CN110998584B - 可变速率的高速灌溉控制用系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种在灌溉机器内组合了传感器输入、控制系统、场地地图、马达控制以及高速和可变速马达设计的系统和方法。根据优选实施方式，本发明提供了甚至在小于马达的额定速度的速度处也能够具有全扭矩操作的系统。根据另外的优选实施方式，本发明利用了包括变频磁阻马达、直流永磁马达和交流永磁马达的马达类型组合变频驱动器的组合。

Description

可变速率的高速灌溉控制用系统及方法

相关申请

本申请要求于2017年8月10日提交的美国临时申请No.62/543,463的优先权。

本发明的背景技术和技术领域

技术领域

本发明总体上涉及一种用于灌溉管理的系统和方法，并且更特别地，涉及一种用于结合高速、可变速率的马达以对现代灌溉机器的运行效率进行管理的系统和方法。

背景技术

过去，灌溉机器已经利用了许多不同的电动马达技术来提供动力从而使灌溉机器在场地上移动。已经使用了诸如有刷直流和三相交流感应之类的马达类型。在大多数情况下，这些马达由简单的开关接触器(机电开关)继电器控制，所述简单的开关接触器继电器通过以下任一方式进行操作：1)来自控制面板的脉宽调制信号，该信号用于通过对灌溉机器的端部或主驱动单元(跨接件塔架)进行操作来设置机器的速度，或者2)通过用于确保中间驱动单元或从动单元与主驱动单元的对准的对准开关。

在一些过去的产品中，代替传统驱动单元的惯常的起停运动，三相交流感应马达与可变速驱动器耦合以提供恒定的运动。这种类型的系统具有许多优点，其中包括：降低传动系和相关联的组件(即变速箱的齿轮齿、跨接件结构、驱动单元结构等)上的应力；改进的水均匀度；在关闭周期内减少或消除驱动单元的滑行(这种滑行可能导致进水不畅或不良的施用对象均匀度)；以及减少的轮胎打滑。但是，这种类型的系统也具有一些缺点，包括成本和复杂性。但是，主要缺点是三相交流感应马达的输出扭矩会随着在三相交流感应马达的运行速度降低到马达的额定速度以下而减小。对于灌溉机器而言，这是一个重大缺点，原因在于在灌溉期间通常要求灌溉机器以低速(即全速的10％至25％)运行，然后以更高的速度(即全速的95％至100％)运行以使机器快速地移开从而进行其他耕种操作，或者将机器重新定位以用于另一个灌溉周期。

在灌溉期间，经常需要最大扭矩来将重的、充满水的灌溉跨接件携带通过场地(通常在起伏的地形上)并通过场地中的深轮辙。另外，轮辙可能可能会充满大量泥浆，需要通过灌溉机器的轮胎将所述泥浆推开。结果，具有耦合至变频驱动器的三相交流感应马达的灌溉机器在该灌溉机器于低速处运行的能力方面是受限的。为了对此进行补偿，在某些情况下，相关技术的系统使用了在低速处的启停运行模式(从而消除了恒定运动的某些优点)，并利用了过大尺寸的马达以便在灌溉期间提供足够的扭矩(导致费用增加)。

尽管有用，但是相关技术未能教导或建议能够将高速和可变速马达用于与灌溉机器一起使用的任何系统。为了克服相关技术的局限性，需要一种下述系统：所述系统能够将高速和可变速马达以及控制系统组合从而使现代灌溉机器的运行效率最大化。

发明内容

为了解决相关技术中存在的缺点，本发明提供了一种在灌溉机器内组合传感器输入、控制系统、场地地图、马达控制以及高速和可变速马达设计的系统和方法。根据另一个优选的实施方式，本发明的控制器可以优选地结合到灌溉机器的控制系统中，使得所述控制系统可以控制灌溉机器的任何或所有方面以响应于传感器输入(包括检测到的机器对准、用户命令的速度、用户命令的旋转等)等来调节并控制灌溉机器的速度。

根据另外的优选实施方式，本发明提供了甚至在比马达的额定速度小的速度处也能够具有全扭矩操作的系统。根据另外的优选实施方式，本发明利用包括开关磁阻马达以及直流永磁马达的马达类型组合变频驱动器的组合。结果，本发明的马达设计克服了由变频驱动供以动力的交流感应马达的局限性，同时提供了恒定运动的优点。

被结合在说明书中且构成说明书的一部分的附图示出了本发明的各种实施方式，并且与说明书一起用于说明本发明的原理。

附图说明

图1示出了用于与本发明一起使用的系统性示例性灌溉。

图2示出了根据本发明的第一优选实施方式的控制装置的示例性处理架构的框图。

图3示出了根据本发明的另一优选实施方式的框图。

具体实施方式

为了促进对本发明的原理的理解，现在将参考附图中示出的实施方式，并且将使用特定语言来描述它们。然而，将理解的是，在此不意图限制本发明的范围，并且可以预期本领域技术人员通常会想到的对所示设备的这些改变和进一步修改。

如本文所使用的术语“程序”、“计算机程序”、“软件应用程序”、“模块”等被限定为设计成用于在计算机系统上执行的指示序列。程序、计算机程序、模块或软件应用程序可以包括子例程、函数、过程、对象实现、可执行应用程序、小程序、小服务程序、源代码、目标代码、共享库、动态负载库和/或设计成用于在计算机系统上执行的其他指示序列。如本文所限定的，数据存储装置包括许多不同类型的计算机可读介质，所述计算机可读介质允许计算机从该计算机可读介质读取数据并且维持所存储的数据以供计算机能够再次读取数据。这样的数据存储装置可以包括例如非易失性存储器，诸如ROM、闪存、备用电池RAM、磁盘驱动器存储器、CD-ROM、DVD和其他永久性存储介质。然而，根据本发明的不同实施方式，设想甚至诸如RAM、缓冲器、高速缓冲存储器和网络电路之类的易失性存储装置来用作这种数据存储装置。

本文描述的系统和方法的各方面可以被实现为被编程到各种电路中的任何电路中的功能，所述各种电路包括可编程逻辑设备(PLD)，诸如现场可编程门阵列(FPGA)、可编程阵列逻辑(PAL)设备、电可编程逻辑和存储设备以及基于标准单元的设备、以及专用集成电路(ASIC)。用于实现系统和方法的各方面的一些其他可能性包括：具有存储器的微控制器、嵌入式微处理器、固件、软件等。此外，系统和方法的各方面可以实现于具有基于软件的电路仿真、离散逻辑(顺序的和组合的)、自定义设备、模糊(中性网络)逻辑、量子设备以及以上任何设备类型的混合设备的微处理器中。当然，可以以例如如下各种部件类型来提供基础的设备技术：金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)技术，例如互补金属氧化物半导体(CMOS)；双极技术，例如发射极耦合逻辑(ECL)；聚合物技术(例如，硅共轭聚合物和金属共轭聚合物-金属结构)；混合的模拟和数字等。

图1示出了可以与本发明的示例实现方式一起使用的示例性自走式灌溉系统100。如所理解的是，图1中公开的灌溉系统100是可以结合有本发明的特征的示例性灌溉系统。因此，图1是用于说明性的，并且各种系统中的任何系统(即，固定系统以及线性和中心枢轴自走式灌溉系统；拐角系统)可以与本发明一起使用而不受限制。

如图1所示，示例性系统100包括管线102和联接(例如，连接)到管线102的主部段组件104(灌溉部段组件)。管线102可进入井、储水库(例如水箱)、或其他流体源，以将水提供给灌溉系统100。例如，可以对管道102加压以便于水从水源到主部段组件104的传输。流体源可以联接到农产品的储存库或其他源，以将肥料、杀虫剂和/或其他化学物质注入流体中，从而产生用于在灌溉期间施用的施用对象。因此，施用对象可以是水、肥料、除草剂、杀虫剂及其组合等。

主部段组件104包括由一个或更多个塔架结构110、111、112、113、113A支撑的多个互连的跨接件106、107、108、109(例如灌溉跨接件)。塔架结构110、111、112、113、113A可以是本领域中已知的用来充分地支撑本文所描述的管道(例如，水管部段)的任何塔架结构。应该理解的是，部段组件104可以包括任意数量的跨接件和塔架结构。塔架结构110、111、112、113、113A各自均包括轮114、116，以辅助灌溉系统100绕耕种区域(例如，田地)穿行(例如，允许主部段组件104围绕耕种区域穿行)。在一实现方式中，轮114、116可以由合适的驱动单元118(例如，驱动马达)等驱动，以辅助系统100绕指定区域穿行。例如，塔架结构110可以包括驱动单元118以推动灌溉系统100穿过耕种区域。可以理解，虽然每个塔架结构110、111、112、113、113A被示出为联接有仅两个轮114、116，但是每个塔架结构110、111、112、113、113A根据灌溉系统100的设计要求可以包括另外的轮、履带等。

如图1所示，每个跨接件106、107、108、109包括相应的管道120、121、122、123(例如，管)，所述管道被配置成沿系统100的长度将液体(例如，施用对象)携带(例如，运输、提供等等)到一个或更多个施用对象分散组件，所述施用对象分散组件被构造成灌溉耕种区域。每个管道120、121、122、123可以彼此联接以允许各个管道之间的流体连通。在一实现方式中，管道120、121、122、123可以由桁架型框架结构124、125、126支撑。因此，主流体移位设备可以被构造成使施用对象穿过管道120、121、122、123移位。进一步如图1所示，灌溉系统100还包括从端部塔架结构112向外延伸的悬臂结构128。如另外所示，多个桁架杆130在塔架结构110、111、112之间被张紧。在各实现方式中，桁架杆130包括在桁架型框架结构124、125、126之间纵向延伸的桁架杆段132(即，轴部件)。桁架杆段132可以端对端相连地布置，并且可以利用悬挂于相应的跨接件106、107、108、109的吊具134被分开。例如，吊具134可以利用例如对角部136悬挂于相应的跨接件106、107、108、109。

现在参考图2，此时将讨论示例性的控制设备138，控制设备138代表控制灌溉系统100的一个或更多个操作方面的功能。如所示出的，示例性控制设备138优选地包括处理器140、存储器142、模块151和网络接口144。处理器140为控制设备138提供处理功能，并且处理器140可以包括任意数量的处理器、微控制器、或其他处理系统。处理器140可以执行一个或更多个实现本文描述的技术的软件程序。存储器142是有形计算机可读介质的示例，其提供存储功能以存储与服务器102(客户端设备104)的操作相关联的各种数据，例如上述软件程序和代码段，或者用以指示处理器140和控制设备138的其他元件执行本文所述的步骤的其他数据。存储器142可以包括例如可移动和不可移动的存储元件，诸如RAM、ROM、闪存(例如，SD卡、小型SD卡、微型SD卡)、磁性存储设备、光学存储设备、USB存储设备等等。网络接口144提供使控制设备138能够通过诸如无线接入点、收发器等的各种部件以及这些部件所采用的任何相关软件(例如，驱动器、配置软件等)而与一个或更多个网络146通信的功能。

在实现方式中，灌溉位置确定模块148可以包括全球定位系统(GPS)接收器等以计算灌溉系统100的位置。此外，控制装置138可联接至灌溉系统100的引导设备或类似系统152(例如，转向组件或转向机构)以控制灌溉系统100的移动。如图所示，控制设备138还可以包括位置地形补偿模块151，以辅助控制所述系统的移动和位置感知。此外，控制设备138可以优选地还包括多个输入和输出，以从传感器154和监测设备接收数据，如下面进一步讨论的。

根据本发明的优选实施方式，本发明的处理器140可以优选地接收诸如场地地图数据以及水压和气象数据的数据，所述气象数据可以优选地包括来自传感器系统的风速、风向、湿度和大气压力，如下文进一步讨论的。此外，处理器可以接收并访问灌溉路径数据150，灌溉路径数据150还可以包括水施用速率、机器速度和马达运行数据。优选地，本发明的系统可以优选地操作成向处理器提供所有传感器、操作和速度数据的连续更新，使得处理器可以在灌溉系统执行给定浇水计划时实时动态地计算并更新目标马达速度。另外，根据本发明的方面，处理器140可以优选地被编程为接收：灌溉地图数据(即，给定场地的GPS尺寸)；气象数据(包括湿度、温度、风速和风向)；运动数据(包括灌溉机器的速度和方向)；和地形数据(包括有关要灌溉的地形的坡度的数据)；以及安全区域、引导塔架速度、最大ET比、最小弧半径、完整或部分圆、最大/最小轨迹、开始/结束角度等。

根据另一优选实施方式，驱动传感器154可以优选地包括模拟、非接触式对准传感器(或类似物)，该传感器可以向控制器提供对准信号，该控制器进而控制和/或调节马达的速度。根据另一个优选实施方式，本发明的马达可以优选地是可变速马达，所述可变速马达能够具有达到和/或大于3600RPM的转速。根据另一个优选实施方式，用于与本发明一起使用的马达可以优选地是任意下述马达：所述马达在部分速度处能够供应的扭矩等于或大于用于在灌溉系统上使用的全速处的额定扭矩。例如，优选的马达可以是SR马达或DC马达(例如永磁DC马达)等，如下面进一步讨论的。根据又一优选实施方式，本发明的驱动系统还可以优选地包括52:1的螺旋中心驱动变速箱和52:1的蜗轮变速箱。替代性地，也可以使用其他配置，包括：40:1的螺旋中心驱动变速箱和50:1的蜗轮变速箱，或者20:1的蜗轮驱动变速箱和52:1蜗轮变速箱。

根据另一优选实施方式，本发明可以通过减小中心驱动变速箱或轮变速箱的减速比来实现额外的速度。根据另一优选实施方式，可以通过增大马达的转速来进一步获得额外的速度。根据另外的优选实施方式，还可以优选地使用具有读取比例输入信号的变频驱动器的交流感应马达、具有较小的减速变速箱、较大直径的轮胎和/或它们的组合的标准微型开关接触器启/停马达。

根据另一替代优选实施方式，本发明的马达可以优选地是直流马达。根据本发明的另一优选替代实施方式，本发明的马达可以优选地是开关磁阻马达(SRM)。

根据优选实施方式，根据本发明的灌溉机器可以优选地实现并保持超过27英尺/分钟的地面速度。根据另外的优选实施方式，根据本发明的灌溉机器还可以优选地实现并保持在27英尺/分钟至36英尺/分钟的范围内的地面速度。根据又一另外的优选实施方式，根据本发明的灌溉机器还可以优选地实现并保持超过36英尺/分钟的地面速度。

现在参考图3，此时将进一步讨论结合本发明的方面的示例性系统165。如进一步示出的，示例性灌溉系统可以包括灌溉驱动系统CPU170。应当理解，如下所讨论的灌溉驱动系统CPU 170的功能可以优选地结合以上关于图2所讨论的控制设备138的功能和操作中的一些或全部。替代性地，控制设备138和CPU 170的元件和功能可以分布在单个位置内的多个处理元件之间，或者还分布到一个或更多个单独的控制面板或远程处理元件(即服务器、联网系统等)。

进一步如图3所示，灌溉驱动CPU 170优选地接收一个或更多个驱动数据输入，驱动CPU 170优选对该驱动数据输入进行处理和分析以创建用于灌溉转向/驱动系统178和各个驱动单元(即，SR马达)180的控制指令。如图3所示，输入到系统的驱动数据输入可以优选地包括：来自驱动总线172的输入，其可优选包括与机器有关的驱动数据，例如RPM、被命令的速度、停止、车轮位置等。输入数据可以优选地还包括来自辅助传感器174的输入，其可优选地包括诸如GPS位置数据、加速计数据、车辆方位/位置数据等的输入。此外，输入数据优选地可以还包括地面速度数据176。此外，输入数据还可包括用于指导系统的手动输入168。另外，该系统可以优选地还包括环境传感器输入167，其可以优选地向驱动CPU 170提供各种数据，这些数据可以包括例如：关于灌溉地图数据的数据(即，给定场地的尺寸)；气象数据(包括湿度、温度、风速和风向)；以及地形数据(包括关于要灌溉的地形的坡度的数据)。优选地，可以优选地处理从所有源接收到的数据，以限定并优化灌溉系统165的每个单独的驱动单元180的速度和可变速率操作状态。

根据本发明的优选方面，结合了本发明的灌溉机器可以优选地管理给定灌溉系统165的可变速度，并允许适当地使用并控制高地面速度。这种配置的结果是扩大了施用率，并减少了灌溉周期中的总工作时间和总能耗。

尽管以上关于本发明的描述包含很多特异性，但是这些不应解释为对范围的限制，而应作为示例。许多其他变形是可能的。例如，通过本发明的本发明的处理元件可以在多个频率上操作。此外，本发明提供的通信本质上可以设计为双工或单工。此外，根据需要，可以将向本发明和从本发明传输数据的过程设计成本质上是推或拉的。更进一步，本发明的每个特征可以被制成从远处的监视站远程激活和访问。因此，数据可以优选地根据需要上载到本发明和从本发明下载。

因此，本发明的范围不应由所示出的实施方式确定，而应由所附权利要求及其合法等同物确定。

Claims (16)

1.一种用于与机器化灌溉系统一起使用的系统，所述机器化灌溉系统具有至少一个跨接件和用于使所述跨接件移动的驱动系统，其中，所述用于与机器化灌溉系统一起使用的系统包括：

驱动马达，所述驱动马达能够具有将为灌溉系统的塔架结构产生超过27英尺/分钟的地面速度的RPM速率；

马达控制系统，其中，所述马达控制系统接收输入和指令并调节所述驱动马达的运行状态；其中，所述马达控制系统被设计为通过改变供应给所述驱动马达的电脉冲率、电压、电流或频率中的至少一项而与所述驱动马达一起工作，

其中，对所述马达控制系统的所述输入包括灌溉机器的被命令的速度，其中，对准传感器向所述马达控制系统提供对准信号，

所述对准信号使所述马达控制系统对所述驱动马达的所述RPM速率进行调节，

其中，所述用于与机器化灌溉系统一起使用的系统还包括处理系统，所述处理系统接收驱动马达数据并且通过所接收到的所述驱动马达数据来确定期望的驱动马达状态，所述马达控制系统从所述处理系统接收输入和指令，

所述用于与机器化灌溉系统一起使用的系统还包括至少一个气象传感器；其中，所述至少一个气象传感器被配置为检测气象数据，其中，所述气象数据包括指示下述各项的数据：温度、湿度、风速、云量、光照强度、土壤湿度或风向；湿度、压力、降水量或温度，

其中，对所述驱动马达的所述运行状态进行的调节至少部分地基于所述气象数据来确定。

2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述处理系统接收一组输入中的至少一个输入，所述一组输入包括：被命令的灌溉机器速度、马达速度、操作员命令、GPS位置、地面速度和农学传感器数据。

3.根据权利要求2所述的系统，其中，所述驱动马达数据包括指示所述驱动马达的所述RPM的数据。

4.根据权利要求1所述的系统，其中，对所述驱动马达的所述运行状态进行的所述调节包括对所述驱动马达的所述RPM速率的改变。

5.根据权利要求1所述的系统，其中，所述马达控制系统接收可变输入信号以连续地调节端部塔架的速度。

6.根据权利要求1所述的系统，其中，所述马达控制系统接收可变输入信号以连续地调节所述马达的速度。

7.根据权利要求6所述的系统，其中，所述可变输入信号由测量两个跨接件之间的相对对准的传感器来进行触发。

8.根据权利要求7所述的系统，其中，所述两个跨接件之间的所述对准被保持处于大致直的对准的状态。

9.根据权利要求7所述的系统，其中，所述传感器是非接触式传感器。

10.根据权利要求9所述的系统，其中，所述传感器是电位计式传感器。

11.根据权利要求1所述的系统，其中，所述驱动马达是能够在比所述马达的额定速度低的速度处提供全速扭矩的马达。

12.根据权利要求11所述的系统，其中，所述驱动马达是开关磁阻马达。

13.根据权利要求11所述的系统，其中，所述驱动马达是直流永磁马达。

14.根据权利要求11所述的系统，其中，所述驱动马达是交流感应马达。

15.根据权利要求1所述的系统，其中，所述驱动马达能够具有将使灌溉系统的塔架结构产生超过36英尺/分钟的地面速度的RPM速率。

16.一种用于与机器化灌溉系统一起使用的系统，所述机器化灌溉系统具有至少一个跨接件和用于使所述跨接件移动的驱动系统，其中，所述用于与机器化灌溉系统一起使用的系统包括：

驱动马达，所述驱动马达能够具有将为灌溉系统的塔架结构产生超过27英尺/分钟的地面速度的RPM速率；

马达控制系统，其中，所述马达控制系统接收输入和指令并调节所述驱动马达的运行状态；其中，所述马达控制系统被设计为通过改变供应给所述驱动马达的电脉冲率、电压、电流或频率中的至少一项而与所述驱动马达一起工作；

其中，对马达控制系统的所述输入包括灌溉机器的被命令的速度；

其中，所述马达控制系统接收可变输入信号以连续地调节端部塔架的速度；

其中，对所述驱动马达的所述运行状态进行的所述调节包括对所述驱动马达的所述RPM速率的改变；

其中，所述驱动马达是能够在比所述马达的额定速度低的速度处提供全速扭矩的马达，

其中，处理系统确定期望的驱动马达状态；并且所述马达控制系统从所述处理系统接收输入和指令；

其中，所述处理系统接收各种输入中的至少一个输入，所述各种输入包括：被命令的机器速度、马达速度、操作员命令、GPS位置、地面速度、农艺传感器的测量数据，

其中，用于与机器化灌溉系统一起使用的系统还包括至少一个气象传感器；其中，所述至少一个气象传感器被配置为检测气象数据，其中，所述气象数据包括指示下述各项的数据：温度、湿度、风速、云量、光照强度、土壤湿度或风向；湿度、压力、降水量或温度，

其中，对所述驱动马达的所述运行状态进行的调节至少部分地基于所述气象数据来确定。