CN110998122A

CN110998122A - 灌溉机的电子制动系统

Info

Publication number: CN110998122A
Application number: CN201880049385.7A
Authority: CN
Inventors: 特蕾西·A·撒切尔; 基廷·戴斯
Original assignee: Valmont Industries Inc
Current assignee: Valmont Industries Inc
Priority date: 2017-10-16
Filing date: 2018-10-12
Publication date: 2020-04-10
Anticipated expiration: 2038-10-12
Also published as: AU2018355113A1; MX2020003731A; ZA202000010B; BR112020007328A2; WO2019083742A1; CA3068737A1; EP3698064A4; EP3698064A1; CN110998122B

Abstract

本发明提供了一种用于灌溉机的电子制动系统。根据示例性优选实施方式，本发明包括一种驱动控制器，该驱动控制器包括供电电路，该供电电路在动力请求被输入到驱动控制器中时发出接通状态信号，并且在动力没有被输入到系统中时发出断开状态信号。根据另一优选实施方式，本发明还包括三相感应电动机，该三相感应电动机被连接成向连接至至少一个驱动轮的驱动轴施加扭矩。根据另一优选实施方式，供电电路在驱动控制器发出接通状态信号时向驱动电动机提供480V的AC的动力，并且在驱动控制器发出断开状态信号时向电动机的至少一个相提供10‑80V的DC的非动力。根据另一优选实施方式，施加DC电流是紧接在从驱动电动机移除动力之后施加的，并且非动力的施加制动并阻止驱动轴进行转动，直到移除DC电流为止。

Description

灌溉机的电子制动系统

相关申请

本申请要求于2018年7月18日提交的美国专利申请16/038,859的优先权；本申请要求于2017年7月20日提交的美国临时申请序列号62/534,822的优先权；本申请还要求于2017年10月16日提交的美国临时申请序列号62/572,803的优先权，上述全部内容通过引用整体并入本文。

技术领域

本发明总体上涉及灌溉机，并且更具体地，涉及用于灌溉机的电子制动系统。

背景技术

现代的田间灌溉机是驱动系统和喷洒器系统的组合。通常，这些系统根据它们被设计用于执行的行程的类型而分为两种类型：中心枢轴和/或线性。

不管是中心枢轴还是线性的，普通灌溉机通常都包括顶喷式喷灌系统，该系统由连结在一起并由桁架支撑的若干管段(通常是镀锌钢或铝)组成，这些管段安装在轮式塔架上并沿其长度方向安装有喷洒器。这些机器以圆形模式(如果是中心枢轴)或线性移动，并从外部源(即井或水管线)供给水。灌溉机的基本功能是将施用物(即水或其他溶液)施用到给定位置。

多年来，灌溉机的滑行(coasting，惯性滑行)一直是一个挑战，但通过在相对水平的地面上进行操作已将该滑行最小化。然而，在最近的一段时间里，随着机械化灌溉的发展和更多的种植者越来越意识到机械化灌溉的好处，机器已部署在更加崎岖的地形上。此外，更多的种植者正在使用其灌溉机来施用肥料和化学品，而种植者正在利用诸如可变速率灌溉(VRI)之类的精密灌溉系统来提高其田地的生产力。结果，滑行驱动单元的问题变得更加明显，并引起种植者的更大关注。引起关注的一个原因是滑行驱动单元会导致灌溉机过度的减速或加速。这可能导致灌溉水和/或通过机器输送到田地的化学品或肥料的施用过多或不足。

通常，灌溉机使用脉冲宽度调制信号来控制机器的端部塔架的速度。脉冲宽度调制信号以一定百分比的占空比操作端部塔架中心驱动电动机。但是，如果发生端部塔架的滑行，则机器可能会在给定的占空比内更快(正向滑行)或更慢(反向滑行)地移动(traverse，穿过)该距离，导致上述应用过度或不足的问题。内部(中间)塔架根据需要进行操作以保持跨接件对齐。当这些内部塔架沿任一方向(正向或反向)滑行时，机器可能变得未对齐，导致经由对齐安全系统关闭机器。

防止灌溉机驱动单元滑行的先前方法包括在驱动轮处使用高传动比蜗杆传动齿轮箱(50：1或更大)，通过密封件在传动系齿轮箱内产生额外的摩擦，并使用高比蜗杆中心传动齿轮箱。其他方法包括内置在传动系中的机械制动器。例如，美国专利No.7,073,638教导了一种农业灌溉系统，其包括设置在传动齿轮电动机与分隔齿轮箱之间的滚珠坡道制动器。类似地，美国专利No.8,215,471教导了一种用作致动器驱动中的扭矩阻挡器的机械制动器，其包括布置在输入驱动轴上的轴向移位(换挡，shifting)机构。另外，美国专利No.3,957,144教导了一种用于机械致动器的连续滚子制动器，其具有接合在周向凹槽中的滚珠元件。

对于现有技术的各个系统，滑行的解决方案是在传动系内(从电动机通过中心传动齿轮箱并且通过轮式齿轮箱)产生足够的动摩擦，以最大程度地减少在占空比的“断开期间”从电动机断电时的旋转降速(spin-down)时间，并且在某些情况下，使用机械制动器或机构以防止在“断开期间”的机械运动。但是，驱动塔架的重量和惯性可能仍足以使得驱动塔架继续移动不可接受的距离，尤其是在倾斜的地形上，导致“滑行效应”。此外，纯粹在传动系内使用增加的动摩擦会在传动系部件内产生不必要的磨损和热量，并且增加灌溉机的能耗。另外，机械制动器或机构容易遭受高的腐蚀率和磨损率，尤其是在灌溉机常在的潮湿环境中，这会导致高维护成本和高故障率。

为了克服现有技术的限制，需要一种能够在灌溉操作期间有效地减少在不平坦表面上的滑行的系统。

发明内容

为了使现有技术中的限制最小化，并且使在阅读说明书时显而易见的其他限制最小化，本发明提供了一种用于灌溉机的电子制动系统。

根据示例性优选实施方式，本发明包括一种驱动控制器，该驱动控制器包括供电电路，该供电电路在动力请求被输入到驱动控制器中时发出接通状态信号，并且在动力没有被输入到系统中时发出断开状态信号。

根据另一优选实施方式，本发明还包括三相感应电动机，该三相感应电动机被连接成向驱动轴施加扭矩，该驱动轴连接至至少一个驱动轮。

根据另一优选实施方式，优选地，本发明的供电电路在驱动控制器发出接通状态信号时向驱动电动机提供480V的AC的动力；并且在驱动控制器发出断开状态信号时向电动机的至少一个相提供10-80V的DC的非动力。

根据另一优选实施方式，施加DC电流是紧接在在从驱动电动机移除动力之后施加的，并且非动力的施加制动并阻止驱动轴进行转动，直到移除DC电流为止。

附图说明

图1示出了根据本发明的第一优选实施方式的示例性灌溉机的图示。

图2示出了用于如图1所示的示例性灌溉机的示例性端部塔架的图示。

图3示出了用于图2所示的示例性端部塔架的示例性电路图的图示。

具体实施方式

现在详细参考本发明的示例性实施方式，其示例在随附附图中示出。在所有附图中，将尽可能使用相同的附图标记表示相同或相似的部件。说明部分、实施方式和附图不应视为限制权利要求的范围。还应理解，在整个本公开中，除非在逻辑上要求是其他方式，否则在示出或描述过程或方法时，可以以任何顺序，重复地、迭代地或同时地执行该方法的步骤。如在本申请中通篇使用的，词语“可以”以允许的意义(即，是指“具有潜力”)而不是强制性的意义(即，是指“必须”)使用。

另外，本文给出的任何示例或说明均不应以任何方式视为对其使用的任何一个或更多个术语的约束、限制或限定表达。相反，这些示例或说明应被视为仅是说明性的。本领域普通技术人员将理解，与这些示例或说明所使用的一个或更多个术语将涵盖其他实施方式，这些实施方式可能与这些术语一起给出或在说明书中的其他地方给出，也可能未给出，并且所有何种实施方式旨在被包括在该一个或更多个术语的范围内。

现在参考图1-图3，本发明教导了一种用于减少灌溉机的滑行的改进的系统。图1示出了结合本发明的各方面的示例性自走式灌溉系统100，现在将进行讨论。应理解的是，图1中公开的灌溉系统100是可以集成本发明的特征的示例性灌溉系统。相应地，图1旨在是说明性的，并且各种替代系统(即固定的系统以及线性和中心枢轴自走式灌溉系统；静止系统；转角系统和/或弯管机类型的系统)中的任何一种都可以与本发明一起使用而不受限制。例如，尽管图1示出为中心枢轴灌溉系统，但是本发明的示例性灌溉系统100也可以被实现为线性灌溉系统。示例灌溉系统100不旨在以任何方式限制或限定本发明的范围。

如图所示，图1示出了用于本发明的示例性自走式灌溉系统100。如图所示，灌溉系统100包括支撑驱动塔架108、109、110的跨接件102、104、106。此外，每个驱动塔架108、109、110均示出有相应的驱动控制器112、113、114。对于每个驱动塔架108、109、110，相应的驱动控制器112、113、114通常可以控制相应的驱动电动机117、119、120和驱动轮115、116、118。此外，灌溉机100可以包括延伸部/悬垂部121，该延伸部/悬垂部可以包括端枪(未示出)。根据本发明的替代实施方式，在不脱离本发明的范围的情况下，单个灌溉机可以结合各种其他类型的驱动塔架(包括非动力的)中的任何一种来使用根据本发明的一个或更多个驱动塔架。

现在参考图2，进一步更详细地示出了示例性端部驱动塔架110。如图所示，驱动塔架包括驱动控制器114，该驱动控制器经由线121进行电连接，该线包括一条或更多条电线，以用于向驱动电动机120提供电力传输。如图进一步所示，驱动电动机120与驱动轴123机械接合，该驱动轴向一个以上驱动轮118施加扭矩。根据优选实施方式，本发明中的驱动控制器114和其他控制元件可以是如在2017年7月26日提交的美国临时申请No.62/537,026中公开的固态控制器，该美国临时申请的全部内容通过引用并入本文。

根据本发明的优选实施方式，塔架控制单元114优选地对驱动塔架110的驱动状态作出反应。根据一优选实施方式，在第一驱动状态下，在向驱动电动机120施加动力的情况下，该系统优选地可以向驱动电动机120的每个绕组施加AC电流。在第二驱动状态下，在没有向驱动电动机120施加动力情况下，控制器可以向驱动电动机120的一个或多更个绕组临时施加DC电流。根据另一优选实施方式，向驱动电动机120施加临时DC电流优选是紧接在从绕组移除动力之后施加的。以此方式，DC电流优选地在电动机120的转子内产生固定的电磁力。优选地，施加的DC电流所产生的施加的电磁力进行制动，然后阻止转子转动，直到DC电流被移除为止，如下面进一步讨论的。

根据本发明的优选实施方式，通过暂时“冻结”电动机的转子，整个传动系可以优选地保持在适当位置，以允许传动系中的齿轮箱从动摩擦切换到较高的静摩擦的状态。根据一优选实施方式，较高的静摩擦优选地足以防止传动系的进一步运动，从而消除了滑行现象。

根据优选实施方式，当移除电动机的动力时，优选地将DC电流持续地注入到三相480V的AC的感应电动机的单相。根据第二优选实施方式，将DC电流注入到三相电动机的单相，直到传动系不再运动并且可以利用传动系中的较高的静摩擦来防止滑行为止。根据第三优选实施方式，在DC注入已经使转子停止并且移除注入之后，可以通过感测由转子的运动和转子板叠堆中的剩余磁性的组合产生的任何感应定子电流来监测转子的运动。如果感测到运动，则可以在一段时间内再次施加DC注入，直到转子的运动停止为止，或者在这之后继续施加。根据另一优选实施方式，在从电动机移除动力之后不久施加DC电流。根据替代的优选实施方式，本系统可以在以下情况下持续地操作：当没有向电动机施加动力时，或者根据需要持续更长或更短的时间，或者当机器没有被供电时(通过诸如电池的单独电源、太阳能电池板、非开关电源等)。

根据另外的优选实施方式，本发明的施加的电流可以与其他电动机类型一起使用，诸如开关磁阻、单相AC等。此外，根据所选择的电动机类型，本发明可以施加其他形式的电流。相应地，在适用的情况下，本发明可以替代地施加交流电(AC)。

现在参考图3，本发明的示例性驱动控制器可以优选地包括所选择的控制元件，以用于基于如上所述的电动机的电力状态向驱动电动机的多个元件选择性地施加电力。更具体地，本发明的驱动控制器(或其他壳体)可以优选地包括开关元件，以在从驱动电动机移除动力时控制向驱动电动机的绕组中的一个或更多个绕组施加DC电流。优选地，功率控制和开关机构可以利用固态开关(诸如MOSFET、IGBT等)或类似物来代替诸如继电器之类的机械开关。

如图3所示，现在将进一步讨论用于本发明的各方面的示例性电路124。提供电路124以解释本发明的新颖方面，并且应当理解，可以在不脱离本发明的范围的情况下根据需要重新布置电路元件，广义上讲，电路124提供了一种在所需电压(即24V的DC，10A)下将AC电流转换为DC电流的机制，以提供制动力。此外，该电路包括控制器，以检测过零并基于测量的波(即正弦波)进行控制调用。

参考图3，示出了来自塔架控制器(未示出)的输入线126、128、130以及接地线132。本发明所使用的电压可以优选地在任何范围内，这取决于所使用的电动机以及系统其余部分的额定情况。根据优选实施方式，系统的电压可以优选地为480V。如进一步所示，优选地可使用高功率TRIAC134、136、138向电动机施加来自输入线126、128、130的电压。根据优选实施方式，TRIAC 134、136、138可以是诸如WeEn半导体BTA420-800BT，127等的设备。根据一优选实施方式，如果需要，控制器可以优选地单独控制每个绕组，或者一条控制线可以连接至每个TRIAC以使它们全部相同地操作。对于每条相应的线，电动机开关/断路器140、142、144可以优选地用作电动机保护设备。这些设备例如可以类似于美国电气部件号C20A3P等。可替代地，可以使用保险丝(即可以使用10-20A的保险丝)等。

还如图所示，优选地，从塔架输入(经由线145、147)分接电压，并将其传递到功率转换级以产生用于注入的DC电压。在注入之前，可以提供电路保护。如图所示，这种保护可以设置有断路器146、148(诸如Altech部件号2DU2R之类的)。可替代地，可以使用保险丝。此后，输入的电压可以优选地(通过降压变压器150)从480V的AC向下转换为120V的AC。根据一优选实施方式，变压器150可以具有4∶1的绕组比，以将480V的AC向下转换为120V的AC，并为输入提供至少0.5A的支持，并且为输出提供至少2A的支持。此后，在将AC转换为DC之前，保护电路可以可以进一步设置有另一保险丝或断路器152(即，诸如P&B部件号W28-XQ1A-3)。

此后，降压的AC信号优选地(经由转换器156)从AC转换为DC以进行注入。尽管单个转换器156被示出为Delta电子部件号PMF-24V240WCGB，但是可以使用任何其他转换器或多个转换器的组合。此外，也可以根据需要使用外部模块或板上模块进行转换。此后，优选地将经转换的DC电流施加到选定的电动机绕组，如下面进一步讨论的。

根据替代的优选实施方式，来自转换器156的输出还可以为调节器158供电，以有效地导通和截止晶体管(下面讨论的160、162)。如图所示，示例性调节器158可以是10V调节器，诸如Rohm部件号BA78M10FP-E2等。

此后，经转换的DC电流经由控制信号施加到电动机绕组，该控制信号被施加到分别控制P沟道MOSFET 164和N沟道MOSFET 165的开关/晶体管160、162。优选地，提供另外的二极管154、174以控制电流，如下面进一步讨论的。

在示例性操作中，当电动机打开时，在线126、128和130(L1、L2、L3)上提供480V以为电动机供电。当电动机关闭时，发送到线126、128、130的信号关闭，并且断开电动机的480V电压。电动机的剩余磁场基于电路的电感和电容而随着时间的流逝衰减。一段时间内，波形与480V非常相似。

响应于电动机被关闭，当控制器检测到过零状态时，控制器将PMOS(高)和NMOS(低)导通，从而接通24V的DC并将其施加到电动机的所选择的绕组上。施加24V会产生与电动机旋转相反的磁场。相应地，每当电动机通过新磁场旋转时，它就会减速。

根据上面讨论的电路124，由于注入的电压和二极管的电压，DC注入仅在电动机电压大于0且小于24V时才接通。以这种方式，首先通过注入DC电流使驱动轴和驱动塔架的轮减速，然后通过DC电流使其保持在适当位置，直到DC电流被耗散或直到再次施加动力为止。在替代实施方式中，可以在足够的时间之后移除DC电流，以允许电动机和其他传动系部件的内部静摩擦以使传动系完全停止。根据另外的优选实施方式，可以从包括有源供电的DC电源、无源电容器、电池等的各种其他源产生和/或接收用于DC注入制动的DC电压。根据另外的优选实施方式，可以使用时间延迟电路以在再次施加动力之前产生短的延迟，以确保DC注入电路完全脱离和隔离。根据另外的优选实施方式，DC注入可以在其他电压(例如600V)下施加，并且还可以包括与纯DC电压相反的半波整流的信号。在另一优选实施方式中，可以通过将来自480V的AC的三相电源的一个桥臂的正弦波的部分进行斩波来产生脉冲DC电压。

本发明的范围不应由所示的实施方式确定，而应由所附的权利要求书及其合法等同物确定。

Claims

1.一种具有至少一个跨接件和驱动塔架的自走式灌溉系统，其中，所述驱动塔架包括：

驱动控制器，其中，所述驱动控制器包括供电电路；其中，当动力请求被输入到所述控制器中时，所述供电电路发出接通状态信号；当动力没有被输入到所述系统中时，所述供电电路发出断开状态信号；

驱动电动机，其中，所述驱动电动机被连接成向驱动轴施加扭矩；其中，所述驱动轴连接至至少一个驱动轮；其中，所述驱动电动机为三相感应电动机；

其中，当所述驱动控制器发出所述接通状态信号时，所述供电电路向所述驱动电动机提供AC动力；

另外其中，当所述驱动控制器发出所述断开状态信号时，所述供电电路向电动机的至少一个相提供DC非动力；

其中，施加至所述驱动电动机的动力被施加至所述驱动电动机的三个相；

其中，非动力的施加制动并阻止所述驱动轴进行转动，直到DC电流被移除为止。

2.根据权利要求1所述的系统，其中，施加所述DC非动力是紧接在从所述驱动电动机移除所述动力之后施加的。

3.根据权利要求1所述的系统，其中，施加所述DC非动力是在从所述驱动电动机移除所述动力之后的预定间隔处施加的。

4.根据权利要求1所述的系统，其中，施加所述DC非动力，直到转子的运动停止并且传动系中的较高的静摩擦足以阻止所述传动系的进一步移动为止。

5.根据权利要求4所述的系统，其中，所述转子的进一步移动是通过监测由所述转子的移动和存在于所述转子的板叠堆中的剩余磁性的组合所感应的定子电流来进行检测的；

其中，再次施加所述DC非动力，直到所述转子的运动再次停止为止。

6.根据权利要求5所述的系统，其中，在检测到所述转子的运动之后，继续施加所述DC非动力。

7.根据权利要求1所述的系统，其中，提供给所述电动机的动力是480V的AC。

8.根据权利要求1所述的系统，其中，提供给所述电动机的动力是380V的AC。

9.根据权利要求1所述的系统，其中，提供给所述电动机的所述DC非动力是稳态直流信号。

10.根据权利要求1所述的系统，其中，提供给所述电动机的所述DC非动力是半正弦波整流的直流信号。

11.根据权利要求1所述的系统，其中，通过对来自输入AC三相动力的一个桥臂的正弦波的部分进行斩波来产生提供给所述电动机的所述DC非动力。

12.根据权利要求1所述的系统，其中，所述电动机是单相感应电动机。

13.根据权利要求1所述的系统，其中，所述DC非动力被提供给三相感应电动机的单相。

14.根据权利要求1所述的系统，其中，DC非动力是从提供给所述驱动控制器的AC动力产生的。

15.根据权利要求1所述的系统，其中，所述DC非动力是从单独电源接收的。

16.根据权利要求15所述的系统，其中，所述单独电源是太阳能电池板。

17.根据权利要求15所述的系统，其中，所述单独电源是诸如电容器或电池之类的电力存储设备。

18.根据权利要求15所述的系统，其中，所述单独电源是从电力控制器提供的专用电力电路。

19.权利要求1、3、4、5、7、10、11、13和14的组合。

20.权利要求1、3、4、5、8、10、11、13和14的组合。