CN106941842A - 一种变量施肥调节装置及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种变量施肥调节装置及其控制方法，包括肥料箱、机架、施肥执行装置、开度调节装置；施肥执行装置包括排肥器、外槽轮、排肥轴。排肥器有多个并阵列在肥料箱的下方，多个排肥器联动，统一进行施肥量变量调节；开度调节装置包括减速机构、丝杠螺母机构、拨片机构、步进电机及其控制系统；工作时，步进电机结合减速机构带动丝杠转动，使丝杠上的拨片沿丝杠做轴向运动，通过拨片拨动排肥轴做轴向运动，进而改变外槽轮的开度来调整排肥量。本发明中加入了行星轮减速机构，增加了扭矩，减轻了步进电机的负荷，能实现步进电动机转动精准控制排肥轴的轴向运动，提高变量施肥装置的动态精度。

Description

一种变量施肥调节装置及其控制方法

(一)技术领域

本发明涉及一种变量施肥调节装置及其控制方法，属于农业机械技术领域。

(二)背景技术

变量施肥是精准农业中的关键环节。在稻麦基肥施用阶段，传统施肥方式是在种植区大面积施用等量的肥料，但不同地块土壤肥力情况不同，施用相同剂量的肥料，会造成很大浪费，造成烧种、烧苗，还会产生一系列环境污染等问题。因此应根据不同地块、不同土壤和不同作物生长环境的需要，采用变量施肥的施肥方式。

国外变量施肥机械多针对液态肥，只有少数变量施肥机型针对的是固态颗粒肥，其对固态颗粒肥的变量控制主要采用电控、液压控制、气动控制和机械式的无级变速等控制方式。但是由于国内外稻麦种植的农艺要求等不同，这些技术无法直接引进推广。国内，2005年上海交通大学的刘成良教授研制成功了基于全球定位系统的自动播种、施肥、旋耕一体机。2007年，吉林农业大学研制设计了由变量液压马达实现变量作业的自动变量施肥机，变量液压马达的转速与其容积成反比，系统通过控制变量液压马达的容积来实现液压马达转速控制，实现变量施肥。石河子大学的张立新教授发明了一种双变量施肥机液压无极调速系统，该系统利用液压马达改变排肥轴的转速和轴向位移来实现双变量参数控制施肥。

国内变量施肥机械还处于试验研究阶段，现有的变量机构大多采用液压来控制外槽轮式排肥器，通过控制外槽轮的转速或开度(有效工作长度)，实现排肥量的变化，控制过程复杂，精准性差并且液压设备价格昂贵，难以在我国大范围推广。

(三)发明内容

为了解决现有变量施肥机械中存在的问题，本发明提供了一种变量施肥调节装置及其控制方法，该装置具有稳定可靠和施肥量精度高的特点，利用步进电机和丝杠螺母机构按需肥量进行精准施肥。

本发明采用的技术方案如下：

一种变量施肥调节装置，包括机架及固定在机架上的肥料箱、施肥执行装置和开度调节装置。

所述的施肥执行装置包括排肥器和排肥轴。所述的排肥器多个并排设在肥料箱的下方；排肥器由排肥盒和外槽轮构成，外槽轮安装在排肥盒内部且能转动，将排肥盒内的肥料带动排出。所述的外槽轮与排肥轴同轴固定在排肥轴上，外槽轮与排肥轴同向转动。所述的排肥轴安装在肥料箱的下方，排肥轴通过链条与排肥机的地轮连接。地轮与地面摩擦产生转动，进而通过排肥轴带动外槽轮转动。多个排肥器中的外槽轮同时固定在同一个排肥轴上，使得排肥轴同时控制多个外槽轮转动和轴向运动，统一进行施肥量变量调节，能够实现宽幅多行施肥。

所述的开度调节装置，包括减速机构、丝杠螺母机构、拨片和步进电机及其控制系统。所述的减速机构安装在排肥轴下方，固定在机架侧壁上。所述的减速机构由蜗轮、蜗杆和行星轮机构组成，蜗杆通过联轴器与步进电机相连。所述蜗轮为圆环状，内圆周和外圆周都设有齿。所述蜗轮外圆周与蜗杆啮合，蜗轮内圆周上的齿和设置于内圆周内的若干齿轮构成行星齿轮系。所述行星齿轮系包括一个中心轮和三个行星轮，三个行星轮沿中心轮圆周以120°为间隔均匀布置；所述的三个行星轮与蜗轮内圆周上的齿啮合；在三个行星轮中间设有中心轮，所述中心轮分别与三个行星轮同时啮合转动。由步进电机作为源动力，通过蜗杆带动蜗轮转动，蜗轮作为齿圈带动三个行星轮转动进而使中心轮产生转动。蜗杆的导程角小于蜗轮轮齿之间的当量摩擦角，使得蜗轮蜗杆机构具有自锁性，避免行进过程中拨片因震动等原因随意产生移动。

所述的丝杠螺母机构包括丝杠和拨片。所述的丝杠一端通过键与所述的中心轮连接，丝杠能随着中心轮的转动而转动。丝杠平行设置在排肥轴下方。所述拨片的一端与排肥轴相连；拨片的另一端设有螺纹孔，与丝杠配合连接。拨片与排肥轴之间通过并排设置的两个止推轴承连接，两个止推轴承反向安装，分别对排肥轴施加两个相反方向的轴向推力，且不会影响排肥轴的转动。由于螺旋传动原理，拨片会随着丝杠的转动产生沿着丝杠的轴向运动，进而带动排肥轴做轴向运动，从而改变外槽轮的开度对排肥量进行调节。

所述的步进电机及其控制系统包括STM32单片机、步进电机驱动器、步进电机、GPS定位模块、转速检测模块和红外测距传感器。STM32单片机、步进电机驱动器和步进电机由牵引拖拉机自带的蓄电池经过电源转换模块变压后供电；所述的STM32单片机、步进电机驱动器和GPS定位模块设置在拖拉机驾驶室内。所述的转速检测模块由霍尔传感器和感应转盘组成。所述感应转盘为一直径80mm的圆形铝合金薄片，感应转盘和排肥轴的轴心同心固定在排肥轴左端，随着排肥轴的转动而转动。所述感应转盘边缘固定有一块直径为10mm的圆形磁钢，磁钢随着圆盘的转动而转动。所述的霍尔传感器固定在机架侧壁上，霍尔传感器探头正对着感应转盘上磁钢转动所经过的位置；感应转盘在排肥轴的带动下产生转动时，磁钢每经过一次霍尔传感器探头，霍尔传感器会产生一次信号，通过单位时间内产生的信号数量，即可计算出排肥轴转速。所述的红外测距传感器设置在减速机构的外壳上，使红外测距传感器的探头正对着拨片，实时检测拨片沿丝杠运动的距离，进而计算出外槽轮的有效工作长度。

所述的步进电机驱动器、GPS定位模块、霍尔传感器和红外测距传感器通过GPIO口连接到STM32单片机上，通过GPIO口将采集数据传递给STM32单片机。所述的步进电机控制系统，根据减速机构的传动比和丝杠的导程，并结合步进电机的步距角和细分，得到一个由电机脉冲数到外槽轮开度的公式，通过精确控制步进电机的脉冲来调节外槽轮开度，进而精确控制排肥量。

基于上述结构，本发明提出了一种变量施肥控制方法，具体步骤如下：

步骤1：在肥料箱中加满肥料，启动拖拉机，启动控制系统，将变量施肥处方图导入单片机控制系统中。

步骤2：通过GPS定位模块获取当前位置坐标，结合处方图获取当前位置土壤需肥量信息。转速检测模块实时检测当前排肥轴的转速，红外测距传感器监测当前外槽轮开度L，并反馈给步进电机控制系统。

步骤3：控制系统结合当前位置需肥量、当前排肥轴的转速计算出预期外槽轮开度L₀，通过公式(1)计算出对应的步进电机脉冲数M，并控制步进电机转动改变外槽轮开度，进而实时的调节施肥量。

电机脉冲数到外槽轮开度的公式如下：

式中：M――电机脉冲数，单位(个)

Q――需要调节的外槽轮开度(正值则电机正转，负值则电机反转)，单位(mm)

L₀――预期外槽轮开度,单位(mm)

L――当前外槽轮开度,单位(mm)

θ――步进电机步距角,单位(°)

N――步进电机细分

i――减速机构传动比

P――丝杠导程,单位(mm)

δ――回程间隙补偿(实验标定获得)，单位(mm)

步骤4：机车行进过程中重复步骤2、步骤3直至完成施肥作业。

本发明与现有变量施肥装置相比所具有的优点和有益效果是：

本发明采用步进电机进行控制，结构简单，控制精度高，稳定性好，并且相对于液压马达的成本低便于大范围推广。本发明中加入了行星轮减速机构，增加了扭矩，减轻了步进电机的负荷，提高变量施肥装置的动态精度。选取合适的蜗轮蜗杆和丝杠，具有自锁功能，将机构的运动限定为只能由蜗杆带动蜗轮运动，实现步进电动机转动精准控制排肥轴的轴向运动，且无失步现象，防止震动等情况影响排肥精度。

(四)附图说明

图1是本发明整体结构主视图

图2是本发明整体结构左视图

图3是排肥器结构主视图

图4排肥器结构左视图

图5蜗轮蜗杆减速机构结构图

图6是拨片结构主视图

图7拨片结构左视图

图8控制系统原理图

图中：1.肥料箱 2.机架侧壁 3.霍尔传感器 4.感应转盘 5.磁钢 6.排肥轴 7.石墨轴套 8.减速机构 9.联轴器 10.步进电机 11.红外测距传感器 12.丝杠 13.拨片 14.排肥盒 15.外槽轮16.减速装置外壳 17.蜗杆 18.蜗轮 19.丝杠 20.中心轮 21.行星轮22.行星架 23.拨片框架 24.止推轴承 25.拨片螺纹

(五)具体实施方式

下面结合附图，详细说明一下本发明的具体实施方式。以下具体实施方式用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

实施例1：

如图1所示，本发明的整体结构由肥料箱1、机架2、石墨轴套7、排肥轴6、减速机构8、联轴器9、步进电机10、丝杠12、拨片13、排肥盒14、外槽轮15等几部分构成。

肥料箱1、减速机构8和步进电机10固定在机架侧壁2上。排肥轴6通过石墨轴套7与机架侧壁相连，既不影响排肥轴的转动，又不影响轴向运动。丝杠12与排肥轴6平行安装，使得拨片13沿丝杠轴向移动的时候能够带动排肥轴做轴向移动。排肥盒14设置在肥料箱下方；外槽轮15固定在排肥轴上与排肥轴形成一个整体，随着排肥轴的运动而运动。所述的排肥轴6的转动由地轮带动，本装置变量调节只是对外槽轮15的开度进行调节。

所述的减速机构8由蜗轮18、蜗杆17和行星轮机构结合做成，蜗杆17通过联轴器9与步进电机10相连。蜗轮18外圈与蜗杆17啮合，内部则包含一个行星齿轮系。所述的蜗轮18外圈齿数Z1为48齿，蜗杆17头数Z2为2头，蜗轮18内圈齿数Z3为45齿，中心轮20和行星轮21的齿数Z4都是15齿，则减速机构的减速比为i＝(Z2×Z4)/(Z1×Z3)＝8。整个机构起到减速增扭的作用，减小步进电机的负荷。蜗杆17的导程角小于蜗轮轮齿间的当量摩擦角，这样机构具有自锁性，不会因为震动等原因改变排肥轮开度。所述的行星齿轮系中的中心轮20通过键与丝杠12连接，使丝杠随着中心轮的转动而转动。所述的丝杠12螺距为4mm。

所述的拨片13分为两端，一端与排肥轴6相连；另一端有螺纹孔，与丝杠12配合。拨片13与排肥轴6相连的一端用止推轴承24连接，能够对排肥轴施加轴向推力，又不会影响排肥轴的转动。拨片与丝杠12配合的一端由于螺旋传动原理，会随着丝杠的转动产生沿着丝杠的轴向运动，进而带动排肥轴6做轴向运动，从而改变外槽轮15的开度对排肥量进行调节。

如图5所示，所述的步进电机及其控制系统包括电源模块、STM32单片机、步进电机驱动器、步进电机、GPS定位模块、转速检测模块和红外测距传感器。所述的STM32单片机、步进电机驱动器、步进电机、GPS定位模块和红外测距传感器均可在市场购买获得。所述的电源模块由牵引拖拉机自带的蓄电池和若干电源转换模块构成。所述的蓄电池经过电源转换模块变压，给STM32单片机、步进电机驱动器和步进电机供电。所述的STM32单片机、步进电机驱动器和GPS定位模块设置在拖拉机驾驶室内。所述的步进电机采用普菲德86BYG250H型步进电机，最大能够输出12.5N.m的扭矩，步距角为1.8°，所述步进电机驱动器采用与步进电机配套的普菲德MA860H驱动器。所述的转速检测模块由霍尔传感器和感应转盘组成。所述感应转盘为直径80mm的圆形铝合金薄片，感应转盘和排肥轴同轴心，固定在排肥轴左端，随着排肥轴的转动而转动。所述感应转盘边缘上固定有一块直径为10mm的圆形磁钢，磁钢随着圆盘的转动而转动。所述的霍尔传感器探头正对着感应转盘上的磁钢转动所经过的位置，固定在机架侧壁上。感应转盘在排肥轴的带动下产生转动时，磁钢每经过一次传感器探头，传感器会产生一次信号，通过单位时间内产生的信号数量，即可计算出排肥轴转速。所述的红外测距传感器设置在减速机构的外壳上，使红外测距传感器的探头正对着拨片，实时检测拨片沿丝杠运动的距离，进而计算出外槽轮的开度。

所述的步进电机驱动器、GPS定位模块、霍尔传感器和红外测距传感器通过GPIO口连接到单片机上，通过GPIO口将采集数据传递给单片机。所述的步进电机控制系统，根据减速机构的传动比和丝杠的导程，并结合步进电机的步距角和细分，得到一个由电机脉冲数到外槽轮开度的公式，通过精确控制步进电机的脉冲来调节外槽轮开度，进而精确控制排肥量。

所述的步进电机脉冲数到外槽轮开度的公式如下：

式中：M――电机脉冲数

Q――需要调节的外槽轮开度(正值则电机正转，负值则电机反转)

L₀――预期外槽轮开度

L――当前外槽轮开度

θ――步进电机步距角

N――步进电机细分

i――减速机构传动比

P――丝杠导程

δ――回程间隙补偿(需要实验数据进行标定)

实施例2：

基于实施例1所述结构，提出了一种变量施肥控制方法，具体步骤如下：

步骤1：在肥料箱中加满肥料，启动拖拉机，启动控制系统，将变量施肥处方图导入单片机控制系统中。

步骤2：通过GPS定位模块获取当前位置坐标，结合处方图获取当前位置土壤需肥量信息。转速检测模块实时检测当前排肥轴的转速，红外测距传感器监测当前外槽轮开度L，并反馈给步进电机控制系统。

步骤3：控制系统结合当前位置需肥量、当前排肥轴的转速计算出预期外槽轮开度L0，通过公式(1)计算出对应的步进电机脉冲数M，并控制步进电机转动改变外槽轮开度，进而实时的调节施肥量。

步骤4：机车行进过程中重复步骤2、步骤3直至完成施肥作业。

上述仅为本发明的具体实施方式，在不脱离本发明的构思和范围的情况下做出的各种变化和变型、所有等同的技术方案也属于本发明的范畴。

Claims (2)

1.一种变量施肥调节装置，其特征在于包括机架及固定在机架上的肥料箱、施肥执行装置和开度调节装置；

所述的施肥执行装置包括排肥器、排肥轴；所述的排肥器多个并排设在肥料箱的下方；排肥器由排肥盒和外槽轮构成，外槽轮安装在排肥盒内部且能转动，将排肥盒内的肥料带动排出；所述的外槽轮与排肥轴同轴固定在排肥轴上，外槽轮与排肥轴同向转动；所述的排肥轴安装在肥料箱的下方，排肥轴通过链条与排肥机的地轮连接；地轮与地面摩擦产生转动，进而通过排肥轴带动外槽轮转动；多个排肥器中的外槽轮同时固定在同一个排肥轴上，排肥轴能同时控制多个外槽轮转动和轴向运动，统一进行施肥量变量调节，实现宽幅多行施肥；

所述的开度调节装置，包括减速机构、丝杠螺母机构、拨片和步进电机及其控制系统；所述的减速机构安装在排肥轴下方，固定在机架侧壁上；所述的减速机构由蜗轮、蜗杆和行星轮机构组成，蜗杆通过联轴器与步进电机相连；所述蜗轮为圆环状，内圆周和外圆周都设有齿；所述蜗轮外圆周与蜗杆啮合，蜗轮内圆周上的齿和设置于内圆周内的若干齿轮构成行星齿轮系；所述行星齿轮系包括一个中心轮和三个行星轮，三个行星轮沿中心轮圆周以120°为间隔均匀布置；所述的三个行星轮与蜗轮内圆周上的齿啮合；在三个行星轮中间设有中心轮，所述中心轮分别与三个行星轮同时啮合转动；由步进电机作为源动力，通过蜗杆带动蜗轮转动，蜗轮作为齿圈带动三个行星轮转动进而使中心轮产生转动；蜗杆的导程角小于蜗轮轮齿之间的当量摩擦角，蜗轮蜗杆机构具有自锁性，避免行进过程中拨片因震动产生移动；

所述的丝杠螺母机构包括丝杠和拨片；所述的丝杠一端通过键与所述的中心轮连接，丝杠能随着中心轮的转动而转动；丝杠平行设置在排肥轴下方；所述拨片的一端与排肥轴相连；拨片的另一端设有螺纹孔，与丝杠配合连接；拨片与排肥轴之间通过并排设置的两个止推轴承连接，两个止推轴承反向安装，分别对排肥轴施加两个相反方向的轴向推力，且不会影响排肥轴的转动；由于螺旋拨片随着丝杠的转动产生沿着丝杠的轴向运动，进而带动排肥轴做轴向运动，从而改变外槽轮的开度对排肥量进行调节；

所述的步进电机及其控制系统包括STM32单片机、步进电机驱动器、步进电机、GPS定位模块、转速检测模块和红外测距传感器；所述的转速检测模块由霍尔传感器和感应转盘组成；所述感应转盘为一直径80mm的圆形铝合金薄片，感应转盘和排肥轴的轴心同心固定在排肥轴左端，随着排肥轴的转动而转动；所述感应转盘边缘固定有一块直径为10mm的圆形磁钢，磁钢随着圆盘的转动而转动；所述的霍尔传感器固定在机架侧壁上，霍尔传感器探头正对着感应转盘上磁钢转动所经过的位置；感应转盘在排肥轴的带动下产生转动时，磁钢每经过一次霍尔传感器探头，霍尔传感器会产生一次信号，通过单位时间内产生的信号数量，计算出排肥轴转速；所述的红外测距传感器设置在减速机构的外壳上，使红外测距传感器的探头正对着拨片，实时检测拨片沿丝杠运动的距离，进而计算出外槽轮的有效工作长度；所述的步进电机驱动器、GPS定位模块、霍尔传感器和红外测距传感器通过GPIO口连接到STM32单片机上，通过GPIO口将采集数据传递给STM32单片机。

2.如权利要求1所述的一种变量施肥调节装置的变量施肥控制方法，其特征在于步骤如下：

1)在肥料箱中加满肥料，启动拖拉机，启动控制系统，将变量施肥处方图导入单片机控制系统中；

2)通过GPS定位模块获取当前位置坐标，结合处方图获取当前位置土壤需肥量信息；转速检测模块实时检测当前排肥轴的转速，红外测距传感器监测当前外槽轮开度L，并反馈给步进电机控制系统；

3)控制系统结合当前位置需肥量、当前排肥轴的转速计算出预期外槽轮开度L₀，通过公式(1)计算出对应的步进电机脉冲数M，并控制步进电机转动改变外槽轮开度，进而实时的调节施肥量；

电机脉冲数到外槽轮开度的公式如下：

$\left\{\begin{array}{c}M=\frac{(Q-\mathrm{\δ})\·N\·i}{\mathrm{\θ}\·p}\\ Q=L_0-L\end{array}\right.---\left(1\right)$

式中：M――电机脉冲数，单位：个；

Q――需要调节的外槽轮开度，正值则电机正转，负值则电机反转，单位：mm；

L₀――预期外槽轮开度,单位：mm；

L――当前外槽轮开度,单位：mm；

θ――步进电机步距角,单位：°；

N――步进电机细分

i――减速机构传动比

P――丝杠导程,单位：mm；

δ――回程间隙补偿，单位：mm；

4)机车行进过程中重复步骤2)、3)直至完成施肥作业。