基于水力驅動及電氣控制的卷盤式噴灌機調速系統設計

關鍵詞：卷盤式噴灌機；調速系統；自動控制；水力驅動；電氣控制

0引言

由于卷盤式噴灌機對區域或作物品種的限制很小，并且具有節水、節能、增產、省地、省工省時及維護方便等特點，已成為節水農業的重要標志[1-5]。在此背景下，國內卷盤式噴灌機在制造和應用方面都取得了長足的發展[6]。一些噴灌機研發團隊使用普通直流電機代替水渦輪作為驅動方案，但是不能自動實現勻速收管；噴灌機電氣化改造依托步進電機，硬件和使用成本略高；為解決直流電機和續航而研制的光伏驅動型噴灌機，只適合輕小型噴灌機方案[7-9]。

河北農哈哈機械集團有限公司（簡稱農哈哈集團）2022年底研制了一種基于水力驅動電氣控制的卷盤式噴灌機調速系統，實現了田間灌溉作業時對噴灌機的平穩定速回收。農哈哈卷盤式噴灌機回收調速方案依然采用傳統的水渦輪驅動，但是通過電氣系統采集PE管回收線速度來自動調節實現葉輪轉速的通水量，實現勻速收管，耗電量更低。

這種卷盤式噴灌機回收調速系統及其方法可以成為卷盤式噴灌機田間作業進行噴灌調速的有力補充，也成為了自動控制技術在農業機械領域又一鮮明應用[10]。本研究設計一種基于水力驅動的卷盤式噴灌機電氣調速系統，不但極大降低了耗電水平，而且操作方便，拓展了電氣自動化技術在卷盤式噴灌機等設備應用思路。

1回收調速原理及方案設計

1.1噴灌機回收水力調速原理

傳統卷盤式噴灌機調速系統是通過在齒輪箱確定擋位的基礎上，由壓管架感應卷盤上的PE管卷繞層數，利用壓管架和拉臂之間的拉臂長度改變水渦輪動力管口閥門的開度，改變通過的水力及流量。相應地水渦輪轉速發生了變化，卷盤式噴灌機回收速度亦有對應變化。這種操作略微煩瑣，回收速度相對不穩定。

根據上述調速帶來的問題及新的技術設定，農哈哈集團設計了一種利用電推桿推拉閥門拉臂的控制方式。在噴灌機回收測速的基礎上，利用實時控制通過水渦輪的進水量來保證回收速度靠近設定值。直流電推桿的伸縮桿與水渦輪主人水口處的蝶形閥門的開度拉桿連接，調速系統對直流電推桿伸縮的控制就是對水渦輪閥門開度的控制，從而控制葉輪腔的入水量．最終控制了水渦輪一齒輪箱的初始轉速。噴灌機水電調速控制系統可實時調節水渦輪的閥門開度進而控制整個噴灌機傳動系統的輸出轉速，最后保證PE管按照回收目標速度的設定值勻速回收。電推桿改變水力分流狀態的調速原理示意如圖1所示。

1.2調速方案設計

調速控制方案主要包括3個環節。

（1）測速環節。將一件與編碼器同軸并聯的測速輥設置于PE管上側并壓緊，隨著PE管的鋪放或回收，編碼器會自動將脈沖及方向信號傳輸給控制器進行分析與累積[11]。壓管測速輥的測速方案如圖2所示。

（2）計算環節。控制器芯片通過對脈沖信號進行累積計算，得出此時PE管已回收長度及當前運動速度，以此作為速度增減補償控制或報警與否的依據。

在定速回收狀態下，當人機水量下降或田間阻力突然增大導致噴灌機回收速度有所下降并低于回收速度設定值時，控制器會控制電推桿伸長，帶動蝶閥角度開大，加大葉輪腔入水量，產生更大轉動力矩，克服降速，使噴灌機回收速度再次回到匹配目標值的狀態，同理，需要降低回收速度時，則控制電推桿收縮桿長，帶動閥門開度減小，降低葉輪腔轉速，使噴灌機回收速度降至目標值為止。

（3）人機交互環節。操作員通過屏幕掌握當前設備運行信息，通過按鍵改變當前設備的作業狀態，如設置改變噴灌機回收作業的速度目標值、啟停定速回收功能、控制停止功能等，以此形成設備作業的新依據，并給予實時的參數顯示。

2電氣控制及其硬件設計

2.1控制電路及其電氣原理

電氣控制方案硬件組成：一是測速模塊，即編碼器，輸入信號包括角位移脈沖和方向標記脈沖；二是電推桿及其驅動控制模塊；三是條件報警及其控制模塊；四是信息輸出模塊，即串口屏幕；五是參數設置錄入，即4Key鍵盤；六是動作控制按鈕；七是中央處理芯片。

調速控制電氣原理如圖3所示。直流電機是電推桿最基本的電氣執行元件，通過接通電源的極性不同來改變旋轉方向，同時改變伸縮動作狀態。而其接人的不同極性由4路5V繼電器控制。報警功能模塊的通斷同樣由1路SV繼電器控制，實現報警機制被觸發時的聲光報警。

圖3中人機交互模塊主要由串口屏、4Key鍵盤和動作控制按鈕組成，其通訊端和中央控制芯片對應的I/O引腳連接，設計中，中央控制芯片實際為宏晶公司生產的STC89C52RC單片機，其任務是完成對采集信息的分析、計算，參數處理和輸入輸出控制。

系統配套使用XTL100型直流電推桿，其參數如表1所示。

CODE和CLKW分別代表編碼器的速度脈沖端和編碼器旋轉方向脈沖。旋轉編碼器的作用是檢測測速輪的轉速，系統開發使用的型號為E682-CW26C，旋轉1圈產生100個脈沖，供電電壓為5V，旋轉編碼器安裝在測速輪上與單片機外部中斷IO口連接，為單片機輸入脈沖信號。

2.2調速控制器及控制參數界面

如圖4所示，調速控制器包括電量顯示LED模塊，3個動作控制按鈕（黃色按鈕1——控制停止，紅色按鈕2——回收停止，綠色按鈕3-定速回收）實現噴灌機自動定速回收的啟停控制，串口屏和下方4Key鍵盤實現噴灌機作業運行參數及狀態的輸入輸出。

串口屏主顯示界面包括當前的噴灌機實時回收速度、設定的速度目標值、卷盤外的PE管長度、卷盤上的PE管層數和當前的控制狀態顯示。其中速度目標值可以通過4Key鍵盤進行設定更改，外管長度可以進行依據實際狀況的設定，而盤層數根據外管長度和程序設定的函數自動確定。

3程序流程

相比農哈哈集團研發的用于卷盤噴灌機上的直流電機驅動傳動系統方案，本研究所涉及的方案特點在于控制策略簡單，人機交互環節務實便捷。

控制系統總流程如圖5所示，系統開始運行后完成對各個部分的初始化，如定時器中斷初始化、外部中斷初始化和顯示控制初始化。用戶可以通過按鍵改變PE管回收控制狀態、PE管回收速度目標值。

INTO中斷流程如圖6所示，在水電調速控制系統中，外部中斷INTO功能是采集旋轉編碼器的脈沖信號，在中斷初始化中設置為上升沿有效，每有一個脈沖bkcount累積加1，然后讀取P1 7引腳，判斷編碼器的轉向，繼而結合longnum值用于計算絞盤外PE管的鋪設長度。

定時器TO流程如圖7所示，在水電調速控制系統中定時器的作用是提供一個50ms的定時，讀取50ms內旋轉編碼器脈沖信號，再由速度計算函數完成PE管移動線速度的計算。

4試驗結果及分析

為了驗證方案效果，設計組于2022年2月15日在河北省深澤縣農哈哈集團試驗承包田將JP75/300的普通型產品和水電調速樣機進行了對比試驗。試驗及測定方案：回收速度設為18、25m/h（均為實際噴灌作業經常選擇的兩個回收速度目標值）條件下，分別測定2部噴灌機的各測速段的實際速度值，最后進行樣本數據分析。

實地測驗記錄如表2所示，測試樣本的波動曲線如圖8和圖9所示。

測試的記錄樣本相對于目標值的偏移比例均值、標準差及變異系數用式（1）、式（2）和式（3）計算。偏移比例均值

在噴灌機回收速度目標值設為18m/h情況下，傳統產品的測試樣本偏移比例均值和變異系數分別為20.4%和19.7%，本研究水電調速其測試樣本偏移比例均值和變異系數分別為2.4%和4.1%。

在噴灌機回收速度目標值設為25／h情況下，傳統產品的測試樣本偏移比例均值和變異系數分別為10.1%和20.0%，本研究水電調速其測試樣本偏移比例均值和變異系數分別為3.2%和5.8%。

測試樣本和分析表明，在常用調速段上，水電綜合控制調速方案優于傳統的機械聯動式調速方案；相對于高速回收，低速回收由于其控制響應的時間更加充裕，所以對實際回收速度接近目標速度的控制更可靠。

5結束語

通過實地測試，在設置速度范圍內，噴灌機的電推桿控制回收速度方案比普遍使用的JP75/300型機械聯動式調速噴灌機的定速回收，均勻性和準確性均實現了提高，尤其在應對絞盤卷管換層時刻前后，二者回收速度均勻性對比更加明顯。實際的運行對比測試表明，本研究基于水力驅動的電氣調速控制方案，比基于水力驅動的傳統機械式開放調速方式，具有良好的運行控制效果，在特定條件下體現了其優越性，是實現田間精準灌溉管理的有力補充方案，具有很好的示范和推廣前景。