羅瑜清，洪添勝，李　震，曾鏡源，孫同彪，李加念

(1 華南理工大學(xué)廣州學(xué)院 電氣工程學(xué)院，廣東 廣州 510800；2 南方農(nóng)業(yè)機(jī)械與裝備關(guān)鍵技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州 510642；3 國(guó)家柑橘產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系機(jī)械研究室，廣東 廣州 510642；4 昆明理工大學(xué) 現(xiàn)代農(nóng)業(yè)工程學(xué)院，云南 昆明 650500)

?

山地果園電動(dòng)單軌運(yùn)輸機(jī)控制裝置的設(shè)計(jì)

羅瑜清1,2，洪添勝2,3，李震2,3，曾鏡源2,3，孫同彪2,3，李加念2,4

(1 華南理工大學(xué)廣州學(xué)院 電氣工程學(xué)院，廣東 廣州 510800；2 南方農(nóng)業(yè)機(jī)械與裝備關(guān)鍵技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州 510642；3 國(guó)家柑橘產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系機(jī)械研究室，廣東 廣州 510642；4 昆明理工大學(xué) 現(xiàn)代農(nóng)業(yè)工程學(xué)院，云南 昆明 650500)

[摘要]【目的】 研制一種山地果園電動(dòng)單軌運(yùn)輸機(jī)的控制裝置，以提高單軌運(yùn)輸機(jī)的智能性和安全性，實(shí)現(xiàn)其自動(dòng)控制。【方法】 基于單片機(jī)、直流電動(dòng)機(jī)、無(wú)線(xiàn)通信模塊等設(shè)計(jì)蓄電池驅(qū)動(dòng)的山地果園單軌運(yùn)輸機(jī)的控制裝置，通過(guò)模擬山地果園地形，分別對(duì)控制裝置的行駛速度調(diào)節(jié)、制動(dòng)性能及系統(tǒng)功耗進(jìn)行測(cè)試?！窘Y(jié)果】 電動(dòng)山地果園單軌運(yùn)輸機(jī)的控制裝置由單片機(jī)、供電單元、直流電動(dòng)機(jī)、直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、制動(dòng)模塊、行駛速度調(diào)節(jié)模塊、無(wú)線(xiàn)通信模塊、手動(dòng)控制按鍵及限位停車(chē)模塊組成。模擬測(cè)試結(jié)果表明：?jiǎn)诬夁\(yùn)輸機(jī)的行駛速度可實(shí)現(xiàn)0.1～0.6 m/s內(nèi)的加減速調(diào)節(jié)控制；單軌運(yùn)輸機(jī)的行駛速度隨著裝載質(zhì)量的增加而逐漸變小；當(dāng)單軌運(yùn)輸機(jī)在39°坡下坡行駛時(shí)，通過(guò)測(cè)速電路控制電磁式失電制動(dòng)器，能有效解決單軌運(yùn)輸機(jī)行駛速度超出安全速度的問(wèn)題。經(jīng)連續(xù)1個(gè)月的實(shí)際測(cè)試，限位停車(chē)控制模塊能夠?qū)崿F(xiàn)單軌運(yùn)輸機(jī)的及時(shí)停車(chē)，其可靠性達(dá)100%，手動(dòng)按鍵及無(wú)線(xiàn)遙控均能實(shí)現(xiàn)單軌運(yùn)輸機(jī)的有效控制，無(wú)線(xiàn)遙控最大可靠距離為450 m，控制裝置響應(yīng)時(shí)間約為2 s?！窘Y(jié)論】 所設(shè)計(jì)的控制裝置運(yùn)行穩(wěn)定可靠，能滿(mǎn)足單軌運(yùn)輸機(jī)智能性、安全性和自制性的預(yù)期設(shè)計(jì)要求。

[關(guān)鍵詞]山地果園；單軌運(yùn)輸機(jī)；控制裝置；速度控制

我國(guó)南方果園大多建設(shè)在地形復(fù)雜的丘陵山地上，立地條件差，果品和農(nóng)資主要依靠人工方式運(yùn)送，勞動(dòng)強(qiáng)度大、工作效率低。隨著山區(qū)青壯年勞動(dòng)力的減少，勞動(dòng)成本不斷上升，進(jìn)一步制約了山地果業(yè)的發(fā)展[1]。為解決山地果園果品和農(nóng)資運(yùn)輸困難的問(wèn)題，國(guó)內(nèi)學(xué)者研制了山地果園鏈?zhǔn)窖h(huán)貨運(yùn)索道和鋼絲繩牽引式雙軌運(yùn)輸機(jī)等適應(yīng)山區(qū)地形特點(diǎn)的運(yùn)輸設(shè)備[1-4]，在一定程度上替代了人工運(yùn)輸，提高了勞動(dòng)生產(chǎn)率。

單軌運(yùn)輸機(jī)具有軌道輕便、架設(shè)簡(jiǎn)單、占地面積小、爬坡能力強(qiáng)、運(yùn)輸效率高等特點(diǎn)，特別適用于山地果園的地形條件[5-6]。日本、韓國(guó)和我國(guó)臺(tái)灣等地已將單軌運(yùn)輸機(jī)應(yīng)用于農(nóng)業(yè)及林業(yè)管理[6-10]。我國(guó)已研發(fā)和試驗(yàn)示范了適合坡度稍緩(≤40°)的自走式單軌道果園運(yùn)輸機(jī)[11-14]和適合大坡度(≤60°) 的牽引式單軌道果園運(yùn)輸機(jī)[15-16]，其中自走式單軌運(yùn)輸機(jī)以柴油機(jī)作動(dòng)力，而牽引式單軌運(yùn)輸機(jī)則包括電動(dòng)機(jī)和柴油機(jī)2種驅(qū)動(dòng)形式。本課題組在以汽油機(jī)為動(dòng)力的自走式單軌運(yùn)輸機(jī)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一種以蓄電池為動(dòng)力，由直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)的山地果園單軌運(yùn)輸機(jī)[17-20]。該運(yùn)輸機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但作業(yè)時(shí)仍需人工輔助操作，在復(fù)雜地形條件下操作人員難以有效地觀察和控制運(yùn)輸機(jī)，不能很好地滿(mǎn)足山地果園運(yùn)輸作業(yè)的要求。為此，本研究在前期研究的基礎(chǔ)上，研制了運(yùn)輸機(jī)的控制裝置，以期進(jìn)一步提高運(yùn)輸機(jī)對(duì)山地果園立地條件的適應(yīng)性，提高運(yùn)輸機(jī)的安全性和自動(dòng)化水平，進(jìn)而更好地滿(mǎn)足山地果園運(yùn)輸作業(yè)的要求。

1總體方案設(shè)計(jì)

控制裝置的設(shè)計(jì)要求為：①用戶(hù)可設(shè)定單軌運(yùn)輸機(jī)的行駛速度，且控制系統(tǒng)能夠自動(dòng)調(diào)節(jié)運(yùn)輸機(jī)的行駛速度；②運(yùn)輸機(jī)行駛到軌道末端時(shí)能夠自動(dòng)停車(chē)以避免脫軌；③控制裝置可實(shí)現(xiàn)手動(dòng)控制和無(wú)線(xiàn)遙控2種控制模式。

如圖1所示，本研究設(shè)計(jì)的控制裝置主要包括無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)及其驅(qū)動(dòng)模塊、48 V電源、制動(dòng)模塊、速度調(diào)節(jié)模塊、單片機(jī)、無(wú)線(xiàn)通信模塊、5 V電源、手動(dòng)控制按鍵和限位停車(chē)模塊等。單片機(jī)接收來(lái)自無(wú)線(xiàn)通信模塊或手動(dòng)控制按鍵的控制信息；驅(qū)動(dòng)模塊用于驅(qū)動(dòng)單軌運(yùn)輸機(jī)行駛；速度調(diào)節(jié)模塊用于實(shí)現(xiàn)單軌運(yùn)輸機(jī)的加減速控制；制動(dòng)模塊用于完成運(yùn)輸機(jī)的電磁式失電制動(dòng)；限位停車(chē)模塊用于實(shí)現(xiàn)單軌運(yùn)輸機(jī)運(yùn)行到軌道末端時(shí)自動(dòng)停車(chē)的功能。

圖 1　單軌運(yùn)輸機(jī)控制裝置原理框圖

2控制裝置的設(shè)計(jì)

2.1驅(qū)動(dòng)控制

驅(qū)動(dòng)控制部分主要包括：無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)、直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器、電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)向控制電路、電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速控制電路、蝸輪蝸桿、48 V電源，其原理如圖2所示。控制裝置通過(guò)直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊控制直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)蝸輪蝸桿減速機(jī)(減速比為1∶5)轉(zhuǎn)動(dòng)為單軌運(yùn)輸機(jī)提供動(dòng)力，經(jīng)傳動(dòng)裝置和驅(qū)動(dòng)裝置傳遞至驅(qū)動(dòng)輪，驅(qū)動(dòng)運(yùn)輸機(jī)行駛。通過(guò)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)向/轉(zhuǎn)速控制器控制直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器，調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)速，以控制運(yùn)輸機(jī)的行駛方向和行駛速度。直流電動(dòng)機(jī)選用額定電壓為48 V，額定功率為500 W，內(nèi)置霍爾傳感器的三相永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)，由4個(gè)12 V、28 Ah的鉛酸蓄電池串聯(lián)組成的48 V電源為其供電[21]。

圖 2　單軌運(yùn)輸機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊框圖

2.2電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速控制器

電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速控制器由數(shù)控電位器(AD5241，

ADI，美國(guó))構(gòu)成，電路如圖3所示。電位器的電壓輸出端(W1)與直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器的調(diào)速端相連，單片機(jī)通過(guò)I2C總線(xiàn)控制AD5241的W1和B1端口間的電壓差值，直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器可根據(jù)該電壓差值調(diào)節(jié)直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。

為防止運(yùn)輸機(jī)下坡行駛時(shí)的行駛速度超出安全范圍，研究中設(shè)計(jì)了下行超速保護(hù)模塊。如圖4所示，該模塊采用LM324集成運(yùn)算放大器實(shí)時(shí)采集無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)內(nèi)置霍爾傳感器輸出的方波信號(hào)，經(jīng)RC濾波電路濾波后輸入到單片機(jī)的定時(shí)/計(jì)數(shù)器接口進(jìn)行計(jì)數(shù)，根據(jù)固定時(shí)間間隔內(nèi)的計(jì)數(shù)值，計(jì)算電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，其表達(dá)式為：

R=N/T。

(1)

式中：R為直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，單位為r/s；N為固定時(shí)間間隔內(nèi)的計(jì)數(shù)值；T為時(shí)間間隔，本研究中T=500 ms。

圖 3　單軌運(yùn)輸機(jī)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速控制器電路圖

2.3制動(dòng)控制模塊

運(yùn)輸機(jī)行駛在較大坡度的山地果園時(shí)，除受電動(dòng)機(jī)所給動(dòng)力外，還受重力在坡面方向上的分力作用[19-20]，當(dāng)單軌運(yùn)輸機(jī)下坡時(shí)，重力在坡面方向上的分力會(huì)使其加速運(yùn)行。為避免運(yùn)輸機(jī)下坡行駛速度超出安全范圍，筆者設(shè)計(jì)了制動(dòng)控制模塊。如圖5所示，制動(dòng)控制模塊中的制動(dòng)器選用額定電壓為48 V、額定功率為48 W的電磁式失電制動(dòng)器，安裝于電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上。單片機(jī)根據(jù)測(cè)速模塊反饋的電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速判定并控制制動(dòng)模塊的工作狀態(tài)，控制框圖見(jiàn)圖6。當(dāng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速超過(guò)預(yù)定轉(zhuǎn)速時(shí)，單片機(jī)通過(guò)控制繼電器，使電磁式失電制動(dòng)器斷電，電磁式失電制動(dòng)器通過(guò)與電動(dòng)機(jī)摩擦使電動(dòng)機(jī)減速；當(dāng)測(cè)速信號(hào)采集電路檢測(cè)到電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速未超過(guò)安全閾值時(shí)，單片機(jī)通過(guò)控制繼電器使電磁式失電制動(dòng)器通電，此時(shí)電動(dòng)機(jī)不受摩擦阻力作用，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速不變。

圖 5　單軌運(yùn)輸機(jī)電機(jī)制動(dòng)控制模塊框圖

2.4限位停車(chē)模塊

為防止運(yùn)輸機(jī)行駛到軌道始末兩端時(shí)脫軌，設(shè)計(jì)了限位停車(chē)模塊，使運(yùn)輸機(jī)行駛到軌道末端時(shí)自動(dòng)停車(chē)。限位停車(chē)模塊由行程開(kāi)關(guān)及限位檔桿組成，行程開(kāi)關(guān)安裝于單軌運(yùn)輸機(jī)的下方，限位檔桿安裝于運(yùn)輸機(jī)行駛的軌道始末兩端。在行駛過(guò)程中，當(dāng)限位開(kāi)關(guān)與限位檔桿接觸時(shí)，限位開(kāi)關(guān)閉合，單片機(jī)接收到限位開(kāi)關(guān)的閉合信號(hào)后發(fā)出停車(chē)命令，直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊控制無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)停止，制動(dòng)控制模塊控制電磁式失電制動(dòng)器斷電制動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)運(yùn)輸機(jī)的制動(dòng)。

2.5遙控及手動(dòng)控制模塊

遙控或手動(dòng)控制模塊可在無(wú)線(xiàn)遙控和手動(dòng)控制2種模式下工作。用戶(hù)可通過(guò)遙控器上的前進(jìn)、后退、加速、減速或停止按鍵來(lái)控制單軌運(yùn)輸機(jī)的工作狀態(tài)，無(wú)線(xiàn)通信模塊選用PT2262無(wú)線(xiàn)發(fā)射模塊和PT2272無(wú)線(xiàn)接收模塊。PT2262/PT2272模塊均工作在315 MHz頻段，為增強(qiáng)接收信號(hào)強(qiáng)度，研究中將天線(xiàn)延伸到車(chē)載控制箱外。通過(guò)配置地址編碼引腳使2個(gè)模塊具有相同的地址碼，釆用按鍵組合電路實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)編碼的惟一性，具體組合如表1所示。

表 1　PT2262數(shù)據(jù)碼組合表

表1中，當(dāng)其中一個(gè)引腳輸入為高電平“1”時(shí)，PT2262發(fā)出信號(hào)，PT2272接收到信號(hào)后，其對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)引腳輸出高電平。由表1可知，本研究中前進(jìn)控制命令對(duì)應(yīng)于PT2262芯片的D0引腳為高電平，此時(shí)該芯片對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)輸入引腳的二進(jìn)制碼為0x01H。后退、加速、減速、停止命令相應(yīng)數(shù)據(jù)輸入引腳的二進(jìn)制碼分別為0x02、0x04、0x08和0x10。

手動(dòng)控制按鍵安裝于車(chē)載控制箱上，設(shè)置有3個(gè)分別與單片機(jī)連接并分別用于控制運(yùn)輸機(jī)前進(jìn)、后退和停止的按鍵，用于在遙控失靈或緊急情況下使用。

3軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件采用模塊化編程設(shè)計(jì)，主要模塊包括行駛速度調(diào)節(jié)模塊、直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、制動(dòng)模塊、無(wú)線(xiàn)通信模塊、限位停車(chē)模塊、延時(shí)函數(shù)模塊，程序執(zhí)行流程如圖7所示。

圖 7　單軌運(yùn)輸機(jī)控制系統(tǒng)程序執(zhí)行流程圖

4試驗(yàn)與結(jié)果分析

4.1試驗(yàn)變量的選擇

單軌運(yùn)輸機(jī)控制裝置的穩(wěn)定性及其系統(tǒng)功耗直接影響著運(yùn)輸機(jī)的運(yùn)載性能和工作效率。為分析控制裝置的穩(wěn)定性及運(yùn)輸機(jī)的系統(tǒng)功耗，本研究對(duì)運(yùn)輸機(jī)的行駛速度、制動(dòng)性能及系統(tǒng)功耗進(jìn)行了試驗(yàn)。在實(shí)際應(yīng)用中，運(yùn)輸機(jī)的行駛速度及系統(tǒng)功耗受直流電機(jī)轉(zhuǎn)速、爬坡角度、制動(dòng)狀態(tài)及裝載質(zhì)量等因素的影響，其中直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速主要受數(shù)控電位器輸出電壓控制。試驗(yàn)設(shè)制動(dòng)和不制動(dòng)2種制動(dòng)狀態(tài)，裝載質(zhì)量設(shè)0，60，110，150 kg共4個(gè)水平，爬坡角度設(shè)0～39°，數(shù)控電位器輸出電壓為0～5 V。

4.2試驗(yàn)場(chǎng)地及設(shè)備

試驗(yàn)場(chǎng)地位于華南農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院國(guó)家柑橘產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系機(jī)械研究室試驗(yàn)場(chǎng)，地形起伏坡度為±(5±0.5)°，近似視為平地。為模擬山地果園地形，試驗(yàn)場(chǎng)內(nèi)通過(guò)架設(shè)軌道支撐架構(gòu)成了一條單軌運(yùn)輸機(jī)軌道。該軌道全長(zhǎng)(48±0.5) m，最大坡度為39°，其中平地軌道長(zhǎng)度為(40±0.5) m，坡度為0°～39°漸增段軌道長(zhǎng)度為(3±0.5) m，坡度為39°的軌道長(zhǎng)度為(5±0.5) m。

單軌運(yùn)輸機(jī)車(chē)體包括貨運(yùn)架、單軌運(yùn)輸機(jī)頭及控制裝置，總質(zhì)量為100 kg。本試驗(yàn)使用10個(gè)單箱質(zhì)量為(15±0.5) kg的水箱作為單軌運(yùn)輸機(jī)運(yùn)輸負(fù)載。試驗(yàn)中通過(guò)改變水箱數(shù)量、制動(dòng)狀態(tài)、爬坡角度和數(shù)控電位器取值，測(cè)試各試驗(yàn)變量分別對(duì)單軌運(yùn)輸機(jī)的行駛速度及系統(tǒng)功耗的影響。選取相同的軌道段作為單軌運(yùn)輸機(jī)的行駛起點(diǎn)和終點(diǎn)，分別在不同負(fù)載、不同速度下使單軌運(yùn)輸機(jī)行駛在平地和模擬坡地的軌道上進(jìn)行試驗(yàn)。通過(guò)測(cè)量單軌車(chē)行駛的軌道段距離，采用秒表對(duì)單軌運(yùn)輸機(jī)的行駛時(shí)間計(jì)時(shí)，換算成單軌運(yùn)輸機(jī)的行駛速度；通過(guò)數(shù)字萬(wàn)用表(美國(guó)吉時(shí)利公司生產(chǎn)，型號(hào)為Keithly 2700)測(cè)量串聯(lián)在48 V蓄電池輸出端的電流感應(yīng)傳感器(型號(hào)為ACS712ELC-20A)的輸出電壓，換算成電流，計(jì)算系統(tǒng)的功耗。

4.3測(cè)試結(jié)果與數(shù)據(jù)分析

4.3.1行駛速度測(cè)試運(yùn)輸機(jī)的行駛速度由數(shù)控電位器控制直流電動(dòng)機(jī)控制器，進(jìn)而對(duì)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)節(jié)。分別在運(yùn)輸機(jī)前進(jìn)和后退時(shí)，改變數(shù)控電位器的輸出，測(cè)試運(yùn)輸機(jī)在平地行駛時(shí)的速度變化情況。試驗(yàn)中，數(shù)控電位器的輸出電壓為0～5 V，以0.3 V為步進(jìn)；記錄運(yùn)輸機(jī)在平地行駛固定距離所需的時(shí)間，計(jì)算其行駛速度；數(shù)控電位器每個(gè)輸出電壓條件下進(jìn)行3次試驗(yàn)，取其均值作為測(cè)試結(jié)果。不同載質(zhì)量條件下，數(shù)據(jù)電位器輸出電壓與單軌運(yùn)輸機(jī)平地運(yùn)行速度的關(guān)系曲線(xiàn)如圖8所示，其線(xiàn)性回歸方程見(jiàn)表2。

圖 8　不同數(shù)控電位器輸出電壓及不同裝載質(zhì)量情況下單軌運(yùn)輸機(jī)的平地行駛速度

裝載質(zhì)量/kgLoad回歸模型Regressionmodel前進(jìn)Forward后退BackwardR2前進(jìn)Forward后退Backward0y=0.216x-0.188y=0.209x-0.1600.9790.97360y=0.208x-0.195y=0.208x-0.1780.9810.976110y=0.208x-0.202y=0.208x-0.1960.9850.980150y=0.205x-0.209y=0.204x-0.1980.9820.977

由表2可知，數(shù)控電位器輸出電壓與單軌運(yùn)輸機(jī)的平地行駛速度具有較好的線(xiàn)性相關(guān)性(R2>0.973)。綜合表2運(yùn)輸機(jī)在不同負(fù)載條件下前進(jìn)和后退時(shí)的行駛速度及其對(duì)應(yīng)的數(shù)控電位器輸出電壓，得到運(yùn)輸機(jī)在平地行駛時(shí)的速度計(jì)算公式為：

y=0.21x+0.19。

(2)

式中：y為單軌運(yùn)輸機(jī)平地運(yùn)行速度， m/s；x為數(shù)控電位器輸出電壓，V。

4.3.2制動(dòng)控制試驗(yàn)單軌運(yùn)輸機(jī)空載慢速行駛在39°～0°坡度漸小的下坡時(shí)，測(cè)量運(yùn)輸機(jī)在制動(dòng)剎車(chē)和不制動(dòng)剎車(chē)2種情況下的電流，結(jié)果如圖9所示。由圖9可知，制動(dòng)器不工作時(shí)，運(yùn)輸機(jī)在重力作用下帶動(dòng)直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，蓄電池消耗電流迅速降低，直流電動(dòng)機(jī)處于發(fā)電機(jī)狀態(tài)，產(chǎn)生反向電流，無(wú)線(xiàn)遙控及手動(dòng)控制失效，運(yùn)輸機(jī)的運(yùn)行速度約為 0.87 m/s；運(yùn)輸機(jī)行駛到平地后自身重力在水平方向的分力消失，但直流電動(dòng)機(jī)仍處于發(fā)電機(jī)狀態(tài)，直到消耗完下坡時(shí)存儲(chǔ)的能量后電動(dòng)機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)；整個(gè)過(guò)程中系統(tǒng)輸出電流由11.97 A下降到-4.64 A后又逐步上升到0.31 A。制動(dòng)器工作時(shí)，由制動(dòng)器產(chǎn)生的摩擦力抵消了運(yùn)輸機(jī)重力在坡面上的分力，系統(tǒng)輸出電流由11.89 A逐步下降到0.67 A后又逐步上升到0.95 A。無(wú)線(xiàn)遙控及手動(dòng)控制能夠有效控制運(yùn)輸機(jī)的行駛速度約為0.25 m/s。

圖 9　單軌運(yùn)輸車(chē)下坡(坡度39°～0°)時(shí)不同制動(dòng)方式

4.3.3功耗測(cè)試試驗(yàn)采用電流感應(yīng)傳感器(型號(hào)為ACS712ELC-20A)測(cè)量蓄電池的輸出電流。為提高試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性，筆者首先對(duì)電流感應(yīng)傳感器進(jìn)行了標(biāo)定試驗(yàn)。選用數(shù)字可調(diào)電源(MATRIX公司生產(chǎn)，MPS-3003L-3)模擬蓄電池的電壓，將功率電阻和電流感應(yīng)傳感器串聯(lián)在電源兩端，改變功率電阻的阻值，從而改變電流感應(yīng)傳感器流過(guò)的電流，通過(guò)示波器(Tektronix公司生產(chǎn)，型號(hào)為T(mén)DS3052B)采集電流感應(yīng)傳感器的輸出電壓及功率電阻兩端的電壓并換算成電流。標(biāo)定結(jié)果如圖10所示，擬合直線(xiàn)的R2=0.999，電流感應(yīng)傳感器的標(biāo)定公式如下：

Io=10×(Uo-2.523)。

(3)

式中：Io為蓄電池輸出電流，A；Uo為電流感應(yīng)傳感器輸出電壓，V。

圖 10電流感應(yīng)傳感器標(biāo)定結(jié)果

Fig.10Calibration result of current sensor

單軌運(yùn)輸機(jī)的行駛過(guò)程是電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的過(guò)程，通過(guò)改變單軌運(yùn)輸機(jī)的裝載質(zhì)量、速度及行駛坡度測(cè)量系統(tǒng)的功耗情況，用通過(guò)數(shù)字萬(wàn)用表(美國(guó)吉時(shí)利公司生產(chǎn)，型號(hào)為Keithly 2700)測(cè)量串聯(lián)在48 V蓄電池輸出端的電流感應(yīng)傳感器(型號(hào)為ACS712ELC-20A)的輸出電壓，用式(3)換算成電流。為方便試驗(yàn)，設(shè)定數(shù)控電位器輸出電壓為2.2 V時(shí)的速度(空載平地速度約為0.2 m/s)為慢速，數(shù)控電位器輸出電壓為4.0 V時(shí)的速度(空載平地速度約為0.6 m/s)為快速；單軌運(yùn)輸機(jī)的行駛軌跡：平地(地面有5°左右的坡度起伏)、0°～39°(坡度從0°漸增到39°)上坡、39°上坡。0°～39°上坡時(shí)不同載質(zhì)量和不同速度空載情況下單軌運(yùn)輸機(jī)系統(tǒng)的消耗電流分別如圖11和圖12所示。由圖11、12可知，爬行的坡度越陡，系統(tǒng)的消耗電流越大；在相同裝載質(zhì)量情況下，單軌車(chē)行駛速度越快，系統(tǒng)消耗電流越大；在相同速度情況下，單軌運(yùn)輸機(jī)裝載質(zhì)量越大，系統(tǒng)消耗電流越大。

對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析可知，①當(dāng)單軌運(yùn)輸機(jī)慢速運(yùn)行在平地時(shí)，空載情況下，系統(tǒng)消耗電流均值約為1.77 A；裝載質(zhì)量為70 kg情況下，系統(tǒng)消耗電流均值約為2.18 A；裝載質(zhì)量為150 kg情況下，系統(tǒng)消耗電流均值約為2.60 A。當(dāng)單軌運(yùn)輸機(jī)慢速運(yùn)行在39°上坡時(shí)，系統(tǒng)消耗電流為13.31～16.52 A，爬坡速度約為0.24 m/s。②單軌運(yùn)輸機(jī)快速運(yùn)行在平地時(shí)，空載情況下，系統(tǒng)消耗電流均值約為2.83 A；裝載質(zhì)量為70 kg情況下，系統(tǒng)消耗電流均值約為3.23 A；裝載質(zhì)量為150 kg情況下，系統(tǒng)消耗電流均值約為3.56 A。③單軌運(yùn)輸機(jī)快速運(yùn)行在39°上坡時(shí)，系統(tǒng)消耗電流為13.21～20.01 A，系統(tǒng)最大消耗電流約為系統(tǒng)額定電流的1.54倍(系統(tǒng)額定電流包括：電動(dòng)機(jī)額定電流12.5 A，控制裝置額定工作電流0.52 A)，爬坡速度約為0.27 m/s，與平地運(yùn)行速度相比明顯減慢。

圖 110°～39°上坡不同載質(zhì)量情況下單軌運(yùn)輸機(jī)系統(tǒng)的消耗電流

Fig.11Current consumption of system when monorail vehicles climb up (slope 0°-39°) under different loads

圖 12　0°～39°上坡不同速度空載情況下

4.4實(shí)際應(yīng)用測(cè)試

經(jīng)過(guò)連續(xù)1個(gè)月的實(shí)際應(yīng)用測(cè)試，單軌運(yùn)輸機(jī)運(yùn)行到軌道始末兩端時(shí)，當(dāng)限位開(kāi)關(guān)觸碰到限位檔桿時(shí)，單軌運(yùn)輸機(jī)能夠立即停止運(yùn)行，測(cè)試的成功率為100%。無(wú)線(xiàn)遙控的最大可靠通信距離為450 m。當(dāng)單軌運(yùn)輸機(jī)裝載質(zhì)量為150 kg時(shí)，電壓為48 V、容量為28 Ah的蓄電池充滿(mǎn)電后，能夠帶動(dòng)單軌運(yùn)輸機(jī)在試驗(yàn)場(chǎng)內(nèi)模擬軌道上來(lái)回運(yùn)行200趟左右，可持續(xù)行駛4 h?？刂蒲b置響應(yīng)時(shí)間約為2 s。

5結(jié)論

1)本研究設(shè)計(jì)的山地果園單軌運(yùn)輸機(jī)控制裝置，實(shí)現(xiàn)了單軌運(yùn)輸機(jī)在無(wú)線(xiàn)遙控和手動(dòng)控制2種模式下的啟停、加減速等控制；通過(guò)行駛速度調(diào)節(jié)模塊實(shí)現(xiàn)單軌運(yùn)輸機(jī)的速度調(diào)節(jié)；通過(guò)下行速度保護(hù)模塊及制動(dòng)控制模塊，實(shí)現(xiàn)了單軌運(yùn)輸機(jī)超過(guò)安全速度后的自動(dòng)減速功能。

2)模擬測(cè)試表明：在相同裝載質(zhì)量、相同輸出電壓下，單軌運(yùn)輸機(jī)在前進(jìn)和后退時(shí)的行駛速度基本相同，其運(yùn)行速度可實(shí)現(xiàn)0.1～0.6 m/s的加減速調(diào)節(jié)控制；單軌運(yùn)輸機(jī)的行駛速度隨著裝載質(zhì)量的增加而逐漸變小，但其裝載質(zhì)量的大小對(duì)行駛速度的影響不顯著；當(dāng)單軌運(yùn)輸機(jī)在39°的坡度下坡行駛時(shí)，通過(guò)測(cè)速電路控制電磁式失電制動(dòng)器，能有效解決單軌運(yùn)輸機(jī)超出安全速度的問(wèn)題，使其行駛速度調(diào)節(jié)為0.25 m/s。單軌運(yùn)輸機(jī)爬行的坡度越陡、行駛速度越快、裝載質(zhì)量越大，系統(tǒng)的消耗電流越大，且隨著坡度的增加，行駛速度及裝載質(zhì)量對(duì)系統(tǒng)消耗電流影響變大；單軌運(yùn)輸機(jī)額定裝載質(zhì)量可達(dá)150 kg。

3)經(jīng)連續(xù)1個(gè)月的實(shí)際測(cè)試，限位停車(chē)控制模塊能夠?qū)崿F(xiàn)單軌運(yùn)輸機(jī)的及時(shí)停車(chē)，其可靠性達(dá)100%，手動(dòng)按鍵及無(wú)線(xiàn)遙控均能實(shí)現(xiàn)對(duì)單軌運(yùn)輸機(jī)的有效控制，無(wú)線(xiàn)通信最大可靠距離為450 m?？刂蒲b置響應(yīng)時(shí)間約為2 s。結(jié)果表明，該控制裝置運(yùn)行穩(wěn)定可靠，滿(mǎn)足了預(yù)期設(shè)計(jì)要求。

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Development of control device for an electric drive monorail vehicle in mountain orchard

LUO Yu-qing1,2,HONG Tian-sheng2,3,LI Zhen2,3,ZENG Jing-yuan2,3,SUN Tong-biao2,3,LI Jia-nian2,4

(1CollegeofElectricalEngineering,GuangzhouCollegeofSouthChinaUniversityofTechnology,Guangzhou,Guangdong510800,China;2KeyLaboratoryofKeyTechnologyforSouthAgriculturalMachineryandEquipment,MinistryofEducation,Guangzhou,Guangdong510642,China;3DivisionofCitrusMachinery,ChinaAgricultureResearchSystem,Guangzhou,Guangdong510642,China;4CollegeofModernAgriculturalEngineering,KunmingUniversityofScienceandTechnology,Kunming,Yunnan650500,China)

Abstract:【Objective】 In this paper,an automatic control device of electric drive monorail vehicle for mountain orchards was designed to increase the intelligent and safe level.【Method】 The control device for battery-driven monorail vehicle of mountain orchard was designed based on micro controller,DC motor,wireless communication module and so on.The whole system was tested within a monorail which simulated the landscape of actual citrus orchards.Experiments of speed controlling,reliability of the brake controlling and power consumption were carried out,respectively.【Result】 The control device included micro controller,power supplying circuit,DC motor and its driving module,brake control module,speed control module,wireless communication module,manual control panel and distance-limited parking module.Traveling velocity of monorail vehicles can be adjusted within the range of 0.1-0.6 m/s.The speed of monorail vehicle going downhill (slope of 39°) was controlled by its automatic braking control module.Further test was conducted in actual application for one consecutive month,and the results showed that the monorail vehicle can be stopped by this braking module, proving that the reliability was up to 100%.The longest communication reached 450 m with a response time of 2 s.【Conclusion】 The designed control device met the demand of mountain citrus application.

Key words:mountain orchard;monorail vehicle;control device;speed control

DOI：網(wǎng)絡(luò)出版時(shí)間:2016-02-0209:3710.13207/j.cnki.jnwafu.2016.03.031

[收稿日期]2014-07-01

[基金項(xiàng)目]廣東省高等學(xué)校優(yōu)秀青年教師培養(yǎng)計(jì)劃項(xiàng)目(YQ2013028)；國(guó)家現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系建設(shè)專(zhuān)項(xiàng)(CARS-27)；國(guó)家公益性行業(yè)(農(nóng)業(yè)) 科研專(zhuān)項(xiàng)(200903023)

[作者簡(jiǎn)介]羅瑜清(1986-)，女，四川廣元人，助教，碩士，主要從事機(jī)械電子系統(tǒng)控制及自動(dòng)化研究。E-mail：luoyuqing6@163.com[通信作者]洪添勝(1955-)，男，廣東梅縣人，教授，博士，博士生導(dǎo)師，主要從事農(nóng)業(yè)工程、機(jī)電一體化和信息技術(shù)應(yīng)用研究。E-mail：tshong@scau.edu.cn

[中圖分類(lèi)號(hào)]S24；S233.74

[文獻(xiàn)標(biāo)志碼]A

[文章編號(hào)]1671-9387(2016)03-0227-08