CN114798210A - 一种可调控式变速旋转喷头及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种可调控式变速旋转喷头及控制方法，喷头包括喷头主体、空心轴、减速传动机构、直流减速电机和电机调控系统，直流减速电机用于通过减速传动机构的齿轮啮合驱动喷头主体相对空心轴转动，电机调控系统包括电连接的霍尔编码器、控制主板和电源；方法包括控制主板的逻辑处理器通过设定数据、依据设定数据和霍尔编码器反馈的直流减速电机状态信号、通过PWM控制功率驱动模块输出、驱动直流减速电机动作，实现灵活变速旋转、喷头旋转速度、旋转角度、旋转位置可调，运行稳定，效率高，操作简单智能，节能省电，可调控喷头进行360°内不同区间变速旋转和扇形往返转动，提高研究喷头射流对喷洒效果的影响实验效率，用于试验室内和田间喷灌。

Description

一种可调控式变速旋转喷头及控制方法

技术领域

本发明属于喷灌技术领域，具体涉及一种可调控式变速旋转喷头及控制方法。

背景技术

随着农业的发展以及节水的需要，作为农业生产增产节水措施之一的喷灌技术正越来越受到人们的重视。在农田喷灌中，为了获得更大的喷灌面积，并减小灌溉水滴对作物的打击强度，固定式喷灌喷头往往是具有自主旋转功能的，例如摇臂式喷头，可由摇臂反复打击射流水柱推动喷头形成稳定的间歇转动。现有技术中的喷头在一些实际应用或者实验室内的基础研究中，存在以下问题：(1)当研究喷头射流对喷洒效果的影响时，基于控制变量原则，需要排除打击结构的影响，导致水舌无法打击摇臂产生动力进行转动，摇臂式喷头将缺失旋转动力来源，导致进行水力性能试验研究中存在困难，需要在喷头上额外提供旋转装置；(2)基于控制变量原则研究不同转速对于喷头水力性能的影响时，摇臂式喷头通过摇臂打击水舌产生的反作用力使喷头旋转，存在摇臂喷头材料的打击损耗，并由于缺乏调速结构、无法在同一喷头上实现调速，导致试验效率较低、试验准确性存疑；(3)现有旋转驱动和控制组成复杂、不易操作控制、能耗较大、摇臂式喷头由弹簧控制摇臂旋转影响运动稳定性，难以满足多种场地喷灌的喷头旋转速度、旋转角度、旋转位置要求。

发明内容

本发明旨在至少在一定程度上解决上述技术问题之一，本发明提供一种可调控式变速旋转喷头及控制方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种可调控式变速旋转喷头，包括喷头主体、空心轴、减速传动机构、直流减速电机和电机调控系统，所述喷头主体与空心轴转动连接，所述直流减速电机用于通过减速传动机构驱动喷头主体相对空心轴转动，所述电机调控系统包括电连接的霍尔编码器、控制主板和电源，所述控制主板上设有逻辑处理器和功率驱动模块，所述逻辑处理器用于设定数据、依据设定数据和霍尔编码器反馈的直流减速电机状态信号、通过PWM控制功率驱动模块输出，所述功率驱动模块用于驱动直流减速电机动作。

上述可调控式变速旋转喷头，优选地，所述减速传动机构包括啮合的大齿轮和小齿轮，所述大齿轮与喷头主体同轴相连，所述小齿轮与直流减速电机的电机轴同轴相连，所述大齿轮与小齿轮的传动比为1：6.5。

上述可调控式变速旋转喷头，优选地，所述直流减速电机与空心轴之间设有Z型空心套筒，所述Z型空心套筒包括第一套筒、第二套筒和连接件，所述第一套筒、第二套筒分别与直流减速电机和空心轴相连，所述连接件与第一套筒和第二套筒相连。

上述可调控式变速旋转喷头，优选地，所述控制主板上设有开关和与逻辑处理器电连接的按键模块，所述按键模块用于设置喷头主体的初始旋转位置、设置旋转角度、设置旋转状态。

上述可调控式变速旋转喷头，优选地，所述控制主板上设有与逻辑处理器电连接的数码管，所述数码管用于显示喷头状态信息。

上述可调控式变速旋转喷头，优选地，所述逻辑处理器中设有微控制器，所述微控制器用于设定期望速度、读取霍尔编码器的直流减速电机状态正交编码信号转换为瞬时速度、以瞬时速度与期望速度的差值校正输出PWM占空比至功率驱动模块。

优选地，所述微控制器用于设定边界值、读取霍尔编码器直流减速电机状态信号中的位置信号、以位置信号与边界值的差值校正输出至功率驱动模块。

上述可调控式变速旋转喷头，优选地，所述控制主板上设有电连接的阶梯电源和通信模组，所述阶梯电源与电源电连接且用于为功率驱动模块、通信模组和逻辑处理器逐个降压供电，所述逻辑处理器用于通过异步串行与通信模组通信。

优选地，所述微控制器中编有包括运行参数的程序，程序作为设定数据自主调控喷头运行。

优选地，所述微控制器采用STM32F103C8T6，所述功率驱动模块的芯片为A4950ELJTR-T。

一种可调控式变速旋转喷头控制方法，基于上述任意一项所述可调控式变速旋转喷头，其方法为：

S1：逻辑处理器设定数据，通过功率驱动模块输出、调控直流减速电机动作；

S2：逻辑处理器依据程序和霍尔编码器反馈的直流减速电机状态信号、通过PWM控制功率驱动模块输出、调控直流减速电机动作；

S3：直流减速电机通过减速传动机构驱动喷头主体相对空心轴转动。

上述可调控式变速旋转喷头控制方法，优选地，步骤S1的设定数据包括喷头主体在同一转动圆周内的各区间内具有相应转速，各区间的相应转速相区别。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)直流减速电机通过减速传动机构的小齿轮与大齿轮啮合、驱动喷头主体相对空心轴减速转动，为无自主转动条件的喷头提供旋转动力，以Z型空心套筒安装、结构简单，以便排除打击结构的影响，基于控制变量原则研究喷头射流对喷洒效果的影响。

(2)电机调控系统通过逻辑处理器依据设定数据和霍尔编码器反馈的直流减速电机状态信号校正、通过PWM控制功率驱动模块输出形成闭环，实现变速旋转同时实现喷头旋转速度、旋转角度、旋转位置可调。

(3)减速传动机构和电机调控系统的选型配置合理，运行稳定，效率高，操作简单智能，节能省电，可自主调控喷头运行，满足多种应用工况。

(4)可调控喷头进行360°内不同区间变速旋转和扇形往返转动，可用于试验室内和田间喷灌，显著提高不同旋转速度对于喷头水力性能的影响研究实验效率。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是本发明实施例1的主视结构图；

图2是本发明实施例1的俯视结构图；

图3是本发明实施例1的减速传动机构结构图；

图4是本发明实施例1的Z型空心套筒结构图；

图5是本发明实施例1的控制主板结构图；

图6是本发明实施例1的控制主板结构框图；

图7是本发明实施例2的喷灌转速分布图。

图中：喷头主体1、空心轴2、减速传动机构3、大齿轮301，小齿轮302，直流减速电机4，电机调控系统5，控制主板501，逻辑处理器502，功率驱动模块503，开关504，按键模块505，数码管506，阶梯电源507，通信模组508，Z型空心套筒6，第一套筒601、第二套筒602，连接件603，销钉604。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“轴向”、“径向”、“竖直”、“水平”、“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。此外，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，“多个”、“若干”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；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，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

如图1-6所示，为本发明所述可调控式变速旋转喷头的一种较佳实施方式，所述喷头包括喷头主体1、空心轴2、减速传动机构3、直流减速电机4和电机调控系统5，所述喷头主体1与空心轴2转动连接，所述直流减速电机4用于通过减速传动机构3驱动喷头主体1相对空心轴2转动，所述电机调控系统5包括电连接的霍尔编码器、控制主板501和电源，所述控制主板501上设有逻辑处理器502和功率驱动模块503，所述逻辑处理器502用于设定数据、依据设定数据和霍尔编码器反馈的直流减速电机4状态信号、通过PWM控制功率驱动模块503输出，所述功率驱动模块503用于驱动直流减速电机4动作。

如图1-3所示，上述可调控式变速旋转喷头，优选地，所述减速传动机构3包括啮合的大齿轮301和小齿轮302，所述大齿轮301与喷头主体1同轴相连，所述小齿轮302与直流减速电机4的电机轴同轴相连，所述大齿轮301与小齿轮302的传动比为1：6.5。

优选地，所述大齿轮301和小齿轮302的齿宽s为0.8mm，齿高h为1.125mm，所述大齿轮301的厚度小于小齿轮302厚度，优选地，所述大齿轮301的厚度b1为6mm，小齿轮302厚度b2为10mm，使大齿轮301与小齿轮302的传动比为1：6.5，大齿轮301和小齿轮302的相关参数符合国家相关标准GB6443-86，大小齿轮302啮合，经过公式齿距＝D+d/2+间隙为0.6～1得到，符合标准GB/T1357-1987，保证齿轮能在一定震动条件下产生一定位移也能保持完全啮合，结构简单且满足减速传动需求。

优选地，所述大齿轮301通过键槽配合安装在喷头主体1外部，所述小齿轮302通过键槽配合与电机轴过盈配合连接，所述直流减速电机4的电压为12V，运行稳定。

上述可调控式变速旋转喷头，优选地，所述直流减速电机4与空心轴2之间设有Z型空心套筒6，所述Z型空心套筒6包括第一套筒601、第二套筒602和连接件603，所述第一套筒601、第二套筒602分别与直流减速电机4和空心轴2相连，所述连接件603与第一套筒601和第二套筒602相连。

优选地，所述第一套筒601套设于直流减速电机4外部、通过若干销钉604连接调节直流减速电机4的安装位置，所述第二套筒602套设于空心轴2外部、通过若干销钉604连接安装位置，从而调节减速传动机构3的大齿轮301和小齿轮302相对位置，保证齿轮能在一定震动条件下产生一定位移也能保持完全啮合，运行稳定。

如图4所示，上述可调控式变速旋转喷头，优选地，所述控制主板501上设有开关504和与逻辑处理器502电连接的按键模块505，所述按键模块505用于设置喷头主体1的初始旋转位置、设置旋转角度、设置旋转状态，将开关504控制电源与控制主板501的电路实现控制电机调控系统5启闭，电机调控系统5启动后通过按键模块505设置向逻辑处理器502输入设定数据，调控喷头运行，调控操作简单智能。

如图5所示，上述可调控式变速旋转喷头，优选地，所述控制主板501上设有与逻辑处理器502电连接的数码管506，所述数码管506用于显示喷头状态信息，逻辑处理器502依据霍尔编码器的直流减速电机4状态信号与减速传动机构3的传动比解算喷头状态信息，控制数码管506输出喷头状态信息，以便直观了解喷头运行状态。

如图6所示，上述可调控式变速旋转喷头，优选地，所述逻辑处理器502中设有微控制器，所述微控制器用于设定期望速度、读取霍尔编码器的直流减速电机4状态正交编码信号转换为瞬时速度、以瞬时速度与期望速度的差值校正输出PWM占空比至功率驱动模块503。

优选地，所述微控制器用于设定边界值、读取霍尔编码器直流减速电机4状态信号中的位置信号、以位置信号与边界值的差值校正输出至功率驱动模块503。

优选地，所述微控制器中编有包括运行参数的程序，程序作为设定数据自主调控喷头运行，通过霍尔编码器反馈直流减速电机4状态信号确定喷头位置，按照需求改变电机的转速和转向，可设置各种旋转速度以及是否进行360内进行变速转动和0-360内进行往复旋转，使装置进行变速旋转和扇形往复运动，灵活编写程序满足多种应用工况。

所述直流减速电机4为带有霍尔编码器的电机，霍尔编码器与逻辑处理器502中的微控制器通过排线电连接、反馈霍尔编码器的直流减速电机4状态正交编码信号，微控制器由正交编码信号得到喷头位置信号，进行微分得到转换为瞬时速度，以瞬时速度与期望速度的差值校正微控制器的PWM算法中的驱动速度，输出脉冲宽度调制PWM占空比至功率驱动模块503，功率驱动模块503通过功率PWM驱动直流减速电机4运行，形成速度闭环；同时以位置信号与边界值的差值校正PWM算法中的驱动位置，形成位置闭环，进而调控喷头运行。

优选地，所述微控制器可以电连接报警器，设定报警阈值，以直流减速电机4状态信号与报警阈值的比较结果判断控制报警器输出报警信号。

优选地，所述微控制器采用STM32F103C8T6，是一款基于ARM Cortex-M内核STM32系列的32位的微控制器，程序存储器容量是64KB，需要电压2V～3.6V，工作温度为-40℃～85℃，该芯片高性能、低成本、低功耗。

如图6所示，上述可调控式变速旋转喷头，优选地，所述控制主板501上设有电连接的阶梯电源507和通信模组508，所述阶梯电源507与电源电连接且用于为功率驱动模块503、通信模组508和逻辑处理器502逐个降压供电，所述逻辑处理器502用于通过异步串行与通信模组508通信。

优选地，所述电源选用12v可拆卸电池，电池通过阶梯电源507输入12v信号到功率驱动模块503，12v为直流减速电机4电压，功率驱动模块503；采用LM2596S-5.0芯片，此芯片优点是效率高，通过阶梯电源507变压为5v信号输入到通信模块，为通信模块供电，通信模块为调试模块，逻辑处理器502通过异步串行与通信模组508通信；采用AMS1117-3.3芯片，通过阶梯电源507变压为3.3v信号输入到微控制器，为微控制器供电，低压差线性稳压电源，稳定性高。

优选地，所述功率驱动模块503的芯片为A4950ELJTR-T，A4950是全桥式DMOS PWM电动机驱动器，其特点为过电流保护、低功耗待机模式、同步整流，在实现电路稳定工作的同时节能省电，大大提升了该装置的续航能力，使喷头更加节能实用。

实施例2：

本发明所述可调控式变速旋转喷头的一种较佳实施方式，基于实施例1所述可调控式变速旋转喷头，其方法为：

S1：接通电机调控系统5电源，通过按键模块505设定置喷头主体1的初始旋转位置、设置旋转角度、设置旋转状态，作为逻辑处理器502的设定数据，通过功率驱动模块503输出、调控直流减速电机4动作；

S2：逻辑处理器502依据程序和霍尔编码器反馈的直流减速电机4状态信号、通过PWM控制功率驱动模块503输出、调控直流减速电机4动作；

S3：直流减速电机4驱动减速传动机构3的小齿轮302旋转，通过与小齿轮302啮合的大齿轮301驱动喷头主体1相对空心轴2转动，由空心轴2经喷头射出喷灌流体进行喷灌作业。

优选地，所述喷头无自主旋转部件，对喷头的种类要求没有严格的局限性。

如图7所示，上述可调控式变速旋转喷头控制方法，优选地，步骤S1的设定数据包括喷头主体1在同一转动圆周内的各区间内具有相应转速，各区间的相应转速相区别，可以进行不同旋转速度V_i对于喷头水力性能的影响研究，n维v_i＝[v₁,v₂,···,v_n]^T，试验方案灵活调控，满足多种试验条件，显著提高了实验效率。

优选地，各区间的相应转速V_i设置在1-3rpm内，满足喷灌应用需求。

采用上述可调控式变速旋转喷头与现有摇臂式喷头作为对比例，摇臂式喷头型号为PY15，在1rpm转速下作全圆喷灌，由喷头中心向外的1-15m位置，每间隔1m逐个设置绕全圆均匀分布的8个雨量筒，进行实验，距喷头中心距离一致的8个水量结果作均值处理，实验结果如下表所示：

由表1可知，同转速，同水压下，可调控式变速旋转喷头较摇臂式喷头，近处水量更少，射程更远，表明基于控制变量原则研究喷头射流工作压力、喷嘴直径等因素对喷洒效果的影响，可排除打击结构的影响。

综上，本发明具有以下优点：

(1)采用直流减速电机4通过减速传动机构3的小齿轮302与大齿轮301啮合、驱动喷头主体1相对空心轴2减速转动，结构简单，不需要摇臂打击去实现旋转，可以减少摇臂喷头材料的打击损耗，排除打击结构的影响，以便基于控制变量原则研究喷头射流对喷洒效果的影响，Z型空心套筒6调试安装方便，加工难度低，使用高效便捷。

(2)采用电机调控系统5的逻辑处理器502设定数据、依据设定数据和霍尔编码器反馈的直流减速电机4状态信号校正、通过PWM控制功率驱动模块503输出，形成速度闭环和位置闭环，适用于无自主转动条件的喷灌喷头变速旋转，同时实现喷头旋转速度、旋转角度、旋转位置可调。

(3)减速传动机构3和电机调控系统5的选型配置合理，运行稳定，效率高，操作简单智能，节能省电；可以通过微控制器灵活编写程序作为设定数据自主调控喷头运行，满足多种应用工况。

(4)控制方法可调控喷头进行360°内不同区间变速旋转和扇形往返转动，显著提高不同旋转速度对于喷头水力性能的影响研究实验效率，可用于试验室内和田间为无自主转动条件的喷头提供旋转动力，满足各种场地条件。

上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本发明的可行性实施例的具体说明，它们并非用以限制本发明的保护范围，凡未脱离本发明技艺精神所作的等效实施例或变更均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种可调控式变速旋转喷头，其特征在于，包括喷头主体(1)、空心轴(2)、减速传动机构(3)、直流减速电机(4)和电机调控系统(5)，所述喷头主体(1)与空心轴(2)转动连接，所述直流减速电机(4)用于通过减速传动机构(3)驱动喷头主体(1)相对空心轴(2)转动，所述电机调控系统(5)包括电连接的霍尔编码器、控制主板(501)和电源，所述控制主板(501)上设有逻辑处理器(502)和功率驱动模块(503)，所述逻辑处理器(502)用于设定数据、依据设定数据和霍尔编码器反馈的直流减速电机(4)状态信号、通过PWM控制功率驱动模块(503)输出，所述功率驱动模块(503)用于驱动直流减速电机(4)动作。

2.根据权利要求1所述的一种可调控式变速旋转喷头，其特征在于，所述减速传动机构(3)包括啮合的大齿轮(301)和小齿轮(302)，所述大齿轮(301)与喷头主体(1)同轴相连，所述小齿轮(302)与直流减速电机(4)的电机轴同轴相连，所述大齿轮(301)与小齿轮(302)的传动比为1：6.5。

3.根据权利要求1所述的一种可调控式变速旋转喷头，其特征在于，所述直流减速电机(4)与空心轴(2)之间设有Z型空心套筒(6)，所述Z型空心套筒(6)包括第一套筒(601)、第二套筒(602)和连接件(603)，所述第一套筒(601)、第二套筒(602)分别与直流减速电机(4)和空心轴(2)相连，所述连接件(603)与第一套筒(601)和第二套筒(602)相连。

4.根据权利要求1所述的一种可调控式变速旋转喷头，其特征在于，所述控制主板(501)上设有开关(504)和与逻辑处理器(502)电连接的按键模块(505)，所述按键模块(505)用于设置喷头主体(1)的初始旋转位置、设置旋转角度、设置旋转状态。

5.根据权利要求1所述的一种可调控式变速旋转喷头，其特征在于，所述控制主板(501)上设有与逻辑处理器(502)电连接的数码管(506)，所述数码管(506)用于显示喷头状态信息。

6.根据权利要求1所述的一种可调控式变速旋转喷头，其特征在于，所述逻辑处理器(502)中设有微控制器，所述微控制器用于设定期望速度、读取霍尔编码器的直流减速电机(4)状态正交编码信号转换为瞬时速度、以瞬时速度与期望速度的差值校正输出PWM占空比至功率驱动模块(503)。

7.根据权利要求6所述的一种可调控式变速旋转喷头，其特征在于，所述微控制器用于设定边界值、读取霍尔编码器直流减速电机(4)状态信号中的位置信号、以位置信号与边界值的差值校正输出至功率驱动模块(503)。

8.根据权利要求1所述的一种可调控式变速旋转喷头，其特征在于，所述控制主板(501)上设有电连接的阶梯电源(507)和通信模组(508)，所述阶梯电源(507)与电源电连接且用于为功率驱动模块(503)、通信模组(508)和逻辑处理器(502)逐个降压供电，所述逻辑处理器(502)用于通过异步串行与通信模组(508)通信。

9.一种可调控式变速旋转喷头控制方法，其特征在于，基于权利要求1～8任意一项所述可调控式变速旋转喷头，其方法为：

S1：逻辑处理器(502)设定数据，通过功率驱动模块(503)输出、调控直流减速电机(4)动作；

S2：逻辑处理器(502)依据程序和霍尔编码器反馈的直流减速电机(4)状态信号、通过PWM控制功率驱动模块(503)输出、调控直流减速电机(4)动作；

S3：直流减速电机(4)通过减速传动机构(3)驱动喷头主体(1)相对空心轴(2)转动。

10.根据权利要求9所述的一种可调控式变速旋转喷头控制方法，其特征在于，步骤S1的设定数据包括喷头主体(1)在同一转动圆周内的各区间内具有相应转速，各区间的相应转速相区别。

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