一种插电式电动旋耕机的制作方法

本发明涉及耕作机械领域，特别是涉及一种插电式电动旋耕机。

背景技术：

旋耕机是与拖拉机配套完成耕、耙作业的耕耘机械。传统农业生产中使用的旋耕机械是由柴油机经过一系列传动装置以及标准机械式pto接口进行驱动的，这种驱动方式使得旋耕机的转速很难摆脱发动机转速的影响，因而也就意味着旋耕机的工作转速被局限在几个孤立的转速点附近，难以实现无级调速；在传统机械式动力传动方式下，为实现旋耕机刀片入土时的软结合以减小对刀片和发动机的冲击，一般需通过控制离合器滑磨来实现，这不仅浪费资源，而且作业连贯性差、作业效率低；传统旋耕机的动力输出接口为花键联接，在挂接旋耕机具时，操作过程相对复杂。

插电式电动旋耕机是一种通过电气连接器(如电气插头)及配套电缆从电动拖拉机的电动力输出接口(如电气插座)获取驱动能量的电动拖拉机配套农具，其自身携带电机驱动装置，但无需配备动力电池。

与传统旋耕机相比，插电式电动旋耕机具有能量利用率高、机具挂接操作简单、工作连贯性好、转速和转矩控制自由度大、易于实现无级调速和软启动控制、且启动转矩大的特点，同时，旋耕机采用电气连接器及配套电缆与拖拉机相连，不仅能实现功率传输，还可实现作业信息交互，即作业过程中旋耕机具的各种作业信息均可上传至拖拉机整机，而拖拉机整机也可将各种作业指令及时下发至旋耕机，这对于实现拖拉机作业机组精细化管理、提升作业机组的信息化和智能化水平具有重要意义。

与近年来国内提出的一种自带动力蓄电池及动力底盘的自走式电动旋耕机相比，所提出的插电式电动旋耕机的优势在于：

(1)插电式电动旋耕机仅在传统旋耕机基础上增加了电机驱动装置和电缆连接装置，就目前国内电机发展现状来看，以永磁同步电机为例，电机连续功率密度已超过0.75kw/kg，峰值功率密度超过1.5kw/kg，同时，电机驱动控制技术日趋完善，电机驱动系统成本持续下降，因而插电式电动旋耕机技术可行性高，成本增加少，控制难度小，与传统旋耕机技术方案的衔接性好，因而也更易于产业化。

(2)插电式电动旋耕机无需配备动力电池，作为拖拉机的配套机具，其作业功率和续航能力由拖拉机整机动力输出能力决定，相比于自带电池包的自走式电动旋耕机，所述的插电式电动旋耕机通过电气接口从拖拉机整机取电，因其不受电池重量、体积以及成本的限制，故具有更宽的功率匹配范围和更好的工况适应性，而自走式电动旋耕机受电池技术的限制，功率等级和续航能力均有限，一般只能在大棚等特定小范围内使用。

技术实现要素：

针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种插电式的电动旋耕机。

为达到以上目的，本发明采取的技术方案是：

一种插电式电动旋耕机，包括旋耕机机体8、旋耕机辊刀6、辊刀轴总成7、悬挂杆件3、减速器总成4、电控箱体5和旋耕机电路总成；其中，旋耕机电路总成包括三部分，分别是电气接口部分、机具作业管理部分和机具驱动部分。

所述电气接口部分包括多触头电气连接器1和动力传输电缆2；

所述电气接口部分的主要功能是通过多触头电气连接器1插接的方式将旋耕机与电动拖拉机用动力传输电缆2快速而可靠地连接，从而将旋耕机电路总成接入电动拖拉机的整机电网中，以实现拖拉机与旋耕机之间电能和数据的传递；

所述机具作业管理部分包括旋耕机管理控制单元、高压继电器、高压接触器、功率电阻和电流传感器；所述高压继电器、高压接触器和电流传感器均由旋耕机管理控制单元进行控制；

所述旋耕机管理控制单元分别与高压继电器、高压接触器、电流传感器连接，所述功率电阻和高压继电器主回路串联后，再与高压接触器主回路并联，共同构成了机具驱动部分的预充电回路，用于避免在接通高压时对机具驱动部分电路器件的大电流冲击；所述电流传感器负责采集机具驱动部分直流供电回路的电流值。

所述机具作业管理部分的主要功能是对旋耕机的上电启动、机具驱动、下电停机、高压用电安全管理、机具运行状态监测以及电气接口连接过程等进行协调管理，是电动旋耕机电路总成的核心。

所述机具驱动部分包括电机驱动装置9、三相电缆、电机编码器和温度传感器，所述电机驱动装置9包括驱动电机和电机控制器，所述电机编码器与温度传感器安装在驱动电机的后端盖内部，并分别通过电机编码器线束和温度传感器线束与电机控制器相连接，所述电机控制器通过三相电缆与驱动电机连接；电机控制器通过螺栓固定在电控箱体5内部；电控箱体5则通过螺栓固定在旋耕机机体8顶端中部；驱动电机的输出端与减速器总成4的输入端通过花键连接方式传递动力，驱动电机端面上的法兰与减速器总成4紧固连接；减速器总成4通过螺栓固定在旋耕机机体8上；

所述机具驱动部分的主要功能是接收旋耕机管理控制单元的指令，控制驱动电机输出相应的电磁转矩，驱动旋耕机进行作业。

所述多触头电气连接器1连接在动力传输电缆2的一端，所述动力传输电缆2的另一端连接至电控箱体5，减速器总成4的顶部安装有悬挂杆件3，所述旋耕机机体8的底部安装有辊刀轴总成7，所述辊刀轴总成7上安装有旋耕机辊刀6。

在上述方案的基础上，所述多触头电气连接器1包括通信canh触头1-1、连接器连接确认触头1-2、通信canl触头1-3、动力供电负极触头1-4、低压辅助供电负极触头1-5、高压配电允许触头1-6、低压辅助供电正极触头1-7和动力供电正极触头1-8；

所述动力供电正/负极触头用于向旋耕机的机具驱动部分提供动力电；

所述通信canh/canl触头用于实现电动拖拉机与电动旋耕机的通信连接，完成拖拉机与旋耕机之间各种信号的交互和传递；

所述连接器连接确认触头1-2用于确认多触头电气连接器1所有触头是否已经与固定在拖拉机上的对应插件完全连接，防止带载分断连接器等意外发生；

所述低压辅助供电正/负极触头用于向电动旋耕机的旋耕机电路总成提供电源；

所述高压配电允许触头1-6用于传递来自拖拉机驾驶室的触发信号，旋耕机只有在该信号为低电平状态时，才允许接通高压动力电源，其可实现紧急情况下旋耕机的一键停机功能；

所述多触头电气连接器1的各个触头可以集成在同一个连接器中，也可以根据电压等级和功能类型的不同分别设置在一个或多个连接器中。

在上述方案的基础上，所述多触头电气连接器1的各个触头长短设置不一致。

在上述方案的基础上，所述动力传输电缆2为多芯电缆，且动力传输电缆2的有效芯数(有效芯数不代表总芯数，一般总芯数不少于有效芯数)及电芯功能与所述多触头电气连接器1的触头数及触头功能相对应。

在上述方案的基础上，所述旋耕机管理控制单元包括电源端口、干接点输出端口、通讯端口、开关量及电流输入端口、高压信号采集端口、usb程序下载端口、gprs天线端口和sim卡端口；

所述电源端口的power+引脚与动力传输电缆2的低压辅助供电正极电芯相连，power-引脚与动力传输电缆2的低压辅助供电负极电芯相连，pg引脚连接旋耕机机体8；

所述干接点输出端口的k1com引脚、k2com引脚、k3com引脚、k4com引脚、k5com引脚均与动力传输电缆2的低压辅助供电负极电芯相连，k2no引脚与高压继电器控制线圈负极相连，高压继电器控制线圈正极与动力传输电缆2的低压辅助供电正极电芯相连，k3no引脚与高压接触器控制线圈负极相连，高压接触器主回路的输出端与高压信号采集端口的pre+引脚相连，压接触器主回路的输出端与电机控制器的直流输入正极(b+)相连，电机控制器的直流输入负极(b-)与动力传输电缆2的动力供电负极电芯相连；

所述通讯端口的can2l引脚与电机控制器的can2l引脚相连，can2h引脚与电机控制器的can2h引脚相连，can2lr引脚与can2l引脚相连，can2g引脚与旋耕机机体8相连，can3l引脚与动力传输电缆2的通信canl电芯相连，can3h引脚与动力传输电缆2的通信canh电芯相连，can3lr引脚与can3l引脚相连，can3g引脚与旋耕机机体8相连；

所述开关量及电流输入端口的di2引脚与动力传输电缆2的连接器连接确认电芯相连，di3引脚与动力传输电缆2的高压配电允许电芯相连，dicom+引脚与动力传输电缆2的低压辅助供电正极电芯相连，+12v引脚与电流传感器供电正极相连，-12v引脚与电流传感器供电负极相连，ibat引脚与电流传感器信号输出端相连，gnd引脚与电流传感器参考地相连；

所述高压信号采集端口的bat-引脚与动力传输电缆2的动力供电负极电芯相连，bat+引脚与动力传输电缆2的动力供电正极电芯相连，动力传输电缆2的动力供电正极电芯分别与高压接触器主回路的输入端和功率电阻相连，pre+引脚与电机控制器的直流输入正极相连，pe引脚可靠连接到旋耕机机体8。

在上述方案的基础上，驱动电机的类型可以是永磁同步电机或是交流异步电机，也可以是开关磁阻电机。

在上述方案的基础上，驱动电机的类型为永磁同步电机或交流异步电机时，电机控制器采用矢量控制算法，驱动电机的类型为开关磁阻电机时，电机控制器采用直接转矩控制算法。

在上述方案的基础上，所述电机编码器类型为旋转变压器型编码器；所述温度传感器类型为热敏电阻型传感器。

本发明所提出的插电式电动旋耕机的优势在于：

(1)插电式电动旋耕机仅在传统旋耕机基础上增加了电机驱动装置和电缆连接装置，就目前国内电机发展现状来看，以永磁同步电机为例，电机连续功率密度已超过0.75kw/kg，峰值功率密度超过1.5kw/kg，同时，电机驱动控制技术日趋完善，电机驱动系统成本持续下降，因而插电式电动旋耕机技术可行性高，成本增加少，控制难度小，与传统旋耕机技术方案的衔接性好，因而也更易于产业化。

(2)插电式电动旋耕机无需配备动力电池，作为拖拉机的配套机具，其作业功率和续航能力由拖拉机整机动力输出能力决定，相比于自带电池包的自走式电动旋耕机，所述的插电式电动旋耕机通过电气接口从拖拉机整机取电，因其不受电池重量、体积以及成本的限制，故具有更宽的功率匹配范围和更好的工况适应性，而自走式电动旋耕机受电池技术的限制，功率等级和续航能力均有限，一般只能在大棚等特定小范围内使用。

附图说明

本发明有如下附图：

图1插电式电动旋耕机总体结构图。

图2插电式电动旋耕机电路总成原理图。

图3插电式电动旋耕机电气连接器触头组成示意图。

其中，1多触头电气连接器2动力传输电缆3悬挂杆件4减速器总成5电控箱体6旋耕机辊刀7辊刀轴总成8旋耕机机体9电机驱动装置1-1通信canh触头1-2连接器连接确认触头1-3通信canl触头1-4动力供电负极触头1-5低压辅助供电负极触头1-6高压配电允许触头1-7低压辅助供电正极触头1-8动力供电正极触头。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步详细说明。

基于上述分析，本发明公开了一种插电式电动旋耕机，结合图1，其总体结构包括多触头电气连接器1、动力传输电缆2、悬挂杆件3、减速器总成4、电控箱体5、旋耕机辊刀6、辊刀轴总成7、旋耕机机体8和电机驱动装置9，所述的多触头电气连接器1可以根据电压等级和功能属性的不同分别设置一个或多个；所述的多触头电气连接器1连接在动力传输电缆2的一端；所述的动力传输电缆2为多芯电缆，且动力传输电缆2的有效芯数与所述的多触头电气连接器1的触头数相对应；所述的动力传输电缆2的另一端连接至电控箱体5；所述的电控箱体5固定在旋耕机机体8上；所述的旋耕机机体8上还固定有悬挂杆件3、减速器总成4、电机驱动装置9以及辊刀轴总成7，其中，电机驱动装置9由一台驱动电机和电机控制器组成，驱动电机的输出端连接至减速器总成4的输入端；所述的辊刀轴总成7上安装有旋耕机辊刀6。

所述的插电式电动旋耕机电路总成的组成及工作原理

结合图2，电路总成可分为三部分，分别是电气接口部分、机具作业管理部分和机具驱动部分。

电气接口部分的主要功能是通过多触头电气连接器1插接的方式将旋耕机与电动拖拉机用动力传输电缆2快速而可靠地连接，从而将旋耕机电路总成接入电动拖拉机的整机电网中，以实现拖拉机与旋耕机之间电能和数据的传递。

电气接口部分包括多触头电气连接器1和动力传输电缆2，再结合图3，多触头电气连接器1至少包括通信canh触头1-1、连接器连接确认触头1-2、通信canl触头1-3、动力供电负极触头1-4、低压辅助供电负极触头1-5、高压配电允许触头1-6、低压辅助供电正极触头1-7和动力供电正极触头1-8。多触头电气连接器1的各个触头可以集成在同一个连接器中，也可以根据电压等级和功能类型分别设置在两个连接器中。

所述的多触头电气连接器1连接在动力传输电缆2的一端；所述的动力传输电缆2为多芯电缆，且其有效芯数及电芯功能与所述的多触头电气连接器1的触头数及触头功能相对应。各触头(或电芯)对应的功能详细说明如下：

动力供电正/负极触头(或电芯)：向旋耕机的机具驱动部分提供动力电；

通信canh/canl触头(或电芯)：实现电动拖拉机与电动旋耕机的通信连接，完成拖拉机与旋耕机之间各种信号的交互和传递；

连接器连接确认触头(或电芯)：用于确认多触头电气连接器1所有触头是否已经与固定在拖拉机上的对应插件完全连接，防止带载分断连接器等意外发生；

低压辅助供电正/负极触头(或电芯)：向电动旋耕机的旋耕机电路总成提供电源；

高压配电允许触头(或电芯)：传递一个来自拖拉机驾驶室的触发信号，旋耕机只有在该信号为低电平状态时，才允许接通高压动力电源，其可实现紧急情况下旋耕机的一键停机功能。

机具作业管理部分的主要功能是对旋耕机的上电启动、机具驱动、下电停机、高压用电安全管理、机具运行状态监测以及电气接口连接过程等进行协调管理，是电动旋耕机电路总成的核心。

结合图2，机具作业管理部分包括旋耕机管理控制单元、高压继电器、高压接触器和功率电阻，其中，高压继电器和功率电阻串联后，再与高压接触器并联，共同构成了电动旋耕机机具驱动部分的预充电回路，用于避免在接通高压时对机具驱动部分电路器件的大电流冲击，高压继电器和高压接触器均由旋耕机管理控制单元进行控制；所述的机具作业管理部分还包括电流传感器，所述的电流传感器与所述的旋耕机管理控制单元相连，负责采集旋耕机机具驱动部分直流供电回路的电流值。

结合图2，对所述的旋耕机管理控制单元的端口配置情况做进一步说明。所述的旋耕机管理控制单元至少包括电源端口、干接点输出端口、通讯端口、开关量及电流输入端口、高压信号采集端口、usb程序下载端口、gprs天线端口以及sim卡端口，各端口的引脚定义以及在旋耕机管理控制单元中的功能如下：

表1旋耕机管理控制单元端口功能定义及接线说明

机具驱动部分的主要功能是接收旋耕机管理控制单元的指令，控制驱动电机输出相应的电磁转矩，驱动旋耕机进行作业。

结合图2，机具驱动部分由电机控制器、驱动电机、电机相线以及电机编码器和温度传感器组成。驱动电机的类型可以是永磁同步电机或是交流异步电机，也可以是开关磁阻电机；驱动电机的类型为永磁同步电机或交流异步电机时，电机控制器采用矢量控制算法，驱动电机的类型为开关磁阻电机时，电机控制器采用直接转矩控制算法。电机编码器类型为旋转变压器型编码器。温度传感器类型为热敏电阻型传感器。

电动旋耕机的工作原理和各项功能说明

更进一步，对电动旋耕机的工作原理及所具备的功能予以说明。

工作原理如下：

结合图2，旋耕机管理控制单元在检测到开关量及电流输入端口的di2引脚(连接器触头完全连接信号)、di3引脚(高压配电允许信号)有效的前提下，当通讯端口的can3h引脚和can3l引脚接收到来自拖拉机整机的“旋耕机启动”报文时，首先闭合干接点输出端口的第2路干接点k2no引脚，由于干接点输出端口的所有公共端接地，故此时k2no引脚为低电平，于是，预充电回路中的高压继电器被接通，受串联功率电阻的限制，电机控制器两端的直流电压逐步上升，旋耕机管理控制单元通过高压信号采集端口分别采集电机控制器两端的负载电压和供电总电压，并在负载电压达到总电压的95％时，闭合干接点输出端口的第3路干接点k3no引脚，k3no引脚电平被拉低，预充电回路的高压接触器的控制线圈得电，高压接触器的主回路接通，也即旋耕机机具驱动部分的高压回路导通，随后，旋耕机管理控制单元断开干接点输出端口的第2路干接点k2no，预充电回路的高压继电器随之断开，驱动电流通过主回路进入电机控制器和驱动电机。旋耕机管理控制单元的内部算法设有针对旋耕机辊刀轴总成7转速的闭环控制程序，其根据实际转速信号和目标转速信号偏差，采用pi控制模型实时给出驱动电机的目标转矩，并通过通讯端口的can3h和can3l引脚将目标转矩命令发送至电机控制器，电机控制器将目标转矩指令转换为目标电流，并通过内置的电流环调节驱动电机的输出转矩，以使旋耕机辊刀6实际转速能够较好地跟踪目标转速。由于所述的电动旋耕机的作业转速独立于拖拉机行驶系统的前进速度，因而其可在一定范围内实现无级调速。

结合图2、图3，对所述的电动旋耕机的功能作进一步说明。

(1)旋耕机工作电流检测功能：在旋耕机工作过程中，旋耕机管理控制单元通过开关量及电流输入端口的ibat引脚采集霍尔式电流传感器的信号值，对旋耕机机具驱动部分的工作电流进行监控。

(2)旋耕机绝缘状态检测功能：旋耕机管理控制单元通过高压信号采集端口实时检测动力供电回路的绝缘状态，可迅速在线检测动力供电单极接地，双极接地，中间接地等漏电故障，有力保障电动旋耕机高压用电系统的安全性。

(3)旋耕机信息共享功能：旋耕机管理控制单元通过使用gprs天线端口以及sim卡端口，可将旋耕机的运行状态数据实时传送至云端，使用户可随时查看旋耕机运行信息并提供历史数据的下载，实现机具的主动维护和管理；旋耕机运行数据还可通过通讯端口的can3h和can3l上传至拖拉机整机，使得驾驶员在驾驶室显示屏随时了解机具的运行状态；还可以通过usb程序下载端口将数据记录下来，离线发送给厂家，作为产品升级的依据。

(4)旋耕机管理控制单元的开关量及电流输入端口的di3引脚以硬线的方式与动力传输电缆2的高压配电允许电芯相连，当电动旋耕机与拖拉机正确挂接后，高压配电允许触头1-6被同时连接至驾驶室内部设置的急停开关处。在旋耕机运行过程中，当急停开关被按下时，旋耕机管理控制单元的开关量及电流输入端口的di3引脚被置高，高压配电允许信号失效，旋耕机管理控制单元将控制干接点输出端口的第3路干接点k3no断开，从而断开高压接触器，高压供电回路被切断，旋耕机停机。

(5)电气接口防带载分断功能：电气接口部分的多触头电气连接器1的各个触头长短设置不一致，在插针与插套的插合过程中，旋耕机管理控制单元通过检测其开关量及电流输入端口的di3引脚的电平状态，可判断多触头电气连接器1所处的连接状态，当多触头电气连接器1有分断趋势时，旋耕机管理控制单元可及时通知机具驱动部分卸载，以防止多触头电气连接器1带载分断。

(6)旋耕机高压回路接通预充电功能：在接通旋耕机电路总成高压主回路时，旋耕机管理控制单元首先接通高压继电器，将功率电阻串入正极回路，并检测动力供电电压和电机控制器两端的负载电压，当负载电压接近动力供电电压时，才闭合高压接触器以接通高压主回路，由此可避免在直接接通高压主回路时可能因冲击电流过大而造成的跳闸或熔断器烧断等现象的发生。

本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。