CN113791555A - 一种自动精准施肥控制系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于农业自动化技术领域，公开了一种自动精准施肥控制系统及其控制方法，该自动精准施肥控制系统，包括操作器，以及与所述操作器相连的若干个驱动器，每个所述驱动器均连接有施肥电机、施肥风机和传感器；所述操作器包括操作面板、第一通讯模块和第一控制模块。所述驱动器包括信号检测模块、施肥电机驱动模块、施肥风机驱动模块、第二通讯模块和第二控制模块。在施肥作业前通过操作面板预设肥料种类、秧苗株距、施肥量以及肥量补偿量等基本参数，由此降低肥料种类、施肥环境等影响因素，以进行施肥校准并提高施肥精度。设置好参数后启动插秧机，在进行插秧作业的同时，控制与操作器相连的驱动器进行随动地施肥作业。整机小型化且便于维护。

Description

一种自动精准施肥控制系统及其控制方法

技术领域

本发明属于农业自动化技术领域，具体涉及一种自动精准施肥控制系统及其控制方法。

背景技术

目前农机市场上常用的施肥控制器均采用简单的控制原理进行施肥作业，具体为以速比关系为算法来对插秧机的行走车速和施肥电机的转速进行同比例的计算或微调。但是在实际情况中，由于不同客户的施肥机械、施肥环境甚至肥料种类等因素存在差异性而容易造成施肥精度较差的问题。可以看出，随着我国农业产业对精准控制的要求提升，传统的施肥控制系统已经无法满足实际生产中的需要。

发明内容

本发明在于提供一种自动精准施肥控制系统及其控制方法，以解决现有技术中因不同客户的施肥机械、施肥环境甚至肥料种类等因素存在差异性而容易造成施肥精度较差的问题。

本发明是通过以下技术方案来实现的：

一种自动精准施肥控制系统，包括操作器，以及与所述操作器相连的、分体式排布的若干个驱动器，每个所述驱动器均连接有施肥电机、施肥风机和传感器；其中，所述驱动器一一对应地设置在插秧机上肥筒的底部，所述肥筒的底部还设置所述施肥电机及与施肥轴，所述施肥轴的下方设置有施肥输送管，所述施肥风机设置在所述施肥输送管的入口处，所述施肥输送管的出口处设置有施肥插嘴；

所述操作器包括操作面板、第一通讯模块和第一控制模块，所述操作面板用于将设置的肥料种类、秧苗株距、施肥量以及施肥补偿量的施肥参数和启停控制信号发送至所述第一控制模块，以及将各施肥参数和运行状态予以显示；所述第一控制模块用于根据所述施肥参数、启停控制信号以及插秧机车速变化信息得出施肥电机转速和施肥风机风速的设置值并通过所述第一通讯模块下发指令给所述驱动器；

所述驱动器包括信号检测模块、施肥电机驱动模块、施肥风机驱动模块、第二通讯模块和第二控制模块，所述信号检测模块用于接受所述传感器检测到的缺肥信息、堵肥信息以及所述插秧机车速变化信息，并输送至所述第二控制模块；所述第二控制模块用于通过所述第二通讯模块将收集到的缺肥信息、堵肥信息以及所述插秧机车速变化信息反馈至所述操作器，还根据所述第二通讯模块接收到的所述操作器下发的指令来控制所述施肥电机驱动模块、所述施肥风机驱动模块输出相应的PWM信号进而控制施肥电机的转速、施肥风机的风速。

进一步地，所述施肥电机上连接有速度传感器和位置传感器，所述速度传感器用于将检测到的施肥电机转速的实时速度信号反馈给所述第二控制模块，以将施肥电机转速的实时值与设置值进行对比，形成速度环反馈，并通过调节驱动信号占空比来校准施肥电机转速大小，进而使实际的施肥量和设置的施肥量一致；或者，所述位置传感器用于将所述施肥电机中电机转子的当前位置信号通过所述施肥电机驱动模块反馈至所述第二控制模块，结合实时速度信号将电机转子的当前位置与设置位置进行比较，形成位置环反馈，然后通过调节驱动信号占空比来校准施肥电机中电机转子的位置和运转方向，进而使实际的施肥量和设置的施肥量一致。

进一步地，所述驱动器还包括电源防反接电路、控制电源模块和电池电量检测模块，所述电源防反接电路用于防止将插秧机车载电瓶极性接反，所述控制电源模块用于将插秧机车载电瓶电压进行转换成低压稳定的电源供给所述第二控制模块、以及位置传感器和速度传感器；所述电池电量检测模块用于将检测到的实时电量反馈至第二控制模块。

进一步地，所述信号检测模块包括缺肥信号检测模块、堵肥信号检测模块和车速检测模块；所述传感器包括与所述缺肥信号检测模块相连的缺肥传感器、与所述堵肥信号检测模块相连的堵肥传感器以及与所述车速检测模块相连的车速传感器，所述缺肥传感器设置在所述肥筒的底部且位于所述施肥轴的上方，所述堵肥传感器设置在所述施肥插嘴上，所述车速传感器设置在所述插秧机的驱动电机上；所述缺肥传感器用于检测肥筒中缺肥与否，并将缺肥信息通过驱动器传输至操作器，以进行缺肥报警；所述堵肥传感器用于检测施肥插嘴末端堵肥与否，并将堵肥信息通过驱动器传输至操作器，以进行堵肥报警；所述车速传感器用于检测插秧机的车速变化。

进一步地，所述车速传感器为齿轮转速传感器。

进一步地，所述施肥电机驱动模块包括相连的施肥电机驱动电路和施肥电机功率MOS管；所述施肥风机驱动模块包括相连的施肥风机驱动电路和施肥风机功率MOS管。

进一步地，所述施肥电机和施肥风机上还分别连接有过载短路保护电路。

进一步地，所述操作器上还设置有与所述第一控制模块相连的报警模块；所述施肥电机为直流无刷电机。

本发明还提供自动精准施肥控制系统的控制方法，包括以下步骤：

在操作器上设置肥料种类、秧苗株距、施肥量及施肥补偿量等施肥参数；

操作器根据施肥参数、启停控制信号以及插秧机车速变化信息，计算出施肥电机转速和施肥风机风速的设置值，并通过驱动器发送给施肥电机、施肥风机执行；与此同时，连接在施肥电机上的速度传感器和位置传感器将检测到的施肥电机转速的实时值和电机转子的当前位置通过驱动器反馈至操作器进行对比，然后通过调节驱动信号占空比来校准所述施肥电机的转速大小和运转方向，以使实际的施肥量和设置的施肥量一致；

施肥过程中，施肥电机收到驱动信号，带动施肥轴进行转动而使肥筒内的肥料落下；肥料风机收到驱动信号，将肥料吹入肥料输送管内，流至施肥插嘴处进行施肥；

其中，缺肥传感器和堵肥传感器将缺肥信息和堵肥信息反馈至驱动器，并通过操作器进行报警；

位置传感器检测到位置偏差过大时，进行报警；

施肥电机驱动电路和施肥风机驱动电路实时分别检测施肥电机和施肥风机的驱动信号，发现信号异常进行报警；

第一通讯模块和第二通讯模块检测操作器与驱动器之间，以及驱动器之间的实时通信状态，发现通信中断则关闭施肥电机和施肥风机并进行报警。

进一步地，还采用PID调节对所述施肥电机的转速进行调整，具体为：

以T作为施肥电机转速的采样周期，k作为采样序号，则kT为离散采样时间，t为对应着的连续时间，Ti为施肥电机转速的第i个采样周期，有：

t≈kT(k＝0,1,2...)

由上述公式，得到离散的PID表达式如下：

其中，Kp为比例系数，

为积分系数，Td为微分系数；

u_k表示第k次采样时刻的施肥电机输出电机转速值；e_k表示第k次采样时刻输入的施肥电机转速偏差值；e_k-1表示第k-1次采样时刻输入的施肥电机转速偏差值；e_j表示第j次采样时刻输入的施肥电机转速偏差值；

所得u_k值对应施肥电机驱动PWM信号的占空比。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明提供的自动精准施肥控制系统，包括具有操作面板、第一通讯模块和第一控制模块的操作器，在施肥作业前通过操作面板预设肥料种类、秧苗株距、施肥量以及施肥补偿量等施肥参数，由此降低肥料种类、施肥环境等因素对施肥控制的影响，以进行施肥校准并提高施肥精度。

设置好参数后启动插秧机，施肥控制系统与插秧机联动运行，当插秧机进行插秧作业的同时，控制与操作器相连的驱动器进行随动地施肥作业。其中，与所述操作器相连的驱动器的数量为若干个，每个驱动器包括信号检测模块、施肥电机驱动模块、施肥风机驱动模块、第二通讯模块和第二控制模块。每个所述驱动器均连接有施肥电机、施肥风机和传感器。信号检测模块用于接受所述传感器检测到的缺肥信息、堵肥信息以及插秧机车速变化信息，并输送至所述第二控制模块进行对比处理，以根据插秧机车速来实时调整施肥电机转速，进而保障施肥及时、均匀。

即本发明的施肥控制系统为分体式，其驱动器的数量根据实际的使用需求及插秧机结构来进行调整，由此可控制多台施肥电机同时工作，各驱动器之间依靠CAN总线进行通信，达到各施肥电机的同步工作，整机小型化且便于维护，针对不同插秧机结构的可扩展性强。另外，信号检测模块对施肥机运行状态进行监控，将施肥机工作时可能出现的各种问题反馈至驱动器，以便于用户及时调整，进而保证整个系统可靠稳定地工作。

附图说明

图1为本发明提供的自动精准施肥控制系统的原理框图；

图2为本发明中驱动器的原理框图；

图3为本发明中操作器的原理框图；

图4是本发明中驱动器的第二控制模块(MCU)电路图；

图5是本发明中驱动器的第二通讯模块电路图；

图6是本发明中驱动器的控制电源模块电路图；

图7是本发明中驱动器的施肥风机驱动模块电路图；

图8是本发明中驱动器的施肥电机驱动模块电路图；

图9是本发明中施肥电机位置传感器的检测电路图；

图10是本发明中驱动器施肥风机、施肥电机过载短路保护电路图；

图11是本发明中施肥电机速度传感器的检测电路图；

图12是本发明中插秧机车速传感器的检测电路图；

图13是本发明中缺肥信号检测电路；

图14是本发明中堵肥信号检测电路；

图15是本发明中操作器的电源模块电路图、第一通讯模块电路图；

图16是本发明中操作器按键模块电路图；

图17是本发明中操作器蜂鸣器驱动电路图；

图18是本发明中操作器显示模块开关电路图；

图19是本发明中驱动器电源防反接电路图；

图20是本发明中施肥风机功率MOS电路图；

图21是本发明中施肥电机功率MOS电路图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行详细的说明。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

本发明提供一种自动精准施肥控制系统，参见图1，包括操作器，以及与所述操作器相连的、分体式排布的若干个驱动器，每个所述驱动器均连接有施肥电机、施肥风机和传感器；其中，所述驱动器一一对应地设置在插秧机上肥筒的底部，所述肥筒的底部还设置所述施肥电机及与施肥轴，所述施肥轴的下方设置有施肥输送管，所述施肥风机设置在所述施肥输送管的入口处，所述施肥输送管的出口处设置有施肥插嘴。

所述操作器包括操作面板、第一通讯模块和第一控制模块，所述操作面板用于将设置的肥料种类、秧苗株距、施肥量以及施肥补偿量的施肥参数和启停控制信号发送至所述第一控制模块，以及将各施肥参数和运行状态予以显示；所述第一控制模块用于根据所述施肥参数、启停控制信号以及插秧机车速变化信息得出施肥电机转速和施肥风机风速的设置值并通过所述第一通讯模块下发指令给所述驱动器。

所述驱动器包括信号检测模块、施肥电机驱动模块、施肥风机驱动模块、第二通讯模块和第二控制模块，所述信号检测模块用于接受所述传感器检测到的缺肥信息、堵肥信息以及所述插秧机车速变化信息，并输送至所述第二控制模块；所述第二控制模块用于通过所述第二通讯模块将收集到的缺肥信息、堵肥信息以及所述插秧机车速变化信息反馈至所述操作器，还根据所述第二通讯模块接收到的所述操作器下发的指令来控制所述施肥电机驱动模块、所述施肥风机驱动模块输出相应的PWM信号进而控制施肥电机的转速、施肥风机的风速。

本发明提供的自动精准施肥控制系统，包括具有操作面板、第一通讯模块和第一控制模块的操作器，在施肥作业前通过操作面板预设肥料种类、秧苗株距、施肥量以及施肥补偿量等施肥参数，由此降低肥料种类、施肥环境等因素对施肥控制的影响，以进行施肥校准并提高施肥精度。

设置好参数后启动插秧机，施肥控制系统与插秧机联动运行，当插秧机进行插秧作业的同时，控制与操作器相连的驱动器进行随动地施肥作业。其中，与所述操作器相连的驱动器的数量为若干个，每个驱动器包括信号检测模块、施肥电机驱动模块、施肥风机驱动模块、第二通讯模块和第二控制模块。每个所述驱动器均连接有施肥电机、施肥风机和传感器。信号检测模块用于接受所述传感器检测到的缺肥信息、堵肥信息以及插秧机车速变化信息，并输送至所述第二控制模块进行对比处理，以根据插秧机车速来实时调整施肥电机转速，进而保障施肥及时、均匀。

即本发明的施肥控制系统为分体式，其驱动器的数量根据实际的使用需求及插秧机结构来进行调整，由此可控制多台施肥电机同时工作，各驱动器之间依靠CAN总线进行通信，达到各施肥电机的同步工作，整机小型化且便于维护，针对不同插秧机结构的可扩展性强。另外，信号检测模块对施肥机运行状态进行监控，将施肥机工作时可能出现的各种问题反馈至驱动器，以便于用户及时调整，进而保证整个系统可靠稳定地工作。

优选的，如图3所示，操作器由驱动器供电，然后对电源进行整形滤波，稳压到3.3V给第一控制模块(MCU)使用；操作器通过第一通讯模块将操作指令下发给驱动器和施肥电机、施肥风机，并将驱动器和施肥电机、施肥风机的状态上传到操作面板的液晶屏显示模块上进行显示、按键模块进行各种设置操作；蜂鸣器模块负责系统出现故障时，进行蜂鸣器声音报警；液晶屏显示模块可以显示肥料种类、秧苗株距、当前施肥量设置、施肥补偿量设置、堵肥灵敏度设置、堵肥状态显示、缺肥状态显示、故障状态显示、流量校准显示等。更优选的，显示模块采用4.3寸彩色液晶屏，界面美观、内容多样化。

其中，第一控制模块和第二控制模块均采用MCU芯片。第一通讯模块和第二通讯模块均采用CAN总线进行通信。当驱动器数量为两个时，其中驱动器A只与驱动器B进行通信，而驱动器B同时与操作器以及驱动器A进行通信即可满足使用需求。

具体地，所述施肥电机上连接有速度传感器和位置传感器，所述速度传感器用于将检测到的施肥电机转速的实时速度信号反馈给所述第二控制模块，以将施肥电机转速的实时值与设置值进行对比，形成速度环反馈，并通过调节驱动信号占空比来校准施肥电机转速大小，进而使实际的施肥量和设置的施肥量一致；或者，所述位置传感器用于将所述施肥电机中电机转子的当前位置信号通过所述施肥电机驱动模块反馈至所述第二控制模块，结合实时速度信号将电机转子的当前位置与设置位置进行比较，形成位置环反馈，然后通过调节驱动信号占空比来校准施肥电机中电机转子的位置和运转方向，进而使实际的施肥量和设置的施肥量一致。

所述驱动器还包括电源防反接电路、控制电源模块和电池电量检测模块，参照图2，所述电源防反接电路用于防止用户将将插秧机车载电瓶极性接反造成的所述系统的损坏，所述控制电源模块用于将插秧机车载电瓶电压进行转换成低压稳定的电源供给所述第二控制模块、以及位置传感器和速度传感器；所述电池电量检测模块用于将检测到的实时电量反馈至第二控制模块。其中，控制电源模块将插秧机车载电瓶电压转为5V和3.3V，5V电源给施肥电机位置检测模块、施肥电机速度检测模块使用，3.3V电源给驱动器整个控制回路使用。

所述信号检测模块包括缺肥信号检测模块、堵肥信号检测模块和车速检测模块；所述传感器包括与所述缺肥信号检测模块相连的缺肥传感器、与所述堵肥信号检测模块相连的堵肥传感器以及与所述车速检测模块相连的车速传感器；所述缺肥传感器用于检测肥筒中缺肥与否，并将缺肥信息通过驱动器传输至操作器，以进行缺肥报警；所述堵肥传感器用于检测施肥插嘴末端堵肥与否，并将堵肥信息通过驱动器传输至操作器，以进行堵肥报警；所述车速传感器用于检测插秧机的车速变化。所述缺肥传感器设置在所述肥筒的底部且位于所述施肥轴的上方，所述堵肥传感器设置在所述施肥插嘴上，所述车速传感器设置在插秧机驱动电机的转轴上，用于检测插秧机的车速变化。其中，所述缺肥传感器为光感传感器。为了使整机小型化，所述驱动器的数量与肥筒的数量一致，所述施肥风机、施肥输送管、施肥插嘴以及堵肥传感器的数量均一致。

现有技术中，一部分施肥控制系统不对插秧机车速进行监测，这种方式的施肥量只能通过手动不断地进行设置；还有一部分施肥控制系统采用红外传感器检测插秧机车速，这种方式则不能实现施肥系统的即走即停。具体为，插秧机车辆刚启动，延时一下施肥电机才开始施肥；插秧机车辆刚停止，延时一下施肥电机才停止施肥。有的延时在2～3秒，这样的延时造成插秧机刚启动时，土地里没有施肥，即有一小块地漏施肥；插秧机停止时，土地里多施肥，即有一小块地堆积肥料。而且将红外传感器使用在农田里，当传感器检测面不小心覆盖到土壤、肥料时，传感器检测就不正常了，造成系统无法工作。本发明中，所述车速传感器选用齿轮转速传感器来检测插秧机的行走车速，检测精度高，应用在农田里抗干扰能力强，且不易受到损坏。能够保证施肥系统的即走即停，土壤施肥肥料均匀。由此实现了施肥和插秧的联动工作，即插秧机工作，施肥风机开启，施肥电机运转开始施肥；当插秧机速度慢时，施肥电机运转慢；当插秧机速度快时，施肥电机运转快；当插秧机停止工作时，施肥电机立刻停止，施肥风机延时关闭。

所述施肥电机驱动模块包括施肥电机驱动电路和施肥电机功率MOS管；所述施肥风机驱动模块包括施肥风机驱动电路和施肥风机功率MOS管。使用功率MOS管作为风机开关的功率器件，使得驱动器电路发热小、驱动效率高，同时在风机每次启动时使用PWM进行软起，这样大大减小了风机每次启动时的冲击电流，进而延长了风机的使用寿命。

施肥作业中，每台施肥电机通过同步带轮、同步带和传动主轴连接；传动主轴通过内部齿轮带动凸轮转动，肥料通过凸轮中凹糟，落入施肥输送管中，在施肥风机吹风的作用下，肥料被输送到施肥插嘴，随着插秧机的运行，完成施肥过程。所述施肥电机和施肥风机上还分别连接有过载短路保护电路。

所述驱动器和施肥电机均设置在所述肥筒下方；所述驱动器采用铝材壳体，所述壳体内壁分布有散热片。

所述操作器上还设置有与所述第一控制模块相连的报警模块。所述报警模块可以是蜂鸣器。

目前，农机市场上的施肥电机基本都使用的是直流有刷电机，低速控制效果差，当施肥量较小时，直流有刷电机转速低、力矩小，颗粒肥料在肥筒中稍有堵塞，就会造成电机转速更慢甚至停止转动。这种低速状态下的施肥精度更差；与此同时，直流有刷电机因为结构上有碳刷的原因，长时间应用在施肥环境，很容易磨损以致使用寿命较短。农机市场上还有少量施肥电机采用的是步进电机，精度虽较直流有刷电机略高，但是过载能力差，当颗粒肥料在肥筒中堵塞时，步进电机控制上容易丢步，造成电机偶尔停止转动，从而造成施肥作业不完全。

更具体的，本发明中所述施肥电机采用在低速、高速时都能很好地进行控制的直流无刷电机，电机内部有三个绕组互成120度，与之相应的，直流无刷电机内部安装有三个位置传感器(此处选用霍尔传感器)，也呈间隔120度按圆周分布，作为编码器对位置信号进行反馈。霍尔传感器是为了测量电机中转子旋转磁场的位置，从而决定施肥电机功率MOS管的通断，绕组根据电机永磁体的磁场位置作出反应，从而产生需要的转矩。

三个霍尔传感器的输出波形相差120度电角度，输出信号中高、低电平各占180度电角度，输出的三个信号可用3位二进制编码表示。在直流无刷电机中，力矩正比于电流，速度正比于电压，反电势正比于电机转速，因此其控制特性与机械特性均与直流电机基本相同。在施肥电机运转时，霍尔传感器实时检测电机转子的当前位置并反馈给所述施肥电机驱动模块，并结合电机速度信号与理论的电机转子位置进行比较，得到更准确的电机转子位置信号，施肥电机驱动模块为了使直流无刷电机速度可变，在绕组的两端加了可变电压。利用PWM控制技术，通过控制PWM信号的不同占空比，则绕组上平均电压可以被控制，从而控制电机转速。

在两组施肥单元的MCU中，利用MCU的PWM专用引脚，软件配置PWM的周期，产生PWM控制信号，然后按照转速要求设定占空比，通过高压驱动电路将信号转成高压强输出能力的可变PWM信号，输出六路PWM信号分加在六个功率MOS管上。通过改变各路PWM的占空比来调节输出电压的方向和PWM值的大小，实现输出电压或电流的变化从而控制无刷电机的运转方向和速度大小，使实际的和设置的施肥电机施肥量值完全相同。并且具有良好地过载能力，当施肥机轻微堵转时，也能进行施肥；当施肥机堵转严重时，控制系统通过过载短路保护电路可以有效地进行保护，从而保护驱动器、施肥电机以及施肥风机不受损坏。

为了对直流无刷电机进行准确的控制，通过参数设置以及霍尔传感器、位置传感器对输出量进行采集反馈形成控制闭环，可以稳定地输出设置的电流或电压，实现对电机的可靠控制。反馈分为电流环、速度环、位置环。调节步骤一般是先调节电流环参数，再调节速度环参数，最后调节位置环参数，因为电流环的响应最快，位置环的响应最慢。通过对每个负载回路串接的采样电阻电压进行采样，并对电压值进行放大，使用MCU的AD模数转换读取到当前电机的电流值，通过内部电流采集反馈调节形成闭环系统，这个属于电流环。调节电流环参数时需要遵守响应原则，否则会造成机械振动。电流环增益的调整可以改善系统的响应速度。电流环比例增益越大，响应性越好，反之越差，设置值过大会产生震荡。积分时间常数越小，响应越好，设置值过小会产生震荡。积分时间常数越大，会降低响应性，会使电流输出更平滑。一般情况，两个驱动器即可满足常规施肥需求，每个驱动器连接的施肥电机都配有速度传感器，将当前检测到的电机转速反馈给MCU，MCU将实际检测到的转速值与设置的转速值进行对比，从而迅速通过调节占空比来校准需要的电机转速，这个属于速度环。速度环用于调整速度的响应性，跟随性以及稳定性。速度环比例增益越大，跟随性越好，反之越差，过大会产生振动。积分时间常数越小，速度响应性越好，跟随性也会越好，设置值过小会产生振动。施肥电机内部配的三个霍尔传感器，对当前位置信号进行反馈，形成闭环，这个属于位置环。位置环用于调整位置的响应性。位置环比例增益越大，对指令的跟随性越好，位置误差量越小，定位整定时间越短。过大会引起定位过冲。速度前馈增益是调整对位置指令的响应，增大速度前馈增益可减小位置跟踪误差量，过大会引起加速完成过冲。利用过载短路保护电路中的采样电阻采集当前施肥电机的工作电流，对电机堵转、短路、欠流等异常电流值进行反时限关闭电机处理，电流越大，响应时间越短。

如图4所示，驱动器MCU(即第二控制模块)使用意法半导体的STM32F103RCT6，MCU芯片(U4)内嵌32位的ARM M3内核，主频高达72MHz，有足够的GPIO和通信接口，可以良好地进行施肥量的计算和施肥电机驱动的控制计算，以及各传感器信号的检测。如图5所示，驱动器MCU通过通信芯片U5(即第二通讯模块)将通信数据转成CAN信号，与另外一台驱动器，以及操作器进行数据交互。使用R35进行CAN通信的阻抗匹配，使用D7、D8吸收通信接口可能出现的异常浪涌电压，这些保证了通信的稳定性。

参照图6控制电源模块电路图中，C8、C11两颗电解电容对电瓶电压进行滤波，R6、R9对电瓶电压进行分压，驱动器MCU对分压后的电压值进行监测，来判断电瓶电量是否充足。B1用来吸收并抑制传输线上的RF噪声，U2及外围电路将电瓶电压进行稳压处理，稳压后的电压给施肥电机驱动芯片和缺肥传感器使用，这个电压经过U1和U3降压到3.3V供整个控制系统使用；同时经过U50降压到5V，给施肥电机的位置传感器和速度传感器使用。3.3V电压经过U28给施肥电机、施肥风机过载短路保护电路提供了1.65V的基准电压。

如图7所示，驱动器MCU通过U8进行施肥风机的驱动。如图8所示，通过U10进行施肥电机的驱动。如图9所示，U58及外围电路为施肥电机位置信号检测电路，通过U58对位置信号进行整形，实时获得电机的位置数据。如图10所示，通过U6、U7对施肥电机、施肥风机的实时工作电流进行监测，对出现的异常电流，判断为施肥单元工作异常，及时通过液晶屏显示故障信息。比如通过采样电阻0.01Ω对工作电流进行检测，然后通过同相放大器放大2.2倍，设置风机过流保护电流阈值为20A，所以当MCU检测到风机电流ADC口的电压大于2.09V，认为过流故障，控制系统会关闭风机，同时液晶屏上显示故障信息。

如图11所示，驱动器通过U50的高速光耦，对施肥电机的速度信号进行检测反馈，同时将控制电路和外围电路进行光信号隔离，保证驱动器控制部分不会受到外围电路的干扰。驱动器通过U64对车辆速度进行检测，并通过MCU进行数据读取计算。驱动器接口J16和外部的插秧机车速检测传感器相连接。施肥驱动轴转动时，根据转速大小引起J16信号端电平的高低变化，传感器信号输入到MCU(U4)，U4判断转速变化情况，当检测到电平变化2次后，判断插秧机已经运行，U4发出FANGATE风机启动高电平信号，PWM信号驱动U8，再驱动功率MOS管，12V电源连接端子和外部施肥风机相连，风机开始运行。当施肥驱动轴停止转动，一分钟后自动停止风机运行。实现风机随施肥驱动轴转动而进行联动。MCU调制LI1、LI2、LI3、HI1、HI2、HI3施肥电机驱动信号到驱动芯片U10，再到六只功率MOS管的驱动值，输出给电机并同时监测速度信号的反馈值，再通过MCU进行反馈保持补偿。输出值未能达到应有的转速经过反馈，MCU通过脉宽调制进行补偿，通过LI1、LI2、LI3、HI1、HI2、HI3口对驱动端功率MOS管进行控制从而达到预设定值。

参照图12，U4判断车速PTO传感器信号，识别插植轴转数数值，并通过MCU驱动引脚将设定脉宽调制信号LI1、LI2、LI3、HI1、HI2、HI3通过驱动芯片U10导通驱动施肥电机，电机驱动后与J15接的施肥轴传感器检测到的转速值进行比对反馈，电机正常运行施肥电机按照程序预设值进行施肥。在施肥电机未达到预设值时通过J15检测反馈到MCU，MCU在程序中进行处理判断将通过脉宽调制进行补偿从而达到施肥效果。监测到J16的车速PTO传感器信号停止时，MCU进行处理瞬间切断电机信号电机停转。通过车速PTO传感器、施肥轴转速传感器信号处理补偿将预设值进行判断达到预设值的施肥量。

如图13所示，J13为缺肥传感器接口，当肥筒内缺肥时，缺肥传感器检测到缺肥时，会产生缺肥报警信号，缺肥信号通过L2、R127、R123、C73滤波、D28限幅后成为QFD信号，QFD信号和驱动器MCU(U4)的检测口连接。当肥筒内缺肥时，QFD为低电平，反之，当肥筒内肥料充足时，QFD为高电平。

如图14所示，堵肥传感器1通过传感器线和图中的DF1信号接口相连，DF1为1通道堵肥传感器信号，堵肥信号经过R122和R126分压,C76滤波后的DF1A信号连接到的驱动器MCU(U4)，通过MCU内部的AD采样计算、软件滤波、内部电压等级识别可以分辨出施肥插嘴处的肥量情况，当发生堵肥时，内部检测到DF1A电压的会增大，MCU将堵肥信号通过CAN通讯传给操作器，操作器点亮液晶屏堵肥故障图标，同时蜂鸣器进行声音报警。同理，其他5路堵肥也经过类似电路，在操作器上进行状态显示。实现堵肥位置准确识别和显示报警，有利于操作人员迅速发现排除故障。

如图15所示为操作器的电源模块电路图、第一通讯模块电路图，通过F2防止输入电流异常过大，通过RV防止输入电压异常过大，通过D5防止输入电源正负极接反，通过L2抑制电源的共模干扰，通过U3、U4降压为3.3V，给操作器的控制回路使用。通过U2将通信数据转为CAN通信，从而实现操作器和驱动器之间的通信。参照图16，当没有按键按下时，操作器检测到对应按键GPIO口为高电平；当有按键按下时，检测到对应按键GPIO口为低电平，从而执行对应按键下发的指令，图中电容为抗干扰和防抖。如图17所示为蜂鸣器驱动电路，当驱动信号为高电平时，三极管Q2导通，蜂鸣器声音报警；正常情况下，驱动信号为低电平，蜂鸣器停止鸣叫。如图18所示为液晶屏电源的开关电路，当Power_Enable信号为高电平时，液晶屏通电，并点亮。

如图19所示为驱动器的功率电源电路，使用两个功率MOS管并联作为电源防反接电路，当电源正负极接反时，MOS管截止，电路后端没有电压，后端控制电路不会受到损坏。当电源正负极接正确后，MOS管导通，电路后端通电，控制系统可以正常工作。如图20所示为施肥风机的功率电路，使用Q7的功率MOS管作为施肥风机的开关，D10给施肥风机关闭时进行续流，R57、R58并联为0.01欧姆的电阻串接在施肥风机动力回路，对施肥风机的工作电流实时监测，并输送到MCU(U4)中进行数据处理。如图21所示为施肥电机的功率电路，使用6只功率MOS管作为开关，使用采样电阻监测施肥电机的工作电流，并送给MCU(U4)中进行数据处理。

本发明还提供一种自动精准施肥控制系统的控制方法，包括以下步骤：在操作器上设置肥料种类、秧苗株距、施肥量及施肥补偿量等参数。一般的，市面上常用肥种为复合肥、缓释肥、尿素三种，不同肥料种类的颗粒尺寸大小、肥料密度、施肥量范围不一样；用户可根据情况进行灵活选择，并预留特有的施肥量校准功能，可针对不同品牌的肥料进行校准。秧苗株距根据实际插秧机的农田插秧情况，株距分为10cm、12cm、14cm、16cm、18cm、22cm六组值；施肥量是指每亩地所施肥量的公斤数，设置值越大，施肥量越大，同等其他条件下施肥电机运转越快，反之同理；施肥补偿量是对不同施肥机机械差异所造成的施肥量精度不够所进行的微调参数。插秧机车速越快，施肥速度越快；反之同理。通用的参考施肥量控制范围、精度具体为：复合肥15-70KG/亩、误差±3.5％；缓释肥15-70KG/亩、误差±2.5％；尿素7.5KG-12.5KG/亩、误差±6％。以克服现有技术中的施肥控制系统只针对特定的肥种，而对多类型、多品牌的肥料种类适应性差，当农户更换肥料种类，或不同农户使用不同品牌不同肥料时，部分农户出现施肥精度更差，施肥效果差的问题。本发明中根据所述操作器设置的施肥参数及所述车速变化信息，调用程序中写入的施肥电机不同转速下每一转的施肥量，从而实时计算出当前条件下每一时刻施肥电机的理论的运转速度，也就是施肥速度，并实时将施肥电机转速值信号和施肥风机驱动信号发送给施肥电机、施肥风机，同时程序中通过定时器数信号脉冲数的方式检测施肥电机的实时转子的位置信息和速度信息并反馈，位置传感器检测电机转子的实际位置，速度传感器检测到电机的实际转速，并发送至驱动器进行计算，得到了校准后的施肥电机运转速度，使实际的和设置的施肥电机施肥量值完全相同。

实施例

启动插秧机，所述车速检测模块将所述插秧机的车速变化信息发送至驱动器；操作器根据施肥参数、启停控制信号以及插秧机车速变化信息，计算出施肥电机转速和施肥风机风速的设置值，并通过驱动器发送给施肥电机、施肥风机执行；与此同时，连接在施肥电机上的速度传感器和位置传感器将检测到的施肥电机转速的实时值和电机转子的当前位置通过驱动器反馈至操作器进行对比，然后通过调节驱动信号占空比来校准所述施肥电机的转速大小和运转方向，以使实际的施肥量和设置的施肥量一致。

施肥过程中，施肥电机收到驱动信号，带动施肥轴进行转动而使肥筒内的肥料落下；肥料风机收到驱动信号，将肥料吹入肥料输送管内，流至施肥插嘴处进行施肥。

其中，缺肥传感器和堵肥传感器将缺肥信息和堵肥信息反馈至驱动器，并通过操作器进行报警；一般地，应用在六行施肥机中，需要左右两侧各设一个驱动器，每个驱动器连接有三个堵肥传感器，整机合计配有六个堵肥传感器，六个堵肥传感器通过导线连接到驱动器，以与六个施肥插嘴的堵肥状态相对应。在工作过程中，当堵肥传感器检测到施肥插嘴堵肥时会产生堵肥信号，传到堵肥检测模块，经过MCU处理后，液晶屏显示对应的堵肥图标变为红色，并且蜂鸣器发出声音报警声。当施肥插嘴内的杂物清除，液晶屏上对应的堵肥图标恢复为正常。当六路施肥插嘴处都正常后，蜂鸣器停止报警。在实际施肥过程存在不同种类的肥料，操作器上有肥料种类选择，可以选择复合肥，缓释肥，尿素。在选择不同肥料时，堵肥传感器检测不同的肥料时产生信号强度不同，MCU会根据不同的肥料设置不同的堵肥报警阈值，避免不同肥料而产生的误报警现象。

位置传感器检测到位置偏差过大时，进行报警。

施肥电机驱动电路和施肥风机驱动电路实时分别检测电机和风机的驱动信号，当检测到驱动异常时，迅速关断PWM驱动信号，并进行报警。

第一通讯模块和第二通讯模块检测操作器与驱动器之间，以及驱动器之间的实时通信状态，发现通信中断说明电机可能处于失控状态，则关闭施肥电机和施肥风机并进行报警。

本发明提供的自动精准施肥控制系统会对运行状态进行监控，并对施肥机工作时可能出现的各种问题进行报警和及时保护，例如施肥机肥筒的缺肥、施肥插嘴的堵肥、电池电量低、施肥风机工作过流或短路、施肥电机工作过流或短路、系统通信异常、电机霍尔连接故障等，这些保护措施可以在异常情况出现时及时有效地保护施肥机及控制系统不受损坏，保证整个系统可靠稳定地工作。以上故障报警信息会及时在操作面板的液晶屏界面上进行显示通知作业者，并且关闭电机输出，保护了人身安全、施肥机设备及电机负载等不受损坏，为用户的安全可靠使用提供了保障。

在施肥作业开始前，首先通过操作器对各施肥参数，如肥料种类、秧苗株距、施肥量、施肥补偿量、堵肥灵敏度等基本参数进行设置，将施肥基本参数设定后开始对施肥作业进行控制。操作器通过线束和驱动器连接，缺肥传感器、堵肥传感器、车速检测传感器和施肥电机检测模块(施肥电机上的位置传感器和速度传感器)与驱动器相连。通过检测不同传感器的信号来对整机工作状态进行实时监控及控制。结合车速检测传感器检测到的车辆PTO信号以及位置传感器、速度传感器检测到的施肥电机中施肥轴的信号来实时监控控制实现精准施肥，并结合PID调节施肥电机的转速，达到精确施肥。施肥过程中，同时检测施肥机构的堵肥和缺肥，以及施肥电机、施肥风机的工作状态，可以将各部件的异常故障信息显示在操作面板的液晶屏上，并通过蜂鸣器声音报警。

现有技术中，农机市场上使用的施肥控制系统一般利用速比关系进行计算并控制施肥作业，这种算法只是针对插秧机的行走车速和施肥电机的转速进行同比例计算或微调。施肥精度较差，导致肥料的浪费和肥料超标导致的土质和水质污染严重。为了让施肥作业的施肥量精准，本发明中的控制方法引入PID调节的计算方法，对系统的传递函数进行修正，以快速的跟踪变化，消除稳态误差。PID调节器中的P为比例环节，起放大作用。I为积分环节，可以消灭稳态误差。D为微分环节，可以加快系统的反映。实时测量并校准施肥电机每转的施肥量，大大提高了施肥精度和均匀度。并在系统中增加了电机不同转速下施肥流量的校准补偿算法，直流电机中加入PID调节器，可以实现快速启动。当系统中突发干扰、负载变化或者使用者主动调速时，PID环节可以帮助电机缩减过渡时间、进入新的稳定状态，进一步弥补了不同客户的施肥机机械差异、环境差异造成的施肥精度不够的问题，提高了施肥精度。对相关采集数据进行离散化处理，具体为：以T作为施肥电机转速的采样周期，k作为采样序号，则kT为离散采样时间，t为对应着的连续时间，Ti为施肥电机转速的第i个采样周期，用矩形法数值积分近似代替积分，用一阶后向差分近似代替微分，可做如下近似变换，

有：

t≈kT(k＝0,1,2...)

由上述公式，得到离散的PID表达式如下：

其中，Kp为比例系数，

为积分系数，Td为微分系数；

u_k表示第k次采样时刻的施肥电机输出电机转速值；e_k表示第k次采样时刻输入的施肥电机转速偏差值；e_k-1表示第k-1次采样时刻输入的施肥电机转速偏差值；e_j表示第j次采样时刻输入的施肥电机转速偏差值；

所得u_k值对应施肥电机驱动PWM信号的占空比，理论上说，占空比越大，施肥电机运转越快，从而每亩地的肥料施肥量越多，反之同理。

本发明的内容不限于实施例所列举，本领域普通技术人员通过阅读本发明说明书而对本发明技术方案采取的任何等效的变换，均为本发明的权利要求所涵盖。

Claims (10)

1.一种自动精准施肥控制系统，其特征在于，包括操作器，以及与所述操作器相连的、分体式排布的若干个驱动器，每个所述驱动器均连接有施肥电机、施肥风机和传感器；其中，所述驱动器一一对应地设置在插秧机上肥筒的底部，所述肥筒的底部还设置所述施肥电机及与施肥轴，所述施肥轴的下方设置有施肥输送管，所述施肥风机设置在所述施肥输送管的入口处，所述施肥输送管的出口处设置有施肥插嘴；

所述操作器包括操作面板、第一通讯模块和第一控制模块，所述操作面板用于将设置的肥料种类、秧苗株距、施肥量以及施肥补偿量的施肥参数和启停控制信号发送至所述第一控制模块，以及将各施肥参数和运行状态予以显示；所述第一控制模块用于根据所述施肥参数、启停控制信号以及插秧机车速变化信息得出施肥电机转速和施肥风机风速的设置值并通过所述第一通讯模块下发指令给所述驱动器；

所述驱动器包括信号检测模块、施肥电机驱动模块、施肥风机驱动模块、第二通讯模块和第二控制模块，所述信号检测模块用于接受所述传感器检测到的缺肥信息、堵肥信息以及所述插秧机车速变化信息，并输送至所述第二控制模块；所述第二控制模块用于通过所述第二通讯模块将收集到的缺肥信息、堵肥信息以及所述插秧机车速变化信息反馈至所述操作器，还根据所述第二通讯模块接收到的所述操作器下发的指令来控制所述施肥电机驱动模块、所述施肥风机驱动模块输出相应的PWM信号进而控制施肥电机的转速、施肥风机的风速。

2.根据权利要求1所述的自动精准施肥控制系统，其特征在于，所述施肥电机上连接有速度传感器和位置传感器，所述速度传感器用于将检测到的施肥电机转速的实时速度信号反馈给所述第二控制模块，以将施肥电机转速的实时值与设置值进行对比，形成速度环反馈，并通过调节驱动信号占空比来校准施肥电机转速大小，进而使实际的施肥量和设置的施肥量一致；或者，所述位置传感器用于将所述施肥电机中电机转子的当前位置信号通过所述施肥电机驱动模块反馈至所述第二控制模块，结合实时速度信号将电机转子的当前位置与设置位置进行比较，形成位置环反馈，然后通过调节驱动信号占空比来校准施肥电机中电机转子的位置和运转方向，进而使实际的施肥量和设置的施肥量一致。

3.根据权利要求2所述的自动精准施肥控制系统，其特征在于，所述驱动器还包括电源防反接电路、控制电源模块和电池电量检测模块，所述电源防反接电路用于防止将插秧机车载电瓶极性接反，所述控制电源模块用于将插秧机车载电瓶电压进行转换成低压稳定的电源供给所述第二控制模块、以及位置传感器和速度传感器；所述电池电量检测模块用于将检测到的实时电量反馈至第二控制模块。

4.根据权利要求1所述的自动精准施肥控制系统，其特征在于，所述信号检测模块包括缺肥信号检测模块、堵肥信号检测模块和车速检测模块；所述传感器包括与所述缺肥信号检测模块相连的缺肥传感器、与所述堵肥信号检测模块相连的堵肥传感器以及与所述车速检测模块相连的车速传感器，所述缺肥传感器设置在所述肥筒的底部且位于所述施肥轴的上方，所述堵肥传感器设置在所述施肥插嘴上，所述车速传感器设置在所述插秧机的驱动电机上；所述缺肥传感器用于检测肥筒中缺肥与否，并将缺肥信息通过驱动器传输至操作器，以进行缺肥报警；所述堵肥传感器用于检测施肥插嘴末端堵肥与否，并将堵肥信息通过驱动器传输至操作器，以进行堵肥报警；所述车速传感器用于检测插秧机的车速变化。

5.根据权利要求4所述的自动精准施肥控制系统，其特征在于，所述车速传感器为齿轮转速传感器。

6.根据权利要求1所述的自动精准施肥控制系统，其特征在于，所述施肥电机驱动模块包括相连的施肥电机驱动电路和施肥电机功率MOS管；所述施肥风机驱动模块包括相连的施肥风机驱动电路和施肥风机功率MOS管。

7.根据权利要求1所述的自动精准施肥控制系统，其特征在于，所述施肥电机和施肥风机上还分别连接有过载短路保护电路。

8.根据权利要求1所述的自动精准施肥控制系统，其特征在于，所述操作器上还设置有与所述第一控制模块相连的报警模块；所述施肥电机为直流无刷电机。

9.根据权利要求1所述的自动精准施肥控制系统的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

在操作器上设置肥料种类、秧苗株距、施肥量及施肥补偿量等施肥参数；

操作器根据施肥参数、启停控制信号以及插秧机车速变化信息，计算出施肥电机转速和施肥风机风速的设置值，并通过驱动器发送给施肥电机、施肥风机执行；与此同时，连接在施肥电机上的速度传感器和位置传感器将检测到的施肥电机转速的实时值和电机转子的当前位置通过驱动器反馈至操作器进行对比，然后通过调节驱动信号占空比来校准所述施肥电机的转速大小和运转方向，以使实际的施肥量和设置的施肥量一致；

施肥过程中，施肥电机收到驱动信号，带动施肥轴进行转动而使肥筒内的肥料落下；肥料风机收到驱动信号，将肥料吹入肥料输送管内，流至施肥插嘴处进行施肥；

其中，缺肥传感器和堵肥传感器将缺肥信息和堵肥信息反馈至驱动器，并通过操作器进行报警；

位置传感器检测到位置偏差过大时，进行报警；

施肥电机驱动电路和施肥风机驱动电路实时分别检测施肥电机和施肥风机的驱动信号，发现信号异常进行报警；

第一通讯模块和第二通讯模块检测操作器与驱动器之间，以及驱动器之间的实时通信状态，发现通信中断则关闭施肥电机和施肥风机并进行报警。

10.根据权利要求9所述的自动精准施肥控制系统的控制方法，其特征在于，还采用PID调节对所述施肥电机的转速进行调整，具体为：

以T作为施肥电机转速的采样周期，k作为采样序号，则kT为离散采样时间，t为对应着的连续时间，Ti为施肥电机转速的第i个采样周期，有：

t≈kT(k＝0,1,2...)

由上述公式，得到离散的PID表达式如下：

其中，Kp为比例系数，

为积分系数，Td为微分系数；

u_k表示第k次采样时刻的施肥电机输出电机转速值；e_k表示第k次采样时刻输入的施肥电机转速偏差值；e_k-1表示第k-1次采样时刻输入的施肥电机转速偏差值；e_j表示第j次采样时刻输入的施肥电机转速偏差值；

所得u_k值对应施肥电机驱动PWM信号的占空比。

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