CN104472320B - 一种可视化水涡轮和太阳能电机联合驱动卷盘式喷灌机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可视化水涡轮和太阳能电机联合驱动卷盘式喷灌机，本发明喷灌机不仅能采用传统的水涡轮驱动，而且在此基础之上，为克服水涡轮不能输送泥沙水的问题、减少水头损失，联合采用无刷直流电机驱动；电力驱动时，利用现代传感技术，在水源参数稳定或波动较小时，可实现设定速度的普通运行模式，在水源参数不稳定或波动较大时，可实现设定喷灌强度的精准运行模式；控制上不仅实现手动调节与自动调节相结合，而且加装触控屏，建立人机化操作界面，实现人机化操作；本发明具有节能环保、省水省工、操作简单、灌溉精度高、性能可靠、适应性强及运行参数实时显示等优点，可用于多种复杂状况下农场、牧场、农作物，经济作物的自动化灌溉。

Description

一种可视化水涡轮和太阳能电机联合驱动卷盘式喷灌机

技术领域

本发明涉及节能灌溉领域，特别涉及卷盘式喷灌机结构上的改进和创新，利用可视化水涡轮和太阳能电机联合驱动卷盘式喷灌机进行喷灌作业。

背景技术

卷盘式喷灌机作为一种灌溉农田的设备，工作时，主要通过水涡轮的工作来起到回收PE管及喷头车的作用，以完成灌溉作业。上述卷盘式喷灌机自20世纪90年代引入我国，长时间缺乏创新改进，从目前使用的大多数卷盘式喷灌机自身配置及作业条件来看，主要存在如下问题：

(1)现有的喷灌在在牵引装置牵引时，由于田间距离原因，无法判断PE管伸长状态情况，存在PE管可能被拉断的状况；(2)目前卷盘式喷灌机使用的是水涡轮驱动，在水能利用方面也存在着明显的浪费问题，因为喷灌用水要经过水涡轮，所以存在着严重的水能的损耗，造成了喷灌负担，工作效率低，而且能耗大，不符合农业节能减排要求且不利于卷盘式喷灌机的推广；(3)现有的卷盘式喷灌机对灌溉水源水质要求较高，当水源中泥沙含量较高时，水中所含的泥沙容易夹在水涡轮片和内壁之间，导致水涡轮不能正常旋转工作；(4)现有的卷盘式喷灌机的调速装置与脱档装置通过机械连杆机构调节水涡轮隔舌的开启度实现调速，同时通过连杆机构使变速箱中的啮合齿轮切离实现脱档，这些连杆装置及与之关联的结构造成喷灌机的整体结构复杂，同时，随着机构的长期使用会影响到动作的可靠性；(5)现有的卷盘式喷灌机上还很少采用电机驱动，在回收PE管的动作上不能实现平稳、精确的控制，容易出现波动，使得喷洒效果较差且自动化控制程度较差，主要体现在喷洒均匀度等上面较为不均匀。

发明内容

为了克服上述现有喷灌技术存在的缺点和不足，本发明针对已有技术中存在的问题，从优化喷灌机的结构和智能定量角度控制入手，发明了具有节能环保、省水省工、操作简单、灌溉精度高、性能可靠、适应性强及运行参数实时显示等诸多优点的一种可视化水涡轮和太阳能电机联合驱动卷盘式喷灌机，一般优先采用太阳能光伏驱动方式。

为实现上述目的，本发明提出如下解决现有问题的方案：

一种可视化水涡轮和太阳能电机联合驱动卷盘式喷灌机，包括卷盘式喷灌机，该卷盘式喷灌机包括前支撑、机架、喷头车、水涡轮、变速箱、安装在机架上的卷盘车，卷盘车中盘绕设置有通向喷头车的软管，变速箱由水涡轮提供驱动力，该卷盘式喷灌机还包括设置在卷盘车顶部的太阳能板，太阳能板通过支架固定在设置于机架上的侧立架上，机架上设置有电机和蓄电池，太阳能板向蓄电池和电机双向供电，电机和变速箱共同或单独通过链轮驱动卷盘车中的卷盘转动；

侧立架上安装有控制箱，控制箱中设置控制系统，该控制系统包括主控板，在主控板上连接有触控屏、流量传感器、压力传感器、转速传感器和电子尺，其中流量传感器、压力传感器安装在通向水涡轮的进水管上，转速传感器安装在链轮上，电子尺安装在卷盘车前方以检测卷盘上当前缠绕软管层数；卷盘运行时，主控板根据压力传感器和流量传感器采集参数实时地按照设定喷灌强度值对转盘的转速以计算值为给定值，以转速传感器采集值为参考值进行双闭环控制，并决定电机和变速箱驱动卷盘转动的方式；与此同时，主控板根据电子尺采集的参数确定当前软管层数，实现跨级快速调整。

进一步地，所述的电机采用直流无刷驱动电机，该电机通过连接在主控板上的DSP无刷电机控制器控制，该电机控制器检测电机的转速位置信号并产生空间矢量PWM调速信号，实现电机的闭环负反馈控制；电机控制器包括三相SPWM逆变器和连接在逆变器上的转子位置传感器、转速调节器和电流调节器，其中电机的定子由三相SPWM逆变器供电，电机的转子位置传感器检测转子转速ω_r和转角θ_r，并计算sinθ_r和cosθ_r，由转速调节器和电流调节器得到定子电压转矩分量在设定励磁分量为“0”的条件下经二相旋转/三相静止坐标变换2r/3s，得到SPWM调制器的三相电压调制信号，转速的调节可通过手动调节连接在电机控制器上的电位器调节或触控屏设定。

进一步地，所述的太阳能板输出的电能通过太阳能控制器的控制，一方面向蓄电池供电，一方面通过系统电路向控制系统提供工作电源；提供的系统工作电源一部分经支路电压转换器转换后通过支路电路提供给触控屏和主控板，另一部分输送给电机控制器；在太阳能板、蓄电池、系统电路和工作电路上分别设置有断路器。

进一步地，所述的主控板采用ARM主控板，压力传感器、流量传感器、转速传感器和电子尺统一连接到ARM主控板的PG2接口上，由VCC和COM接口提供工作电压；并在PG2接口上设置有一个4.7K的上拉电阻；所述的触控屏采用232通信，通过通信链路连接在ARM主控板的GND、TXD及RXD接口上；太阳能控制器与ARM主控板之间采用485通信，ARM主控板的DE接口用于电机旋转方向的控制。

进一步地，在卷盘上盘绕的软管中，最内层的软管末端安装有微碰开关SQ₁，所述的ARM主控板的+24V电压接口与AI2两个接口与继电器KM的线圈、微碰开关SQ₁呈回路串联。

进一步地，主控板上设置有无线传输模块的发射端，在喷头车的牵引装置上配套安装有无线传输模块的接收端和声光报警装置。

进一步地，所述的继电器KM的常开辅助触点串联在无线传输模块的发射端的电源回路中，同无线传输模块的接收端、声光报警装置共同组成无线声光报警装置，作为卷盘牵引的参考控制信号；所述的电源回路连接至支路电路。

进一步地，所述的电机控制器的直流输入端接在系统电路上，三相输出端与电机相连，编码端分别同电机轴上的光电编码器连接，其手动调节电位器通过开关连接在电机控制器的+5V端、IN1端以及COM端；ARM主控板通过电机控制器切换电机运作时，所需的参考电压由ARM主控板上的AI2接口给定。

进一步地，所述的卷盘车的前端设置有排管装置，软管托在排管装置的托管轮上，保证管道整齐盘绕在卷盘上；在卷盘下的机架上设置有转盘，便于喷灌机旋转180°向两侧喷洒作业。

进一步地，所述的卷盘式喷灌机采用消防栓取水方式，通过加压水泵加压，压力水通过埋于地下的输水干管输送到卷盘车的车道旁，并间隔一个喷洒幅宽设一个给水栓，给水栓连接进水管；卷盘式喷灌机作业前，先根据作业地形将田块划分为矩形条带，利用牵引装置将喷头车牵引至地头，然后在卷盘车软管的牵引下顺序完成灌溉。

进一步地，所述的触控屏的显示界面包括位于中间区域的电子尺位置、流量、压力、太阳能板电压、太阳能发电流、太阳能累计发电、蓄电池电压、负载电流、蓄电池温度、蓄电池电荷量、负载累计用电、蓄电池浮充、低保护电压、低恢复电压、运行状态等参数显示区域和位于右下角的手动/自动、普通/精确、停止/ 运行及参数设置等触摸操作区域，方便机组运行模式切换及启停控制，另外可通过左下角的运行时间设定，实现机组的定时操作；所述的触摸屏参数设置窗口包括转盘直径、高档设定、低档设定、流量设定、喷头口径、速度设定、一层起始、二层起始、三层起始、四层起始、五层起始、停机位置等参数设定区域，通过设定转盘直径及各层软管层数等信息，实现机组运行速度的精确比例调节，消除由于软管在绞盘上缠绕直径的变化及输水软管附带水体质量的变化带来的阻力变化对机组喷洒均匀系数带来的影响；触控屏右下角设置有返回触摸键，窗口的右上角可显示当前的UTC日期和时间。

采用上述技术方案，本发明的技术效果有：

1.本发明与现有技术相比，本发明不仅能采用传统的水涡轮驱动，而且在此基础之上，为克服水涡轮输送不能输送泥沙水的问题、减少水头损失，联合采用无刷直流电机驱动，动力来源于光伏太阳能，太阳能资源清洁可再生。优先采用太阳能光伏电机驱动时，太阳能板向蓄电池和电机双向供电，当太阳辐射强太阳能发电量充足时，首先驱动电机按额定功率运行，多余的电充入蓄电池。当太阳辐射弱，太阳能和蓄电池供应的电流不能驱动电机，进而导致喷头车速度降低，当速度低于某一设定值时，水涡轮开始工作。该运行方式不仅减少了耗能增加了系统工作的可靠性，而且无需市电供给和布埋电线，能适应野外及无电力到达地区的推广使用，用户使用方便，适用范围更广。

2.电力驱动时，通过利用现代传感技术采集机组当前的进水口工作压力、工作流量、电机输出转速及PE软管层数等信息，通过数据的分析计算，在水源参数稳定或波动较小时，可实现设定速度的普通运行模式，在水源参数不稳定或波动较大时，可实现设定喷灌强度的精准运行模式，喷洒质量高，能够实现精确控制。

3.控制上不仅实现手动调节与自动调节相结合，而且加装触控屏，建立人机化操作界面，实现人机化操作，运行参数可实时显示，应用简单方便。手动调节与自动调节二者之间的结合，对机组的工作可靠性进一步进行提高。

4.驱动电机采用无刷直流电机代替传统的三相异步电机驱动，无需大功率三相逆变器，结构简单；电力转换中间环节少，损耗功率小；逆变控制电路采用 电压型三桥逆变电路，基于高性能数字信号处理器，采用空间电压矢量调制SVPWM技术对电机进行控制，电机调速性能平稳，动态响应快。

5.为防止牵引机在牵引喷头车时，因为距离原因无法了解PE管所处伸长状态而度过渡牵引造成的PE管可能被拉断情况，控制电路上利用无线传输控制技术，利用微碰开关状态实现对系统工作的远程传输指示与报警，能有效的实现对PE管的保护，保护安全措施完善。

附图说明

图1为本发明卷盘式喷灌机正视结构示意图；

图2为本发明卷盘式喷灌机后视结构示意图；

图3为卷盘式喷灌机田间运行方案示意图；

图4为系统主控制电路图；

图5为无刷直流电机控制器主拓扑结构图；

图6为无刷直流电机矢量控制原理图；

图7为智能喷灌机控制系统触控界面图；

图8为智能喷灌机参数设置触控界面图；

图9为无刷直流电机矢量控制定时器中断子程序流程图；

图10(a)、图10(b)分别为DSP、ARM调速控制系统软件主程序流程图；

图11(a)、图11(b)为触控屏、闭环调速控制系统中断子程序流程图；

图中，1—前支撑，2—变速箱，3—转盘，4—机架，5—行走轮，6—连杆机构，7—转速传感器，8—压辊，9—卷盘，10—进水管，11—水涡轮，12—皮带，13—蓄电池，14—电机，15—控制箱，16—安装板，17—侧立板，18—太阳能板，19—电子尺，20—压力传感器，21—流量传感器，22—手轮，23—软管，24—地插，25—支架，26—排管装置，27—托管轮，28—卷盘车，29—喷头车，30—行进轮，31—牵引杆，32—配重，33—喷头，34—加压水泵，35—卷盘车道，36—输水干管，37—给水栓，38—牵引装置，39—条带，40—已喷洒条带，41—侧立架，42—链轮；

具体实施方式

参见图1和图2，本发明的一种可视化水涡轮11和太阳能联合驱动卷盘9是喷灌机，包括卷盘式喷灌机，该卷盘式喷灌机的机组主要由卷盘车28和喷头 车29组成，机组作业采用水涡轮11和太阳能联合驱动方式，二者之间可根据光伏发电系统电量情况灵活切换，以实现能源的高效利用，同时降低水涡轮11的工作负担；并且采用这种驱动方式，使调速过程更加平稳精准，调速机构结构简单。

如图所示，该卷盘式喷灌机具体结构包括机架4，机架4底部设置一对行走轮5，机架4前端设置有前支撑1，实现卷盘车28的稳定；卷盘车28安装在机架4上，卷盘车28一侧设置有固定在机架4上的侧立架41，侧立架41上安装有控制箱15、变速箱2和水涡轮11，其中水涡轮11通过侧立板17固定在侧立架41上，水涡轮11的输出端通过皮带12连接变速箱2，变速箱2的减速输出轴通过链条与卷盘车28上卷盘9的链轮42连接，通过链轮42驱动卷盘9转动；

变速箱2上安装有手轮22，水涡轮11上安装有连杆机构6调节隔舌的开启度；卷盘车28上的卷盘9中盘绕有软管23，该软管23优选采用PE管，通过该软管23连接喷头车29；机架4上还设置有地插24。

喷头车29为方便牵引，其前端设置有牵引杆31，底部装有行进轮30，其喷头33安装在喷头车29的最上端，通过PE管和卷盘车28连接；喷头33下方挂有配重32，保持喷头车29在行走过程中的平衡。

本方案中，由于喷灌机作业点大都是在空旷的田地中，光照条件好，而在整个喷灌机上，为有效利用喷灌机的空间，减小其整体体积，在卷盘车28顶部设置有太阳能板18，太阳能板18在顶部能达到良好的光照条件，并且不影响喷灌机上其他部件的设置。太阳能板18通过支架25固定在侧立架41上，在机架4上安装有电机14、蓄电池13，蓄电池13固定安装在前支撑1两侧的电池柜中，电机14通过安装板16固定在机架4上；电机14和变速箱2共同或单独通过链轮42驱动卷盘车28中的卷盘9转动：

前述的水涡轮11的输出端通过变速箱2来驱动链轮42转动，而电机14直接与链轮42连接，实现了驱动方式的两路输入。

侧立架41上的控制箱15中设置控制系统，该控制系统包括主控板，在主控板上连接有方便可视化操作的触控屏、流量传感器21、压力传感器20、转速传感器7和电子尺19，其中流量传感器21、压力传感器20安装在通向水涡轮11的进水管10上，分别采集进水管10中的流量、水压信息；转速传感器7安装在链轮42上， 采集链轮42的转速，从而得到能反馈转盘3转速的信息，也就得知了当前PE管的回收速度；电子尺19安装在卷盘车28前方，与压辊8相连，以检测卷盘9上当前缠绕软管23层数；卷盘9运行时，主控板根据压力传感器20和流量传感器21采集参数实时地按照设定喷灌强度值(即喷洒时的水压)对转盘3的转速以计算值为给定值，以转速传感器7采集值为参考值进行双闭环控制，并决定电机14和变速箱2驱动卷盘9转动的方式；即首先设置好喷灌强度值，然后按照压力传感器20和流量传感器21采集到的值作为给定值，并以转盘3转速为参考，不断修正，利用反馈过程，使实际喷灌强度值能达到设定要求；与此同时，主控板根据电子尺19采集参数确定当前软管23层数，实现跨级快速调整。

卷盘车28的前端设置有排管装置26，软管23托在排管装置26的托管轮27上，保证管道整齐盘绕在卷盘9上；在卷盘9下的机架4上设置有转盘3，便于喷灌机旋转180°向两侧喷洒作业。

参见图3所示，卷盘式喷灌机优选采用消防栓取水方式，通过加压水泵34加压，压力水通过埋于地下的输水干管36输送到卷盘车28的车道35旁，输送压力水的输水干管36(或其他提供压力水的方式)最好敷设在地块的中间，并间隔一个喷洒幅宽设一个给水栓37，给水栓37连接进水管10；卷盘式喷灌机作业前，无论地块形状规则与否，都应该根据PE管的长度和喷头33射程考虑两边一定重叠，先根据作业地形将田块划分为矩形条带，利用牵引装置38将喷头车29牵引至地头，然后在卷盘车28PE管的牵引下顺序完成灌溉；而在喷灌此条地带时，可将底盘旋转180°作业。

如图4、图5、图6所示，在本发明的控制箱15中，设置有控制系统，该控制系统主要集成了ARM主控板、触控屏、太阳能控制器、DSP无刷电机控制器、无线传输模块发射端、电位器、电压转换模块及断路器等开关器件，通过系列的电力电缆构成主控系统；其中太阳能控制器设置有485通讯端口，利用主控板将电力信息显示在触控屏上；个机组控制可通过开发的一款可视化触控界面实现简单操控，通过对喷灌强度的手动设定，机组会能根据各传感器采集数据，分析并自动调节电机14运行速度，实现精确灌溉，且机组运行参数可通过触摸屏实时显示更新，指导机组运行。

由于本方案中改变了传统的转盘3单一的驱动方式，而采用电机14和水涡 轮11两种方式来驱动，那么可通过对电机14控制系统的设计来完成更精确的转盘3转速调节，以克服现有的调节方式繁琐、不精确的问题。

为确保速控的精确性，本方案中采用了可控性高的直流无刷驱动电机14，该电机14由DSP无刷电机控制器来控制运作，电机控制器包括三相SPWM逆变器和连接在逆变器上的转子位置传感器、转速调节器和电流调节器。DSP无刷电机控制器主要完成电机14转速位置信号的检测以及空间矢量PWM调速信号的产生，实现无刷直流电机14的闭环负反馈控制，其逆变控制电路采用电压型三桥逆变电路，控制技术采用空间电压矢量调制SVPWM技术，如图5所示，S1-S6是六个功率晶体管，a、b、c分别代表3个桥臂的开关状态，同一桥臂的晶体管上管和下管互补导通，三组开关管不同的开关状态组合可以使A,B,C三点的电压出现8中状态，这8种状态在电机14三相定子绕组坐标上对应的矢量，A,B,C三相电压组成互相间隔120°的三相坐标系，这样就产生了三个基本矢量，那就是001，010，100，两个相互组合又可以产生三个基本矢量，就是011，110，101，三相同时高或同时低可以产生两个无效矢量000，111，在此基础之上，为了产生近似圆形的旋转磁场，通过控制产生任意角度的向量，再按一定的时间间隔，每次增加的角度足够小，慢慢增加输出向量的角度产生接近圆形的旋转磁场，带动电机14转子做定向旋转。

无刷直流电机14调速控制时，因采用矢量控制策略，需要检测电机14的电压、电流等变量，将检测得到的三相坐标系下的变量用Clark变换转换至两相静止坐标系下；计算转子磁链适量的幅值和角度位置；利用Park变换将静止坐标系下的定子电流转换到同步旋转坐标系下，并按转子磁场定向；对定子电流的磁场分量i_sd和转矩分量i_sq分别进行控制；计算输出定子电压空间矢量；利用反Park变换将同步旋转坐标系下的电压矢量转换到静止坐标系下；将空间矢量PWM调制方法计算出三相电压占空比输出。具体来讲，定子由三相SPWM逆变器供电，转子位置传感器PG检测转子转速ω_r和转角θ_r，并计算sinθ_r和cosθ_r，由转速调节器ASR和电流调节器ACR得到定子电压转矩分量在设定励磁分量为“0”的条件下经二相旋转/三相静止坐标变换2r/3s，得到SPWM调制器的三相电压调制信号，转速的设定既可通过电位器手动调节，也可以通过触控屏实现设定。

太阳能板18输出的电能通过太阳能控制器的控制，一方面向蓄电池13供电，一方面通过系统电路向控制系统提供工作电源；提供的系统工作电源一部分经支路XW-3648-24-36W型电压转换器转换成24C电压后通过支路电路提供给触控屏和主控板，另一部分输送给电机控制器；在太阳能板18、蓄电池13、系统电路和工作电路上分别设置有断路器QF₁、QF₂、QF₃、QF₄。

在ARM主控板上，压力传感器20、流量传感器21、转速传感器7和电子尺19统一连接到ARM主控板的PG2接口上，节约I/O接口，由VCC和COM接口提供工作电压；由于单总线为开漏，因此在PG2接口上外接有一个4.7K的上拉电阻；所述的触控屏采用232通信，通过通信链路连接在ARM主控板的GND、TXD及RXD接口上；太阳能控制器与ARM主控板之间采用485通信，工作时需提供24V电源；ARM主控板的DE接口用于电机14旋转方向的控制：当DE接口上的开关切换到+5V端时，DE端为高电平，电机14正转，当切换到COM端时，电机14反转，根据机组的运行特性，设DE端一般为高电平。

为了解决现有的技术中，无法判断PE管的伸长状态而导致PE管可能被拉断的情况，本方案中，在卷盘9上盘绕的PE管中，最内层的PE管末端安装有微碰开关SQ₁，所述的ARM主控板的+24V电压接口与AI2两个接口与继电器KM的线圈、微碰开关SQ₁呈回路串联；主控板上设置有无线传输模块的发射端，在喷头车29的牵引装置38上配套安装有无线传输模块的接收端和声光报警装置，继电器KM的常开辅助触点串联在无线传输模块的发射端的电源回路中，同无线传输模块的接收端、声光报警装置共同组成无线声光报警装置，作为卷盘9牵引的参考控制信号；所述的电源回路连接至支路电路。

电机控制器的直流输入端接在系统电路上，三相输出端U、V、W与电机14相连，编码端分别同电机14轴上的光电编码器连接，其手动调节电位器通过开关连接在电机控制器的+5V端、IN1端以及COM端；ARM主控板通过电机控制器切换电机14运作时，所需的参考电压由ARM主控板上的AI2接口给定，输入到电机控制器IN1端，产生调节三相电压占空比，以实现对电机14的控制，控制端SQ用于电机14的刹车，正常时SB₁紧停开关处于打开状态SQ为高电平，当出现意外或紧急情况时，按下SB₁，此时SQ为低电平，系统刹车。

当卷盘9上的PE管伸长至尽头时，微碰开关SQ₁被触发，此时继电器KM的 常开辅助触点闭合，此时无线传输模块的发射端的电路被导通，则利用ARM主控板、无线传输模块发射端向正在牵引喷头车29带动PE管移动的牵引装置38上的无线传输模块接收端发出报警信号，利用声光报警的方式提醒操作人员此时PE管已被拉至尽头，需尽快停止牵拉操作防止PE管的断裂。

参见图7、图8所示，触控屏开发设计包括智能喷灌机控制系统触控界面和智能喷灌机参数设置触控界面两部分，控制系统触控界面包括位于中间区域的电子尺19位置、流量、压力、太阳能板18电压、太阳能发电流、太阳能累计发电、蓄电池13电压、负载电流、蓄电池13温度、蓄电池13电荷量、负载累计用电、蓄电池13浮充、低保护电压、低恢复电压、时间日期、运行状态等参数显示区域和位于右下角的手动/自动、普通/精确、停止/运行及参数设置等触摸操作区域，手动工作时，机组可按照设定运行速度运行，其速度的设定通过电位器来完成，自动运行时，机组可选择普通运行模式或精准运行模式，普通运行模式时，机组可按照设定运行速度自动调节运行，精准运行模式时，机组可按照设定喷灌强度自动调节运行，停止/运行触控按钮用于机组的启停操作，同时，可通过左下角的运行时间设定，实现机组的定时操作；所述的触摸屏参数设置窗口包括转盘3直径、高档设定、低档设定、流量设定、喷头33口径、速度设定、一层起始、二层起始、三层起始、四层起始、五层起始、停机位置等参数设定区域，用于完成运行基本参数的设定工作，通过设定转盘3直径及各层PE管层数等信息，借助各传感器反馈参数，在调节控制器的调节下，实现机组运行速度的精确比例调节，消除由于软管23在绞盘上缠绕直径的变化及输水软管23附带水体质量的变化带来的阻力变化对机组喷洒均匀系数带来的影响。

参见图9、图10、图11所示，系统的软件设计主要由三部分组成：初始化程序、主程序、中断服务子程序组成。具体包括DSP及ARM调速控制系统软件主程序、无刷直流电机14矢量控制定时器中断子程序及触控屏及闭环调速控制系统中断子程序流程图。

本发明的具体工作过程：

喷灌前，被喷灌地块形状无论规则与否，都应根据PE管的长度和喷头33射程，考虑两边有一定重叠，规划设计成条带状，输压力水的干管(或其它提供压力水的方式)最好敷设在地块的中间，并在干管上相应每个条带的中间处设一 给水栓37。喷灌时，首先用牵引装置38将喷灌机牵引至地块的第一条带的给水栓37处放下喷头车29，然后再用牵引装置38将喷头车29拉至划分条带39的端头卸开牵引装置38，喷灌准备工作就绪。

值得注意的是，在利用牵引装置38牵引喷头车29时，为防止牵引机在牵引喷头车29时，因为距离原因无法了解PE管所处伸长状态而度过渡牵引造成的PE管被拉断，可将设计的无线传输模块接收端装置安放于牵引装置38上，实现PE管伸长状态的远程传输指示与报警，提醒工作人员及时停止继续牵引。

当太阳能发电量充足或蓄电池13饱和时，喷灌机优先采用太阳能电机14驱动方式，关闭水涡轮11打开压力水泵并合下断路器QF₃和断路器QF₄(一般情况下断路器QF₁和断路器QF₂均处于闭合状态)，太阳能板18向蓄电池13和电机14双向供电，多余的电则充入蓄电池13中。系统供电正常后，启动喷灌机触控屏，首次使用时需进入参数设置界面完成喷灌机基本参数的设定，例如管道层数、每层管道缠绕圈数、绞盘直径、喷嘴直径等，基本参数设置完成后进一步对运行速度及喷灌强度值进行设定。当机组选择手动运行方式时，可通过电机控制器上的电位器手动调节运行速度，运行速度的大小主要由输入IN1端的电压决定，参考电压越大输出控制PWM占空比越大，电机14转速越高。反之，参考电压越小输出控制PWM占空比越小，电机14转速越低。当机组选择自动运行方式时，机组可根据水源参数或波动大小选择普通运行模式或精准运行模式，如果水源参数稳定或波动较小时，可选择普通运行模式，普通模式时首先需设定机组的运行速度，然后ARM主控板会通过参考转速传感器7及电子尺19采集反馈值，计算当前速度偏差，调节输出参考电压AI1值，实现机组按照设定运行速度自动调节运行；如果水源参数不稳定或波动较大时，可选择精准运行模式时，精准运行模式时首先需要设定机组的喷灌强度(流量)，然后ARM主控板会通过参考压力传感器20、流量传感器21、速度传感器及电子尺19采集反馈值，计算当前喷灌强度偏差，调节输出参考电压AI1值，实现机组按照设定运行速度自动调节运行，机组运行时停止/运行触控按钮处于运行状态，灌溉结束时，通过将停止/运行触控按钮切换到停止模式，机组停止运行。

当太阳能发电量不足且蓄电池13电量较弱，太阳能和蓄电池13输出的功率不能完成满足驱动电机14额定工作要求时，喷灌机可采用水涡轮11与电机14 联合驱动方式，卷盘9的转动动力一部分来自于水流的动能，通过水涡轮11的转换带动卷盘9转动，一部分来自于太阳能驱动电机14，运行过程的调整由电机14控制系统完成，控制方法同上。

当太阳能发电量远远不足且蓄电池13无电时，太阳能和蓄电池13输出的功率完全不能满足驱动电机14额定工作要求时，喷灌机可直接采用水涡轮11驱动方式，这种工作方式下，机组的喷洒质量受卷管直径的变化及管体阻力的变化影响较大。

按照上述系统控制方式，喷头车29在卷盘9的缓慢转动缠绕软管23情况下，向卷盘车28方向移动，直至喷头车29喷完一条带地靠近卷盘车28，便可自动停机，更换一工作位置。此新工作位置可以是平行的相邻条带，也可以是将卷盘9在底盘上旋转180°，喷灌此条带地的另一边，直至完成全部地块的灌溉。系统在运行的过程中所有的运行参数可通过触摸屏实时显示更新，指导机组运行。若在运行过程当中出现意外或紧急故障时，按下SB₁，系统刹车。

在系统的软件执行过程中，对于DSP及ARM闭环调速控制系统，系统初始上电或者系统复位后首先执行初始化程序，实现对DSP及ARM内部各功能模块工作模式的设定和初始触控、故障等状态的检测，完成上述工作后，开启中断，系统执行主程序。当中断发生时，执行相应的中断服务子程序。在通过触控屏进行参数设定或运行操作控制时，若发生触控中断，系统读取触控屏坐标，并判断坐标是否合法，若合法，则根据触控坐标执行相应命令，执行结束后中断返回，若判断未发生触控中断或坐标不合法，则直接返回。在驱动电机14闭环调速控制调节时，若系统发生A/D中断，首先读取压力、流量、电机14转速及电子尺19各传感器采集值，ARM主控系统会根据采集反馈值计算当前的速度偏差或喷灌强度偏差，若偏差值超过设定范围，则系统进入无刷直流电机14矢量控制定时器中断，根据编码器转子位置传感器PG检测转子转速ω_r和转角θ_r，并计算sinθ_r和cosθ_r，由转速调节器ASR和电流调节器ACR得到定子电压转矩分量在设定励磁分量为“0”的条件下经二相旋转/三相静止坐标变换2r/3s，得到SPWM调制器的三相电压调制信号，对电机14的转速进行调节。

随着机组的运行，一旦PE管缠绕层数发生变化带动电子尺19采集反馈值变 化，系统会按照预先设定的调节比例，通过调节输出参考电压AI1，实现DSP无刷直流电机控制器对电机14转速的调节控制，调节结束后中断返回。

Claims (8)

1.一种可视化水涡轮和太阳能电机联合驱动卷盘式喷灌机，包括卷盘式喷灌机，该卷盘式喷灌机包括前支撑(1)、机架(4)、喷头车(29)、水涡轮(11)、变速箱(2)和安装在机架(4)上的卷盘车(28)，卷盘车(28)中盘绕设置有通向喷头车(29)的软管(23)，变速箱(2)由水涡轮(11)提供驱动力，其特征在于，该卷盘式喷灌机还包括设置在卷盘车(28)顶部的太阳能板(18)，太阳能板(18)通过支架(25)固定在设置于机架(4)上的侧立架(41)上，机架(4)上设置有电机(14)和蓄电池(13)，太阳能板(18)向蓄电池(13)和电机(14)双向供电，电机(14)和变速箱(2)共同或单独通过链轮(42)驱动卷盘车(28)中的卷盘(9)转动；

侧立架(41)上安装有控制箱(15)，控制箱(15)中设置控制系统，该控制系统包括主控板，在主控板上连接有触控屏、流量传感器(21)、压力传感器(20)、转速传感器(7)和电子尺(19)，其中流量传感器(21)、压力传感器(20)安装在通向水涡轮(11)的进水管(10)上，转速传感器(7)安装在链轮(42)上，电子尺(19)安装在卷盘车(28)前方以检测卷盘(9)上当前缠绕软管(23)层数；卷盘(9)运行时，主控板根据压力传感器(20)和流量传感器(21)采集参数实时地按照设定喷灌强度值对转盘(3)的转速以计算值为给定值，以转速传感器(7)采集值为参考值进行双闭环控制，并决定电机(14)和变速箱(2)驱动卷盘(9)转动的方式；与此同时，主控板根据电子尺(19)采集的参数确定当前软管(23)层数，实现跨级快速调整；

所述的卷盘车(28)的前端设置有排管装置(26)，软管(23)托在排管装置(26)的托管轮(27)上，保证管道整齐盘绕在卷盘(9)上；在卷盘(9)下的机架(4)上设置有转盘(3)，便于喷灌机旋转180°向两侧喷洒作业。

2.如权利要求1所述的可视化水涡轮和太阳能电机联合驱动卷盘式喷灌机，其特征在于，所述的电机(14)采用直流无刷驱动电机，该电机(14)通过连接在主控板上的DSP无刷电机(14)控制器控制，该电机控制器检测电机(14)的转速位置信号并产生空间矢量PWM调速信号，实现电机(14)的闭环负反馈控制；电机控制器包括三相SPWM逆变器和连接在逆变器上的转子位置传感器、转速调节器和电流调节器，其中电机(14)的定子由三相SPWM逆变器供电，电机(14)的转子位置传感器检测转子转速ω_r和转角θ_r，并计算sinθ_r和cosθ_r，由转速调节器和电流调节器得到定子电压转矩分量在设定励磁分量为“0”的条件下经二相旋转/三相静止坐标变换2r/3s，得到SPWM调制器的三相电压调制信号。

3.如权利要求2所述的可视化水涡轮和太阳能电机联合驱动卷盘式喷灌机，其特征在于，所述的太阳能板(18)输出的电能通过太阳能控制器的控制，一方面向蓄电池(13)供电，一方面通过系统电路向控制系统提供工作电源；提供的系统工作电源一部分经支路电压转换器转换后通过支路电路提供给触控屏和主控板，另一部分输送给电机控制器；在太阳能板(18)、蓄电池(13)、系统电路和工作电路上分别设置有断路器。

4.如权利要求3所述的可视化水涡轮和太阳能电机联合驱动卷盘式喷灌机，其特征在于，所述的主控板采用ARM主控板，压力传感器(20)、流量传感器(21)、转速传感器(7)和电子尺(19)统一连接到ARM主控板的PG2接口上，由VCC和COM接口提供工作电压；并在PG2接口上设置有一个4.7K的上拉电阻；所述的触控屏采用232通信，通过通信链路连接在ARM主控板的GND、TXD及RXD接口上；太阳能控制器与ARM主控板之间采用485通信，ARM主控板的DE接口用于电机(14)旋转方向的控制。

5.如权利要求4所述的可视化水涡轮和太阳能电机联合驱动卷盘式喷灌机，其特征在于，在卷盘(9)上盘绕的软管(23)中，最内层的软管(23)末端安装有微碰开关SQ₁，所述的ARM主控板的+24V电压接口与AI2两个接口与继电器KM的线圈、微碰开关SQ₁呈回路串联；主控板上设置有无线传输模块的发射端，在喷头车(29)的牵引装置(38)上配套安装有无线传输模块的接收端和声光报警装置。

6.如权利要求5所述的可视化水涡轮和太阳能电机联合驱动卷盘式喷灌机，其特征在于，所述的继电器KM的常开辅助触点串联在无线传输模块的发射端的电源回路中，同无线传输模块的接收端、声光报警装置共同组成无线声光报警装置，作为卷盘(9)牵引的参考控制信号；所述的电源回路连接至支路电路。

7.如权利要求3至6中任一权利要求所述的可视化水涡轮和太阳能电机联合驱动卷盘式喷灌机，其特征在于，所述的电机控制器的直流输入端接在系统电路上，三相输出端与电机(14)相连，编码端分别同电机(14)轴上的光电编码器连接，其手动调节电位器通过开关连接在电机控制器的+5V端、IN1端以及COM端；ARM主控板通过电机控制器切换电机(14)运作时，所需的参考电压由ARM主控板上的AI2接口给定。

8.如权利要求1至6中任一权利要求所述的可视化水涡轮和太阳能电机联合驱动卷盘式喷灌机，其特征在于，所述的卷盘式喷灌机采用消防栓取水方式，通过加压水泵(34)加压，压力水通过埋于地下的输水干管(36)输送到卷盘车(28)的车道(35)旁，并间隔一个喷洒幅宽设一个给水栓(37)，给水栓(37)连接进水管(10)；卷盘式喷灌机作业前，先根据作业地形将田块划分为矩形条带，利用牵引装置(38)将喷头车(29)牵引至地头，然后在卷盘车(28)软管(23)的牵引下顺序完成灌溉。