CN109029591B - 一种电动微耕机研发实验装置及方法 - Google Patents

Abstract

一种电动微耕机研发实验装置及方法，采用包括有电机控制器、在线采集系统的实验装置，配合电力测功机测试台。使用时，采用在线采集系统采集控制器的输入电压、电流以及控制器输出的电机转速信号；之后将动力系统安装在电力测功机测试台上，调节电池模拟器输入给控制器的电压，顺次以相同间隔单位调整电压，测试该动力系统在不同电压下的动力特性、效率特性；得到不同工况和刀具情况下应有参数与电信号对应关系；利用该装置及方法为不同款式的电动微耕机匹配动力系统，并实现效率的最大化，从而提高产品性能，降低制造成本及使用成本。

Description

一种电动微耕机研发实验装置及方法

技术领域

本发明创造涉及一种实验装置及方法，尤其是一种电动微耕机研发实验装置及方法。

背景技术

电动微耕机以电机代替传统微耕机的燃油发动机，具有体积小、质量轻、无污染、操作简单、工作可靠、转向灵活等特点。特别适用于棚室内蔬菜、水果相关工作，以及茶叶、药材等对污染特别敏感的植物种植。

电动微耕机工况复杂，刀具种类繁多，负载波动较大，且蓄电池随电量增长价格增长较快，因此开发一种电动微耕机研发实验装置，能够实时测得、记录电动微耕机负载变化规律，并以此对电动微耕机动力系统进行优化匹配，以满足动力性及经济性十分必要。

发明内容

针对以上问题，本发明创造提出了一种电动微耕机研发实验装置及方法，采用包括有电机控制器、在线采集系统的实验装置，配合电力测功机测试台。检测不同工况下微耕机最佳工作状态时的电信号信息。利用该装置及方法为不同款式的电动微耕机匹配动力系统，并实现效率的最大化，从而提高产品性能，降低制造成本及使用成本。

为了实现上述目的，本发明创造采用的技术方案为：一种电动微耕机研发实验方法，其特征在于，其步骤为：

1）检查并确定现有电动微耕机上的直流无刷电机及蓄电池处于正常可工作状态；

2）在电动微耕机的操作杆上安装电机控制器和在线采集系统，蓄电池输出电能经过电机控制器调整后，再输入至直流无刷电机中进行供电；在线采集系统检测电机控制器输入侧电流电压，和电机控制器输出的脉冲转速信号，并将检测信号储存至储存模块中；

3）直流无刷电机及电机控制器与电力测功机测试台连接，调整电力测功机测试台上的电池模拟器输入给控制器的电压，以规定电压为间隔单位，测试该系统在不同电压下的动力特性及效率特性，得到该系统在不同电压下的输出扭矩随转速的变化曲线和总体效率随工况变化规律；

4）依次将不同的工作刀具安装在电动微耕机上进行作业，得到并记录使用不同工作刀具时，在线采集系统检测到的电压、电流及脉冲转速信号，其中脉冲转速信号代表电机实际转速，电流电压代表电机的输出功率及扭矩；

5）在线采集系统测试记录电动微耕机在特定的具体作业条件下，工作时的电压、平均电流、瞬态电流、转速，并根据测得的数据计算出扭矩数据，与在电流测功机测试台上测得的动力系统在该对应电压下的动力参数和效率参数进行一一对应，通过查表的方式得到在该作业条件下应有的输入功率、输入扭矩、最大峰值扭矩、最佳效率区间；

6）通过步骤1）-步骤4），得到不同作业条件下应有的平均功率、平均扭矩、瞬态扭矩；使用时，对照实验结果，选用合适规格、型号、电池容量的微耕机。

所述的步骤3）中，电池模拟器输入给控制器的电压从50V-70V进行调整，以1V电压为间隔单位。

一种电动微耕机研发实验装置，微耕机中包括有工作刀具、操作杆和直流无刷电机，其特征在于：微耕机的工作刀具通过微耕机底盘安装在安装台上，工作刀具的动力输入端与安装台上直流无刷电机动力输出端连接；在操作杆上安装有电机控制器、在线采集系统和蓄电池；

蓄电池的电能经过电机控制器后输出至直流无刷电机中，电机控制器用于调整直流无刷电机接收到的三相直流电的频率，控制直流无刷电机的输出扭矩和转速；

在线采集系统的采集信号输入端与电机控制器连接，用于采集电机控制器输入的电压和电流信号、电机控制器输出的电机转速信号；

在线采集系统中包括有储存模块和主控芯片，储存模块与主控芯片连接，用于储存采集信息及计算得到的扭矩信号。

所述的先采集系统中主控芯片为C8051F040芯片，采集信号依次经过放大电路、多路开关电路、A/D转换器后输入至主控芯片中，采集信息储存至与主控芯片连接储存模块的同时，通过USB传输至计算机中进行显示。

所述的在线采集系统的采集电路与电机控制器正负极输入端连接，在线采集系统的采集电路与电机控制器输出的脉冲转速信号相连。

本发明创造的有益效果为：

1. 线采集系统可实时监测电动微耕机工作时电压、电流、转速动态参数，所测得的数据准确可靠。

2. 该装置对电动微耕机基本无结构性改动，无需添加额外的扭矩传感器、速度传感器等设备，只需要将增加的结构安装在电动微耕机上即可，成本低廉，适用性好。

3. 结合在线采集系统测得的参数与在电力测功机测试台上测试该动力系统的电机与电机控制器在不同电压下的动力特性、效率特性，可以通过查表的方式计算出在该作业条件下应有的输入功率、输入扭矩、最大峰值扭矩、最佳效率区间，为开发某一型电动微耕机提供必要的动力参考，满足该具体型号的电动微耕机的动力需要及效率匹配。

4. 通过该装置及方法可以计算出电动微耕机在工作时的瞬态阻力，为动力匹配做出必要的参考，防止工作时电机堵转的发生。

5. 通过该装置及方法可以得到电动微耕机在工作时的平均功率，为动力匹配做出必要的参考，使得动力系统始终工作在最大效率区域，节省能源，同时能够减小电池容量降低成本。

6. 通过该装置及方法测得不同作业条件下所需的输入功率，为电动微耕机产品的系统分型提供必要数据支持。

附图说明

图1为电动微耕机研发实验装置结构图。

图2为在线采集系统示意图。

图3为在线采集系统电路框图。

图4为在线采集系统电路图。

图5具体一种电压下该动力系统的动力特性曲线、效率特性曲线图。

实施方式

一种电动微耕机研发实验方法，其特征在于，其步骤为：

1）检查并确定现有电动微耕机上的直流无刷电机2及蓄电池1处于正常可工作状态；

2）在电动微耕机的操作杆7上安装电机控制器3和在线采集系统4，蓄电池1输出电能经过电机控制器3调整后，再输入至直流无刷电机2中进行供电；在线采集系统4检测电机控制器3输入侧电流电压，和电机控制器3输出的脉冲转速信号，并将检测信号储存至储存模块4-5中；

3）直流无刷电机2及电机控制器3与电力测功机测试台连接，调整电力测功机测试台上的电池模拟器输入给控制器的电压，以规定电压为间隔单位，测试该系统在不同电压下的动力特性及效率特性，得到该系统在不同电压下的输出扭矩随转速的变化曲线和总体效率随工况变化规律；

4）依次将不同的工作刀具安装在电动微耕机上进行作业，得到并记录使用不同工作刀具时，在线采集系统4检测到的电压、电流及脉冲转速信号，其中脉冲转速信号代表电机实际转速，电流电压代表电机的输出功率及扭矩；

5）在线采集系统测试记录电动微耕机在特定的具体作业条件下，工作时的电压、平均电流、瞬态电流、转速，并根据测得的数据计算出扭矩数据，与在电流测功机测试台上测得的动力系统在该对应电压下的动力参数和效率参数进行一一对应，通过查表的方式得到在该作业条件下应有的输入功率、输入扭矩、最大峰值扭矩、最佳效率区间；

6）通过步骤1）-步骤4），得到不同作业条件下应有的平均功率、平均扭矩、瞬态扭矩；使用时，对照实验结果，选用合适规格、型号、电池容量的微耕机。

扭矩数据的具体计算方法为：

电力测功机测试台能够测试测参数有：控制器输入的电压、控制器输入的电流、电机的输出扭矩、电机的转速；

在线采集系统能够采集的参数有：控制器输入的电压、控制器输入的电流、电机的转速；

电机及控制系统功率关系：电机输出功率Po，控制器输入功率Pi，电机及控制器总效率η，输入电压V，输入电流I，电机转速n，电机输出扭矩T；

Po=Pi*η ；

Pi =V*I/1000；

Po=n*T/9550；

所以：

n*T/9550= V*I*η/1000

电机及控制在工况特定情况下即转速扭矩不变的情况下，总效率η保持不变；

所以利用电力测功机测试台测试的四项测参数（控制器输入的电压、控制器输入的电流、电机的输出扭矩、电机的转速）建立数据库；以及利用在线采集系统采集的三项参数（控制器输入的电压、控制器输入的电流、电机的转速）；即可以求的微耕机实际工作过程中的负载扭矩。

所述的步骤3中，电池模拟器输入给控制器的电压从50V-70V进行调整，以1V电压为间隔单位。

一种电动微耕机研发实验装置，微耕机中包括有工作刀具6、操作杆7和直流无刷电机2，微耕机的工作刀具6通过微耕机底盘5安装在安装台8上，工作刀具6的动力输入端与安装台8上直流无刷电机2动力输出端连接；在操作杆7上安装有电机控制器3、在线采集系统4和蓄电池1；

蓄电池1的电能经过电机控制器3后输出至直流无刷电机2中，电机控制器3用于调整直流无刷电机2接收到的三相直流电的频率，控制直流无刷电机2的输出扭矩和转速；

在线采集系统4的采集信号输入端与电机控制器3连接，用于采集电机控制器3输入的电压和电流信号、电机控制器3输出的电机转速信号；

在线采集系统4中包括有储存模块4-5和主控芯片4-1，储存模块4-5与主控芯片4-1连接，用于储存采集信息及计算得到的扭矩信号。

所述的先采集系统4中主控芯片4-1为C8051F040芯片，采集信号依次经过放大电路4-2、多路开关电路4-3、A/D转换器4-4后输入至主控芯片4-1中，采集信息储存至与主控芯片4-1连接储存模块4-5的同时，通过USB传输至计算机中进行显示。

所述的在线采集系统4的采集电路与电机控制器3正负极输入端连接，在线采集系统4的采集电路与电机控制器3输出的脉冲转速信号相连。

所述的电机控制器3型号：BC630-1507。额定电压60V，额定功率1.5kW,最大电流75A。

使用时：

如图1所示，在传统微耕机底盘的安装台8上安装布置直流无刷电机2为动力源，并匹配蓄电池1提供电源，电机控制器3控制微耕机行走速度和动力输出，不同的工作刀具6安装到微耕机底盘5输出轴上进行作业，在线采集系统4采集记录必要的参数。

如图2所示，蓄电池1提供直流电源给电机控制器3，电机控制器3提供三相直流电源给直流无刷电机。电机控制器3通过控制输出的三相直流电的频率控制直流无刷电机2转速，通过控制输出的三相直流电的电流大小控制直流无刷电机2的输出扭矩。在线采集系统4通过电压传感器直接采集记录电机控制器3的输入电压，通过电流传感器间接采集控制器的输入电流，通过采集电机控制器3发出的转速脉冲型号记录电机的转速。

如图3-4所示，主控芯片4-1在线采集系统4中可实时监测电动微耕机工作时的动态参数，该系统以单片机为主控芯片，配有电流、电压、转速信号采集电路。信号调理电路放大电路4-2、多路开关电路4-3、A/D转换器4-4组成，并设有相应的显示和储存模块，能够对直流电动机的电流、电压、转速信号进行实时采集，并将数据保存到上位机中进行后续的调用处理。整个系统主要由CPU主控制单元、电源模块、并行接口通信模块、模数转换输入、Flash存储模块、计算机显示模块组成。主控芯片4-1是系统的核心部件，负责完成数据处理、存储及基本指令控制等；电源模块是系统的动力能源，为其他模块正常工作提供必需的能源输出；并行通信模块具体为并口或USB传输模块，是系统与外界联系的路径；存储模块具体为Flash或SD卡，是数据采集后存储的部分；计算机显示模块与并行通信模块连接，为系统显示其输出结果的平台；模拟输入输出通道对模拟量进出主控制器前做一定的处理，保证系统正常工作。

如图5所示，在电力测功机测试台上测试该动力系统的电机与电机控制器在不同电压下的动力特性、效率特性。得到该动力系统在不同电压下的输出扭矩随转速的变化曲线，总体效率随工况变化的规律。

由此，在线采集系统测试记录电动微耕机在具体某种作业条件下（具体某种土地以及工作刀具），工作时的电压、平均电流、瞬态电流、工作转速；根据上述数据结合在电流测功机测试台上测得的动力系统的在该对应电压下的动力参数和效率参数，数据即可以通过查表的方式计算出在该作业条件下应有的输入功率、输入扭矩、最大峰值扭矩、最佳效率区间，为开发某一型电动微耕机提供必要的动力参考，满足该具体型号的电动微耕机的动力需要及效率匹配。

实施例

1.在传统微耕机底盘上安装布置60V、1500W直流无刷电机及控制器为动力系统，根据传统经验该功率能够满足所有作业的要求。安装60V、25AH锂电池为电源，安装以单片机为核心的在线采集系统采集控制器的输入电压、电流以及控制器输出的电机转速信号。

2. 将该动力系统安装在电力测功机测试台上，调节电池模拟器输入给控制器的电压，从50-70V，以1V为间隔单位，测试该动力系统在不同电压下的动力特性、效率特性。得到该动力系统在不同电压下的输出扭矩随转速的变化曲线，总体效率随工况变化的规律。

3. 依次将不同的工作刀具安装在电动微耕机上进行不同工况的作业，分别记录上述作业的电压、电流、转速参数。

4. 将在线采集系统测试记录电动微耕机在具体某种作业条件下，工作时的电压、平均电流、瞬态电流、工作转速等数据，与在电流测功机测试台上测得的动力系统的在该对应电压下的动力参数和效率参数进行对应，得到对用关系。数据即可以通过查表的方式计算出在该作业条件下应有的输入功率、输入扭矩、最大峰值扭矩、最佳效率区间。

5.通过上述结构，能够得到不同作业条件下应有的平均功率、平均扭矩、瞬态扭矩。根据作业类型的不同，开发不同型号的微耕机时，电机的最大扭矩一定要大于瞬态扭矩以防止堵转的发生，也可以在最大效率区域选用合适的蓄电池性高进行供电，以节省电力满足经济性要求，同时电池的设计容量降到最低以降低成本。

Claims (5)

1.一种电动微耕机研发实验方法，其特征在于，其步骤为：

1）检查并确定现有电动微耕机上的直流无刷电机（2）及蓄电池（1）处于正常可工作状态；

2）在电动微耕机的操作杆（7）上安装电机控制器（3）和在线采集系统（4），蓄电池（1）输出电能经过电机控制器（3）调整后，再输入至直流无刷电机（2）中进行供电；在线采集系统（4）检测电机控制器（3）输入侧电流电压，和电机控制器（3）输出的脉冲转速信号，并将检测信号储存至储存模块（4-5）中；

3）直流无刷电机（2）及电机控制器（3）与电力测功机测试台连接，调整电力测功机测试台上的电池模拟器输入给控制器的电压，以规定电压为间隔单位，测试该系统在不同电压下的动力特性及效率特性，得到系统在不同电压下的输出扭矩随转速的变化曲线和总体效率随工况变化规律；

4）依次将不同的工作刀具安装在电动微耕机上进行作业，得到并记录使用不同工作刀具时，在线采集系统（4）检测到的电压、电流及脉冲转速信号，其中脉冲转速信号代表电机实际转速，电流电压代表电机的输出功率及扭矩；

5）在线采集系统测试记录电动微耕机在具体作业条件下，工作时的电压、平均电流、瞬态电流、转速，并根据测得的数据计算出扭矩数据，与在电力测功机测试台上测得的动力系统在该对应电压下的动力参数和效率参数进行一一对应，通过查表的方式得到在作业条件下应有的输入功率、输入扭矩、最大峰值扭矩、最佳效率区间；

6）通过步骤1）-步骤4），得到不同作业条件下应有的平均功率、平均扭矩、瞬态扭矩；使用时，对照实验结果，选用合适规格、型号、电池容量的微耕机。

2.根据权利要求1所述的一种电动微耕机研发实验方法，其特征在于：所述的步骤3）中，电池模拟器输入给控制器的电压从50V-70V进行调整，以1V电压为间隔单位。

3.一种权利要求1所述的电动微耕机研发实验方法所使用的电动微耕机研发实验装置，微耕机中包括有工作刀具（6）、操作杆（7）和直流无刷电机（2），其特征在于：微耕机的工作刀具（6）通过微耕机底盘（5）安装在安装台（8）上，工作刀具（6）的动力输入端与安装台（8）上直流无刷电机（2）动力输出端连接；在操作杆（7）上安装有电机控制器（3）、在线采集系统（4）和蓄电池（1）；

蓄电池（1）的电能经过电机控制器（3）后输出至直流无刷电机（2）中，电机控制器（3）用于调整直流无刷电机（2）接收到的三相直流电的频率，控制直流无刷电机（2）的输出扭矩和转速；

在线采集系统（4）的采集信号输入端与电机控制器（3）连接，用于采集电机控制器（3）输入的电压和电流信号、电机控制器（3）输出的电机转速信号；

在线采集系统（4）中包括有储存模块（4-5）和主控芯片（4-1），储存模块（4-5）与主控芯片（4-1）连接，用于储存采集信息及计算得到的扭矩信号。

4.根据权利要求3所述的一种电动微耕机研发实验装置，其特征在于：所述的在线采集系统（4）中主控芯片（4-1）为C8051F040芯片，采集信号依次经过放大电路（4-2）、多路开关电路（4-3）、A/D转换器（4-4）后输入至主控芯片（4-1）中，采集信息储存至与主控芯片（4-1）连接储存模块（4-5）的同时，通过USB传输至计算机中进行显示。

5.根据权利要求4所述的一种电动微耕机研发实验装置，其特征在于：所述的在线采集系统（4）的采集电路与电机控制器（3）正负极输入端连接，在线采集系统（4）的采集电路与电机控制器（3）输出的脉冲转速信号相连。