63/45型，缸徑63 mm，桿徑45 mm，行程68 mm，油缸由最小行程伸長至最大行程需耗時約2.5 s，滿足系統設計需求。

微控制器選用ARM系列Cortex-M3內核的STM32F103VCT6芯片，其是一款資源豐富的32位微處理器，擁有64KB SRAM、256KB FLASH，支持CAN總線通信[17]。微控制器通過控制繼電器模塊間接驅動電控多路閥，其中繼電器模塊選用CHNT公司生產的型號JZX-22F(D)。位移傳感器選用MILONT公司生產的KPM18-100型，0～100%給定輸入電壓模擬量輸出，檢測位移范圍0～100 mm，大于油缸極限伸縮量。轉速傳感器選用JK8002D型霍爾傳感器，輸入方式為NPN常開。控制終端選用北京博創聯動EM7080型工控屏，工作電壓10～30 V。

2.2 軟件設計

4KZ300型打捆機在田間作業時需保持發動機在額定轉速下工作，整機以Ⅱ擋速度前進，因此無級變速裝置控制程序是針對此作業狀態而設計。為降低速度調整時間，實現快速響應，行走速度控制程序分為車速調節控制程序、車速穩定控制程序兩部分。當工作負荷發生變化時，表明喂入量超過機具的額定限值，這種變化主要是由于田間作物生長不均勻造成的，此時可通過改變車速來調整機具喂入量。主控制器在接收到負荷反饋信號后，根據負荷相關數據計算出符合車輛最佳工況的目標車速并通過CAN總線發送至車速控制器。車速調節控制程序根據目標車速計算出無級變速裝置中油缸的伸縮量并控制油缸伸縮，快速將車速調整至接近目標車速，然后車速穩定控制程序通過對車速微調將車速穩定在目標車速上。

控制系統對行走速度的調節控制程序按照調節油缸伸縮變化量與無級變速裝置傳動比之間的比例關系確定，這樣可以快速使車速發生改變，防止可能發生的堵塞等嚴重后果；車速穩定控制程序由車速傳感器反饋的信號進行微調，以保持車速穩定。

圖5 無級變速裝置變速結構示意圖Fig.5 Schematic of variable speed structure of stepless variable speed device

2.2.1油缸伸長量與傳動比關系模型建立

無級變速裝置變速結構示意圖如圖5所示。

由圖5可以看出，油缸支座F、油缸伸縮遠端E、中間帶輪懸架支點A之間，以及各傳動帶輪中心之間均呈三角形關系，并且油缸的長度變化會引起各三角形發生相應的變化，因此要得到油缸伸長量與無級變速傳動比關系式[18-19]，必須確定主動帶輪直徑d1，從動帶輪直徑d2，對應中間帶輪直徑d′1、d′2及油缸伸長量Δl之間的關系。

油缸長度l與回轉角Φ關系式為

(1)

式中l3——鉸接點A與油缸鉸接點F間距離，mm

l4——鉸接點A與油缸伸縮遠端點E之間距離，mm

ε——常數，即∠DAE與∠BAE角度之和，取62.17°

回轉角Φ與主中帶輪中心距l5關系式為

(2)

式中l1——鉸接點A與主動帶輪中心點B之間距離，mm

l5——主動帶輪中心點B與中間帶輪中心點D之間距離，mm

l7——鉸接點A與中間帶輪中心點D之間距離，mm

l5與d′1的變化關系為[18]

(3)

同理，從動帶輪對應中間帶輪的直徑d′2亦可確定，在此不再贅述。

無級變速裝置傳動比i為

(4)

采用數值代入法，將油缸的不同長度代入式(1)～(4)，得出式中各參數的實際數值，然后計算出對應的傳動比，最終利用油缸伸長量Δl與傳動比i的對應數值，建立無級變速裝置傳動比i與油缸伸長量Δl之間的關系模型，其中油缸伸長量為油缸長度與初始油缸長度的差值。相關參數的計算數值如表1所示。

運用SPSS 20.0軟件擬合出無級變速裝置傳動比i與油缸伸長量Δl的回歸曲線，如圖6所示。

根據SPSS曲線擬合結果得到無級變速裝置傳動比與油缸伸長量的曲線回歸方程

Δl=-88.94lni+54.53

(5)

回歸模型的決定系數R2=0.999 5，表明回歸方程對自變量與因變量的擬合優度較高[20]。無級變速裝置傳動比與油缸長度關系式的確定，為控制系統程序編寫提供了理論支撐。通過式(5)進一步計算機具車速與油缸伸長量關系為

表1 油缸伸長量與傳動比數值計算結果Tab.1 Numerical calculation of cylinder elongation and transmission ratio

圖6 傳動比與油缸伸長量擬合曲線Fig.6 Fitting diagram of transmission ratio and cylinder elongation curve

(6)

其中

式中v——機具車速，km/h

P——比例系數

最終確定理論車速、目標車速及油缸變化量的關系為

(7)

式中 Δl′——目標油缸長度與位移傳感器監測理論油缸長度的差值，mm

vg——機具目標車速，km/h

vt——由理論油缸長度計算的理論車速，km/h

當Δl′為正值時表明需要伸長油缸，以降低無級變速裝置傳動比；當Δl′為負值時表明需要縮短油缸，以增加無級變速裝置傳動比。理論車速、目標車速及油缸變化量關系的確定為機具車速快速、穩定調整奠定了基礎。

2.2.2程序流程圖設計

為了兼顧速度調節的快速性、精度和穩定性，控制程序由調節控制與穩定控制兩部分組成。調節控制負責對油缸的快速調節，使車輛速度在短時間內迅速達到目標車速；穩定控制負責在行走作業過程中持續調節，將車速穩定在目標車速，以保持機具作業負荷穩定。

車速調節程序控制流程如圖7所示，在進行車速調節時，車速控制器首先接收由主控制器發送的目標車速，然后監測線位移傳感器的理論油缸伸長量，依據式(6)計算出理論車速，通過對比目標車速與理論車速的差值控制電控多路閥做相應動作，使油缸伸長/縮短相應的長度，伸長/縮短的長度由式(7)計算得出。當目標車速與理論車速的差值小于設定閾值時進入行走速度穩定控制程序，使機具穩定在當前車速。當所要調整的行走速度超過無級變速裝置極限變速范圍，顯示器提示機具負荷超出變速調節范圍，此時駕駛員應當采用手動換擋方式調節車速。

圖7 車速調節控制流程圖Fig.7 Flow chart of speed regulation and control

行走速度穩定控制流程如圖8所示，車速控制器每隔0.1 s讀取一個車速，當讀取的3個連續車速的相鄰差值小于0.05 km/h時，表明速度達到穩定。當車速控制器判斷速度為不穩定狀態時，跳出穩定控制程序，重新進入調整控制程序；當車速控制器判斷速度為穩定狀態時，取3個連續車速的平均值作為監測車速。程序通過對比目標車速與監測車速的差值，控制電控多路閥做相應動作。

圖8 車速穩定控制流程圖Fig.8 Flow chart of stable control

2.2.3控制終端界面設計

控制終端界面在HMI Developer集成開發環境下完成設計，此軟件包括圖形庫和可視化設計器，可以方便、快速地組建顯示界面，并可以把界面編譯在基于ARM處理器的嵌入式顯示器上運行，所設計的顯示界面如圖9所示[21]。

圖9 顯示器界面設計圖Fig.9 Diagram of display interface design

控制終端的軟件設計主要分為4個模塊：顯示模塊、控制模塊、收發模塊和負荷模擬模塊，其中負荷模擬模塊僅用于道路試驗負荷模擬。顯示屏的控制模塊包括步長設置、調整閾值設置、允許偏差設置、最小/最大伸長量設置、標定完成按鈕，其中標定完成按鈕控制所有文本框中控制指令的發送，最小/最大伸長量設置用于標定油缸極限伸長量。控制終端通過CAN總線接收車速控制器讀取的各傳感器監測值，并通過顯示模塊顯示，其中顯示模塊包括機具目標車速、監測車速、油缸伸長量、理論車速、自動/手動控制指示。控制終端的收發模塊主要通過設置標識符ID及數據格式實現CAN總線的收發功能。

3 試驗與結果分析

3.1 試驗器材與試驗方法

3.1.1試驗器材

為測試輪式自走方捆打捆機行走速度控制系統，以圖10、11所示4KZ300型打捆機為試驗樣機，對其進行室內模擬試驗與道路試驗，試驗所需其他器材包括：DT-2235B型數字式轉速儀，測量精度0.05%；便攜式計算機；JLINK V9型仿真下載器；廣成科技CANREC記錄儀。試驗時間：2018年11月3日—2019年1月20日。試驗地點：新疆機械研究院股份有限公司。

圖10 室內仿真試驗圖Fig.10 Picture of indoor simulation test

圖11 道路試驗圖Fig.11 Picture of road test

3.1.2試驗方法

利用控制終端作為載荷模擬器模擬負荷變化，即通過負荷模擬模塊的文本框輸入負荷改變量模擬負荷變化，負荷模擬量輸入完成后通過“標定完成”按鈕發送至CAN總線以便主控制器接收[22]。

室內試驗，將方捆機驅動輪懸空，通過便攜式計算機及JLINK V9型仿真器進行實時仿真試驗，判斷整個控制系統的安全性、有效性。

道路增、減負荷試驗，通過載荷模擬器模擬負荷增加/減少，并將相應數據發送至CAN總線，主控制器根據所接收的負荷改變量計算出機具目標車速，通過CAN總線發送至車速控制器。車速控制器調整車速并采集車速傳感器、位移傳感器數據，并將各數據信息發送至CAN總線，相關數據信息由控制終端向駕駛人員顯示。試驗過程中所用試驗數據由CAN記錄儀記錄，通過對試驗數據的分析，可計算出車速調整時間Ts、最大動態偏差M、余差C，判斷實際車速控制的穩定性及準確性[23]。

調整時間Ts為從車速調整過程開始到完成調整所需時間。

最大動態偏差M表示系統瞬間偏離給定值的最大程度，計算式為

M=ymax-r

(8)

式中ymax——最大偏差r——目標值

余差C是被控參數的穩態值y(∞)與目標值之間的殘余偏差，是衡量控制系統穩態準確性的指標，計算式為

C=y(∞)-r

(9)

3.2 結果分析

3.2.1室內試驗

發動機轉速1 764 r/min，變速箱Ⅱ擋，手控調整無級變速裝置改變驅動輪轉速，記錄DT-2235B型數字式轉速儀監測的不同轉速，計算對應的時速。無級變速裝置傳動比最大、最小時，通過DT-2235B型轉速儀分別測得驅動輪最低轉速17.38 r/min、最高轉速35.18 r/min，計算后最低、最高時速分別為4.357、8.820 km/h。對比DT-2235B型轉速儀測得的時速與控制終端顯示數值如表2所示，誤差小于1%，轉速傳感器采集的車速監測值精度滿足要求。

表2 DT-2235B型轉速儀測得的時速與控制終端顯示值 對比Tab.2 Comparison between time velocity measured by DT-2235B tachometer and display value of control terminal

通過便攜式計算機及JLINK V9型仿真器進行室內實時仿真試驗，如圖10所示。

3.2.2道路增、減負荷試驗

道路試驗如圖11所示，設置閾值為0.2 km/h，允許偏差0.1 km/h，車速穩定控制時設置電控多路閥每次進、出油時間0.2 s。

模擬減負荷試驗數據如圖12所示，為檢測速度穩定調節的持續性，選擇具有坡道的路段進行模擬減負荷試驗。按下“自動控制”按鈕后系統進入自動控制模式并等待主控制器發送相應參數調整指令。載荷模擬器向主控制器發送負荷降低20%信號，此時打捆機工況為：發動機轉速1 684 r/min，變速箱Ⅱ擋，車速傳感器監測車速為4.6 km/h。主控制器收到負荷模擬信號后經計算確定目標車速為6.1 km/h，主控制器通過CAN總線向車速控制器發送目標車速、閾值、允許偏差等參數。車速控制器進入車速調節模式，控制無級變速器調節油缸改變伸長量增加車速以增加喂入量保持工作載荷穩定，該過程持續2.5 s；隨后控制器進入穩定控制模式，在3.5～4.0 s時車速出現過調現象，這主要是由于車速控制的慣性引起的，隨后車速進入穩定狀態。由于試驗場地內存在坡道，在試驗進行至8.0～8.5 s時車速出現了上升趨勢，在穩定程序的控制下，0.5 s內將車速穩定至目標車速。試驗數據顯示，在工作負荷減少時，車速由4.5 km/h增至6.1 km/h并維持穩定所需調節時間為4.25 s；最大動態偏差為0.24 km/h，與目標值偏差為3.93%，小于5%；最大余差0.042 km/h，小于1%。

圖12 模擬減負荷試驗車速變化曲線Fig.12 Curves of vehicle speed change in simulated load reduction test

模擬增負荷試驗數據如圖13所示，通過載荷模擬器模擬系統工作負荷增加25%，此時打捆機工況為：發動機轉速1 672 r/min，變速箱Ⅱ擋，車速傳感器監測車速為7.1 km/h。主控制器收到負荷模擬器數據后經計算確定目標車速為5.0 km/h，車速控制器進入車速調節模式，該過程持續2.75 s，隨后車速控制器進入穩定控制模式，經過4.75 s后車速進入穩定狀態。速度由7.1 km/h降至5.0 km/h并維持穩定所需調節時間為4.75 s，最大動態偏差為0.21 km/h，與目標值偏差為4.2%，小于5%，最大余差0.049 km/h，小于1%。

圖13 模擬增負荷試驗車速變化曲線Fig.13 Curves of vehicle speed change in simulated load increment test

4 結論

(1)設計了基于工作負荷反饋的輪式自走方捆打捆機行走速度控制系統，該系統可以根據工作部件的負荷情況及時調整車輛的行走速度，從而使工作負荷保持穩定。

(2)為了兼顧車速調整的快捷性和穩定性，控制系統程序分為車速調節控制與車速穩定控制兩部分，車速調節控制可確保在較短時間內使機具達到目標車速；車速穩定控制則是在隨后的工作狀態下使車速保持穩定。

(3)道路模擬增、減負荷試驗表明，車速調整的最大動態偏差小于5%，最大余差小于1%，車速達到穩定所需調整時間小于5 s，該控制系統能實現方捆打捆機工作負荷的自適應控制。