一种基于直流无刷电机的吊杯式栽植器驱动系统

1.一种基于直流无刷电机的吊杯式栽植器驱动系统，其特征在于，该系统能够通过对电机速度和转矩的闭环控制准确控制吊杯的运动，并驱动吊杯遵循特定的运行特性稳定地完成栽植运动，以提高投苗的频率和可靠性，该系统包括控制器模块、驱动器模块、蓄电池电源模块、直流无刷电机、反馈模块、减速器、传动机构、吊杯移栽机构；其中：
所述控制器模块作为逻辑控制与数据运算核心，是整个驱动系统的核心器件，接收反馈信号并输出控制信号，完成对直流无刷电机转速和转矩的控制；
所述驱动器模块包括信号转换电路和直流无刷电机驱动器，所述信号转换电路用于将控制器输出的PWM波形转换为直流无刷电机驱动器可接受的PWM波形，所述直流无刷电机驱动器直接驱动电机运转；
所述蓄电池电源模块包括蓄电池、电压检测电路和直流降压电路，所述蓄电池用于给整个驱动系统提供电源，直接给直流无刷电机驱动器供电，所述电压检测电路用于检测蓄电池的端电压，所述控制器模块接收电压检测电路输出的电压信号并进行模数转换，所述直流降压电路对蓄电池电压作降压处理后给系统中的低压模块提供电源；
所述直流无刷电机自带位置传感器，可检测并输出转子的位置信息；
所述反馈模块包括电流检测电路和光电隔离电路，电流检测电路用于采样电机母线电流，所述光电隔离电路用于将直流无刷电机的位置传感器输出信号与控制器模块隔离，所述控制器模块接收电流检测电路输出的电压信号并进行模数转换，并对电机进行速度和电流双闭环控制，速度环为外环，电流环为内环；
所述减速器用于降低转速和增大扭矩，是在直流无刷电机与传动机构之间进行速度和扭矩转换的设备；
所述传动机构由联轴器和连杆机构组成，将电机的轴向运动转化为吊杯移栽机构的上下往复加减速运动；
所述吊杯移栽机构用于运送和栽植钵苗，当吊杯运动到顶端时，钵苗被投入到吊杯中，当吊杯转动到预定位置时，钵苗落入穴内，接着覆土填压，完成栽植。
2.根据权利要求1所述的基于直流无刷电机的吊杯式栽植器驱动系统，其特征在于，所述直流无刷电机的位置传感器输出的转子位置信号经光电隔离之后由所述控制器模块捕获，所述控制器通过不断采集电机转子位置信号，计算出电机的实际转速。
3.根据权利要求1或2所述的基于直流无刷电机的吊杯式栽植器驱动系统，其特征在于，所述控制器模块输出PWM波到所述信号转换电路，所述直流无刷电机驱动器接收处理后的PWM波，经过驱动芯片隔离放大后输出带有驱动能力的PWM波控制功率开头器件的通断，使电机的各相绕组按一定的顺序工作，从而达到驱动电机运转的目的。
4.根据权利要求1或2所述的基于直流无刷电机的吊杯式栽植器驱动系统，其特征在于，所述信号转换电路将所述控制器模块输出的低压PWM信号转换为电压幅值满足所述直流无刷电机驱动器要求并能够被识别的PWM信号。
5.根据权利要求1或2所述的基于直流无刷电机的吊杯式栽植器驱动系统，其特征在于，所述电流检测电路将检测信号输入到所述控制器模块的模数转换接口，所述控制器获取电流采样值后据此计算电机的电磁转矩。
6.根据权利要求1所述的基于直流无刷电机的吊杯式栽植器驱动系统，其特征在于，所述蓄电池电源模块在给无刷直流电机供电过程中不断的消耗能量，所述电压检测电路将检测电池端电压，并将检测信号输入到所述控制器模块的模数转换接口，所述控制器模块根据电压反馈信号判断电池的工作状态，决定是否对电池进行欠压保护。
7.根据权利要求1或2所述的基于直流无刷电机的吊杯式栽植器驱动系统，其特征在于，所述控制器模块在对电压检测电路和电流检测电路的输出电压信号进行模数转换的过程中进行滤波处理，所述滤波处理包括若干次均值滤波处理，以及对若干次均值滤波处理的中间结果进行中值滤波处理。
8.根据权利要求1或2所述的基于直流无刷电机的吊杯式栽植器驱动系统，其特征在于，所述光电隔离电路将位置传感器的输出信号进行隔离后输入到所述控制器模块的波形捕获接口， 光电隔离提高了电路的抗干扰能力，可以防止电机运转时对位置传感器输出信号产生的干扰噪声被所述控制器模块捕获。
9.根据权利要求1或2所述的基于直流无刷电机的吊杯式栽植器驱动系统，其特征在于，所述直流降压电路以一些直流降压芯片为核心，直流降压芯片对蓄电池输出电压进行降压和电容滤波处理，降压芯片的输出电压满足系统中的低压模块对电源的要求。

一种基于直流无刷电机的吊杯式栽植器驱动系统\n技术领域\n[0001] 本发明属于电机驱动系统设计领域，更具体地，涉及一种基于直流无刷电机的吊杯式栽植器驱动系统。\n背景技术\n[0002] 随着科学技术的日新月异，作物移栽机技术在不断发展。移栽机的核心部件是栽植器，其主要作用是打穴和植苗，将分苗机或人工送来的秧苗栽入土壤。而栽植器驱动系统的设计是移栽机的关键技术之一，同时也是难点之一。吊杯式栽植器要求电机结构轻巧，同时在作业过程中性能稳定，要求驱动系统能在较恶劣的工作环境中稳定的工作，调速性能高，使用维修方便。\n[0003] 目前，很多现有的吊杯式栽植器的驱动系统都采用直流电机或者交流异步电机作为动力装置，直流电机通常是由可调节的直流系统对电机电枢供电，通过控制电源电压来实现平滑启动和调速，但是此方法对电源设备要求很高；此外，电机在长时间的运行过程中，电刷和转子的消耗很大，对栽植器而言有一定的制约性，使用直流电机的驱动系统也存在效率低和维修困难的缺点。交流异步电机通过变频器进行调速，但是变频器工作时电流偏大，电机发热严重，影响电机的长期工作，而且在运行过程中如果其中一相电源断电，电机的定子电流会增大，可能会出现堵转的现象，从而烧坏电机，需要在外围增加断相保护电路，导致结构复杂，这对于栽植器而言不是最佳选择。因此，为了满足对栽植器运动特性的要求，在相关领域亟需性能更为优良，便于操控的电机驱动系统。\n发明内容\n[0004] 针对现有技术的缺陷，本发明提供一种基于直流无刷电机的吊杯式栽植器驱动系统，旨在满足栽植需求，使移栽机的通用性提高，解决现有技术中调速性能不强，操作及维修不方便的问题。\n[0005] 为实现上述目的，本发明提供的基于直流无刷直流电机的驱动系统能够通过对电机速度和转矩的高精度闭环控制准确控制吊杯的运动，本发明公开的驱动系统可驱动吊杯遵循特定的运行特性稳定地完成栽植运动，提高投苗的频率和可靠性，而且操作及维修方便。\n[0006] 本发明提供的基于直流无刷直流电机的驱动系统，包括控制器模块、蓄电池电源模块、驱动器模块、直流无刷电机、反馈模块、减速器、传动机构、吊杯移栽机构；其中：\n[0007] 所述控制器模块作为逻辑控制与数据运算核心，是整个驱动系统的核心器件，接收反馈信号并输出控制信号，完成对直流无刷电机转速和转矩的控制。控制器模块有丰富的片上外设，适合电机调速驱动系统既需要实时快速控制，又要求浮点运算的情况；\n[0008] 所述驱动器模块包括信号转换电路和直流无刷电机驱动器，所述信号转换电路用于将控制器输出的PWM波形转换为直流无刷电机驱动器可接受的PWM波形，所述直流无刷电机驱动器直接驱动电机运转；\n[0009] 所述蓄电池电源模块包括蓄电池、电压检测电路和直流降压电路，所述蓄电池用于给整个驱动系统提供电源，直接给直流无刷电机驱动器供电，所述电压检测电路用于检测蓄电池的端电压，所述控制器模块接收电压检测电路输出的电压信号并进行模数转换，所述直流降压电路以直流降压芯片为核心，对蓄电池的输出电压进行降压和滤波处理后给系统中其他模块提供电源；\n[0010] 所述直流无刷电机自带位置传感器，可检测并输出转子的位置信息；\n[0011] 所述反馈模块包括电流检测电路和光电隔离电路，电流检测电路用于采样电机母线电流，所述光电隔离电路用于将直流无刷电机的位置传感器输出信号与控制器模块隔离，所述控制器模块接收电流检测电路的输出电压信号并进行模数转换；\n[0012] 所述减速器主要用于降低转速和增大扭矩，是在直流无刷电机与传动机构之间进行速度和扭矩转换的设备；\n[0013] 所述传动机构由联轴器和连杆机构组成，将电机的轴向运动转化为吊杯移栽机构的上下往复加减速运动；\n[0014] 所述吊杯移栽机构用于运送和栽植钵苗，当吊杯运动到顶端时，钵苗被投入到吊杯中，当吊杯转动到预定位置时，钵苗落入穴内，接着覆土填压，完成栽植。\n[0015] 本发明的一个实施例中，所述直流无刷电机的位置传感器输出的转子位置信号经光电隔离之后由所述控制器模块捕获，所述控制器模块通过不断采集电机转子位置检测信号，计算出电机的实际转速。\n[0016] 所述直流无刷电机的额定功率、额定转速、额定扭矩能够满足栽植器栽植幼苗的需求。\n[0017] 本发明的一个实施例中，所述控制器模块输出PWM波到所述信号转换电路，所述直流无刷电机驱动器接收处理后的PWM波，经过驱动芯片隔离放大后输出带有驱动能力的PWM波控制功率开头器件的通断，使电机的各相绕组按一定的顺序工作，从而达到驱动电机的目的。\n[0018] 本发明的一个实施例中，所述信号转换电路将所述控制器模块输出的低压PWM信号转换为电压幅值满足所述直流无刷电机驱动器要求并能够被识别的PWM信号。\n[0019] 本发明的一个实施例中，所述电流检测电路将检测信号输入到所述控制器模块的模数转换接口，所述控制器获取电流采样值后据此计算电机的电磁转矩。\n[0020] 本发明的一个实施例中，所述蓄电池电源模块在给无刷直流电机供电过程中不断的消耗能量，所述电压检测电路将检测电池端电压，并将检测信号输入到所述控制器模块的模数转换接口，所述控制器模块根据电压反馈信号判断电池的工作状态，决定是否对电池进行欠压保护。\n[0021] 本发明的一个实施例中，所述控制器模块在对电压检测电路和电流检测电路的输出电压信号进行模数转换的过程会进行滤波处理，所述滤波处理包括若干次均值滤波处理，以及对若干次均值滤波处理的中间结果进行中值滤波处理。\n[0022] 本发明的一个实施例中，所述光电隔离电路将位置传感器的输出信号进行隔离后输入到所述控制器模块的波形捕获接口。光电隔离提高了电路的抗干扰能力，可以防止电机运转时对位置传感器输出信号产生的干扰噪声被所述控制器模块捕获。\n[0023] 本发明的一个实施例中，所述直流降压电路以一些直流降压芯片为核心，直流降压芯片对蓄电池输出电压进行降压和电容滤波处理，降压芯片的输出电压满足系统中的低压模块对电源的要求。\n[0024] 本发明的一个实施例中，所述控制器模块对电机进行速度和电流双闭环控制，速度环为外环，电流环为内环。\n[0025] 本发明提供的基于直流无刷电机的吊杯式栽植器驱动系统性能可靠，调速稳定，操作方便。具有结构简单、安装与调试方便、系统可靠性高、维修方便等优点。通过精确调节驱动电机的转速和转矩，增大吊杯运动轨迹最低点位置的加速度，达到了提升吊杯入土能力的目的，使幼苗移栽达到所需深度，可以满足不同作物对株距和栽植深度要求，提高了移栽的效率和质量。\n附图说明\n[0026] 图1是本发明实施例提供的吊杯式栽植器整体结构示意图；\n[0027] 图2是本发明实施例提供的吊杯运动轨迹图；\n[0028] 图3是本发明实施例提供的吊杯栽植器机械运动传递流程图；\n[0029] 图4是本发明实施例提供的吊杯式栽植器驱动装置的整体结构框图；\n[0030] 图5是本发明实施例提供的吊杯式栽植器驱动系统中直流无刷电机驱动部分的硬件结构示意图；\n[0031] 图6是本发明实施例提供的直流无刷电机调速控制系统框图；\n[0032] 图7是本发明实施例提供的直流无刷电机驱动部分的控制器程序流程图。\n具体实施方式\n[0033] 为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。\n[0034] 图1是吊杯式栽植器的整体结构示意图，由吊杯移栽机构1、栽植圆盘2、偏心圆盘\n3、机架4、镇压轮5、导轨6、传动机构7、仿形传动轮8组成。其中吊杯移栽机构是栽植器的中心环节，吊杯移栽机构随偏心圆盘转动并始终垂直地面，当吊杯转动到顶端时，钵苗被投入到吊杯中，当吊杯转动到预定位置时，吊杯底部的开穴器在导轨的作用被压开，钵苗落入穴内，接着覆土机构进行覆土填压，完成栽植。之后栽植圆盘继续转动，脱离导轨的移栽机构在弹簧的作用下闭合，进行下个循环。\n[0035] 图2是吊杯的运动轨迹图，栽植器吊杯的运行轨迹大致是不规则的环扣，当运动轨迹到达最高点时，吊杯承接投入的钵苗；当运行到最低点时，吊杯打土落苗完成一次栽植。\n吊杯栽植器移栽时水平方向是外力完成，由拖拉机行进带动，垂直方向由驱动系统带动。吊杯完成一个栽植周期的运动特征可描述为“快打快回”，在吊杯入土种苗过程中，吊杯垂直运动方向的加速度增大，加速度峰值点出现在运动轨迹环扣的最低点，向下的加速度大，既增大了对土壤的冲击力又增大了幼苗向下运动的惯性，又有利于入土，容易达到栽植所需深度。此外，吊杯在回程过程中速度也很大，出穴后驱动系统控制吊杯的迅速减速，使吊杯在到达最高点前的速度趋近于零，方便投苗。\n[0036] 图3是吊杯式栽植器的机械运动传递流程图，直流无刷电机提供动力，电机垂直安装，通过减速器、联轴器和连杆机构实现吊杯式移栽机构的上下往复加减速运动，栽植器所需的扭矩大于直流无刷电机的额定扭矩，且栽植器为低速机构。减速器是在电机与执行机构之间进行速度和扭矩的转换设备，主要用于降低转速和增大扭矩。\n[0037] 图4是吊杯式栽植器驱动装置的整体结构框图，整个吊杯式植器驱动系统分为电机驱动和机械传动两个部分。控制器模块、蓄电池电源模块、驱动器模块、反馈模块、直流无刷电机构成电机驱动部分，这部分实现对直流无刷电机精准调速，向机械传动部分提供动力；减速器、传动机构和吊杯移栽机构组成机械传动部分，通过机械传动将电机的轴向运动转化为吊杯移栽机构的上下往复加减速运动。\n[0038] 具体地，所述控制器模块作为逻辑控制与数据运算核心，是整个驱动系统的核心器件，接收反馈信号并输出控制信号，完成对直流无刷电机转速和转矩的控制；\n[0039] 所述驱动器模块包括信号转换电路和直流无刷电机驱动器，所述信号转换电路用于将控制器输出的PWM波形转换为直流无刷电机驱动器可接受的PWM波形，所述直流无刷电机驱动器直接驱动电机运转；\n[0040] 所述蓄电池电源模块包括蓄电池、电压检测电路和直流降压电路，所述蓄电池用于给整个驱动系统提供电源，直接给直流无刷电机驱动器供电，所述电压检测电路用于检测蓄电池的端电压，所述控制器模块接收电压检测电路输出的电压信号并进行模数转换，所述直流降压电路对蓄电池电压作降压处理后给系统中的低压模块提供电源；\n[0041] 所述直流无刷电机自带位置传感器，可检测并输出转子的位置信息；\n[0042] 所述反馈模块包括电流检测电路和光电隔离电路，电流检测电路用于采样电机母线电流，所述光电隔离电路用于将直流无刷电机的位置传感器输出信号与控制器模块隔离，所述控制器模块接收电流检测电路输出的电压信号并进行模数转换；\n[0043] 所述减速器用于降低转速和增大扭矩，是在直流无刷电机与传动机构之间进行速度和扭矩转换的设备；\n[0044] 所述传动机构由联轴器和连杆机构组成，将电机的轴向运动转化为吊杯移栽机构的上下往复加减速运动；\n[0045] 所述吊杯移栽机构用于运送和栽植钵苗，当吊杯运动到顶端时，钵苗被投入到吊杯中，当吊杯转动到预定位置时，钵苗落入穴内，接着覆土填压，完成栽植。\n[0046] 图5是直吊杯式栽植器驱动系统中直流流无刷电机驱动部分的硬件结构示意图，是图4中的电机驱动部分的详细阐述，包括控制器模块、电源模块、驱动器、直流无刷电机、电流检测电路、光电隔离电路、信号转换电路、电压检测电路、显示模块、指示电路；其中：\n[0047] 所述控制器模块作为逻辑控制与数据运算核心，是整个驱动系统的核心器件，接收反馈信号并输出控制信号，完成对直流无刷电机转速和转矩的控制；\n[0048] 所述信号转换电路用于将控制器输出的PWM波形转换为直流无刷电机驱动器可接受的PWM波形；\n[0049] 所述驱动器模块包括信号转换电路和直流无刷电机驱动器，所述信号转换电路用于将控制器输出的PWM波形转换为直流无刷电机驱动器可接受的PWM波形，所述直流无刷电机驱动器直接驱动电机运转；；\n[0050] 所述电源模块用于给整个驱动系统提供电源；\n[0051] 所述直流无刷电机自带位置传感器，可检测并输出转子的位置信息；\n[0052] 所述电流检测电路用于采样电机母线电流；\n[0053] 所述光电隔离电路用于将直流无刷电机的位置传感器输出信号与控制器模块隔离；\n[0054] 所述电压检测电路用于检测蓄电池的端电压；\n[0055] 所述显示模块用于显示电机转速；\n[0056] 所述指示电路用于指示吊杯的运动状态和报警。\n[0057] 具体的：\n[0058] 所述直流无刷电机的位置传感器输出的转子位置信号经光电隔离之后由所述控制器模块捕获，所述控制器通过不断采集电机转子位置检测信号，计算出电机的实际转速。\n[0059] 所述控制器模块输出PWM波到所述信号转换电路，所述驱动器接收所述信号转换电路处理后的PWM波，经过驱动芯片隔离放大后输出带有驱动能力的PWM波控制功率开头器件的通断，使电机的各相绕组按一定的顺序工作，从而达到驱动电机的目的。\n[0060] 所述电流检测电路将检测信号输入到所述控制器模块的模数转换接口，所述控制器获取电流采样值后据此计算电机的电磁转矩。\n[0061] 所述电源模块由蓄电池和以直流降压芯片为核心的电路组成，蓄电池直接给驱动器供电，直流降压芯片对蓄电池输出电压进行降压和滤波处理后给系统中其他低压模块提供电源。\n[0062] 所述电源模块在给无刷直流电机供电过程中不断的消耗能量，所述电压检测电路检测蓄电池的端电压，并将检测信号输入到所述控制器模块的模数转换接口，所述控制器模块根据电压反馈信号判断电池的工作状态，决定是否对电池进行欠压保护。\n[0063] 所述控制器模块在对电压检测电路和电流检测电路的输出电压信号进行模数转换的过程会进行滤波处理，所述滤波处理包括若干次均值滤波处理，以及对若干次均值滤波处理的中间结果进行中值滤波处理。\n[0064] 所述光电隔离电路将位置传感器的输出信号进行隔离后输入到所述控制器模块的波形捕获采样接口。光电隔离可以预防电机对位置信号采样的干扰，提高电路的抗干扰能力。\n[0065] 所述控制器模块对电机进行速度和电流双闭环控制，速度环为外环，电流环为内环。\n[0066] 基于上述驱动系统的硬件结构，参照图6所示的本发明实施例提供的直流无刷电机调速控制系统框图，直流无刷电机驱动系统采用速度和电流双闭环控制。该控制方式可以提高电机的速度控制精度，减小速度误差。速度环为外环，电流环为内环，速度外环和电流内环二者共同构成串级控制系统，控制部分包括一个速度PID调节器和一个电流PID调节器，首先，根据所检测到的电机转子位置信号，计算得出电机的当前实际转速；然后与速度给定值比较，得到速度误差信号，经过速度PID调节器的调节以后，得到相应的电流参考信号，该电流参考信号与实际的电机相电流信号进行比较得到电流误差值，电流误差值经电流PID调节器的调节后，将产生适当的PWM控制信号施加到驱动器上，驱动器通过改变电机定子绕组中电流大小和绕组导通顺序，实现对直流无刷电机转速和转矩的控制。\n[0067] 图7所示为直流无刷电机驱动部分的控制器程序结构框图，控制器先对时钟、GPIO、中断、PWM、模数转换模块进行初始化，然后启动电机并启动模数转换和定时器，电机开始运转后，位置传感器输出信号经过光电隔离后输送到控制器的PWM捕获口，控制器的PWM信号捕获口获取直流无刷电机的转子位置信息并计数电机转子的旋转圈数，根据转子的旋转圈数和电机的极对数计算电机的实际转速，再结合给定速度计算速度的偏差值，控制器根据速度偏差值决定应该加速、减速还是匀速；偏差为零则进入匀速运行子程序，如果需要加速则进入加速PID控制子程序，如果需要减速则进入减速PID控制子程序。若电机运行过程中母线电流超过正常值或者蓄电池欠压，指示电路将会给出过流或欠压指示，同时程序将设定电机停转。若电机运行过程中母线电流和蓄电池电压保持在正常范围内，指示电路将显示运行正常。\n[0068] 综上所述，本发明提供的一种基于直流无刷直流电机的吊杯式栽植器驱动系统能够准确控制吊杯的运动。驱动系统调速性能优良，操作及维修方便，可驱动吊杯遵循特定的运行特性稳定地完成栽植运动，解决了仅依靠机械设计造成的吊杯入土速度小，回程慢，容易发生夹苗出穴的问题，系统通过对电机速度和转矩的高精度闭环调节，增大吊杯运动轨迹最低点位置的加速度，提升吊杯入土能力，使幼苗移栽达到所需深度，保证了栽植质量，提高投苗的频率和可靠性。\n[0069] 本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。