基于矢量控制的果套自動(dòng)分離機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

寧 鐸， 韓雨航

(陜西科技大學(xué) 電氣與信息工程學(xué)院， 陜西 西安 710021)

基于矢量控制的果套自動(dòng)分離機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

寧 鐸， 韓雨航

(陜西科技大學(xué) 電氣與信息工程學(xué)院， 陜西 西安 710021)

目前國(guó)內(nèi)蘋果分選生產(chǎn)線中,清洗消毒工序仍然采用人工手動(dòng)方式分離蘋果與保護(hù)網(wǎng)套,效率低且成本較高.針對(duì)該問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種果套自動(dòng)分離裝置；該裝置可使果套分離工序擺脫人工手動(dòng)完全由機(jī)械代替，采用永磁同步電機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置運(yùn)行，并設(shè)計(jì)永磁同步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)，以此對(duì)機(jī)械部分實(shí)現(xiàn)智能控制.果套自動(dòng)分離機(jī)不僅能極大加快果套分離工序的工作效率，還能提高整體蘋果分選生產(chǎn)線的自動(dòng)化程度.同時(shí)該技術(shù)還可以應(yīng)用于其他有脫套需求的鮮果分選生產(chǎn)線，為鮮果工業(yè)的自動(dòng)化發(fā)展做出了新的嘗試.

果套分離; 矢量控制; 永磁同步電機(jī); 鮮果分選

Abstract:The domestic production line of apple sorting still choose manual mode to separate the fruit set,leading to low productive efficiency and high cost of the fruit products.To solve this problem,this paper introduces a kind of automatic fruit set separation device.This device completely replaces the manual operation by running the permanent magnet synchronous motor with designed vector control system,which could realize the intelligent control of the mechanical working system.This fruit set device could not only greatly enhance the working efficiency of the production line,but also improve the automation degree of entire apple sorting working system.Furthermore,this technique is also applicable in other fruit production line with the need of fruit set separation,providing new exploration in the development of automatic fresh fruit industry.

Keywords:fruit set； vector control； permanent magnet synchronous motor； fresh fruit sorting

0 引言

我國(guó)是水果生產(chǎn)的大國(guó)，近年來(lái)水果的總產(chǎn)量已穩(wěn)居世界首位.但是，水果的價(jià)值較低，且大多為本國(guó)消費(fèi)，在國(guó)際市場(chǎng)上的貿(mào)易比重較低，其中很重要的原因是采摘后的商品化程度處理較為落后，外觀包裝質(zhì)量差，在國(guó)際市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)力較差.水果的產(chǎn)值大部分是由產(chǎn)后處理和加工創(chuàng)造出來(lái)的，分級(jí)是果品商品化處理的重要環(huán)節(jié).蘋果分選生產(chǎn)線需要對(duì)蘋果的大小、品質(zhì)、糖度、色澤等多方面進(jìn)行篩選，最終完成商品化分級(jí)處理[1,2].

蘋果分選生產(chǎn)線的自動(dòng)化程度很高，但是在清洗消毒工序中分離蘋果和保護(hù)網(wǎng)套仍然采用人工手動(dòng)的方式，工作強(qiáng)度大且環(huán)境差,同時(shí)由于人工操作的原因，無(wú)法采用臭氧消毒這種較為先進(jìn)的方式[3].為了擺脫人工勞動(dòng)，設(shè)計(jì)果套自動(dòng)分離機(jī)以解決人工勞動(dòng)帶來(lái)的問(wèn)題，同時(shí)提升了分選生產(chǎn)線的自動(dòng)化程度.

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

果套自動(dòng)分離機(jī)以控制系統(tǒng)為主，設(shè)計(jì)了特殊的機(jī)械結(jié)構(gòu)配合控制系統(tǒng)共同完成工作[4].該裝置的電動(dòng)機(jī)選用永磁同步電機(jī)，控制系統(tǒng)主要為永磁同步電機(jī)的轉(zhuǎn)速控制，通過(guò)矢量控制策略調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，同時(shí)配合特殊的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使裝置可以按照預(yù)期運(yùn)行以達(dá)到果套分離的目的.果套分離機(jī)的裝置圖如圖1所示.

圖1 果套自動(dòng)分離機(jī)整體結(jié)構(gòu)示意圖

圖1中所示裝置由電機(jī)帶動(dòng)上壓齒組繞中軸轉(zhuǎn)動(dòng)，在上下壓齒組接觸時(shí)夾住蘋果外保護(hù)套并將其撕裂，下壓齒組在固定斜面的作用下沿中軸發(fā)生橫移，上下壓齒組交互錯(cuò)位，上壓齒組繼續(xù)做非勻速圓周運(yùn)動(dòng)，下壓齒組經(jīng)復(fù)位彈簧的作用回到原來(lái)位置.其中上壓齒組所做非勻速圓周運(yùn)動(dòng)從初始水平位置開(kāi)始加速，運(yùn)行至最高點(diǎn)時(shí)開(kāi)始減速，當(dāng)其與下壓齒接觸時(shí)速度降至最低，之后再開(kāi)始加速，周而復(fù)始.

2 永磁同步電機(jī)的控制策略

永磁同步電機(jī)作為電機(jī)運(yùn)行時(shí)可以實(shí)施閉環(huán)或開(kāi)環(huán)控制，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩、位置、轉(zhuǎn)速的伺服控制，為了實(shí)現(xiàn)果套分離機(jī)所要求的非勻速圓周運(yùn)動(dòng)，可使用永磁同步電機(jī)的閉環(huán)控制系統(tǒng)，同時(shí)為了提高電機(jī)的控制響應(yīng)速度，這里采用了矢量控制策略[5-7].

圖2 永磁同步電機(jī)矢量圖

圖2所示為永磁同步電機(jī)矢量圖,以此為基礎(chǔ)，在建立數(shù)學(xué)模型前，做如下假設(shè)[8-10]：

(1)忽略定、轉(zhuǎn)子鐵心磁阻，不計(jì)渦流和磁滯損耗；

(2)永磁材料的電導(dǎo)率為零，永磁體內(nèi)部的磁導(dǎo)率與空氣相同；

(3)轉(zhuǎn)子上沒(méi)有阻尼繞組；

(4)永磁體產(chǎn)生的勵(lì)磁磁場(chǎng)和三相繞組產(chǎn)生的電樞反應(yīng)磁場(chǎng)在氣隙中均為正弦分布；

(5)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)，相繞組中感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)波形為正弦波.

則PMSM(永磁同步電機(jī))在三相靜止坐標(biāo)系(ABC軸系)下的電壓方程為：

uA=RSiA+pψA

uB=RSiB+pψB

uC=RSiC+pψC

(1)

ψA=LAiA+MABiB+MACiC+cosθeψf

(2)

式(2)中:Lxx為定子繞組自感系數(shù)，Mxx為定子繞組間的互感系數(shù)，ψf為轉(zhuǎn)子磁鏈，θe為轉(zhuǎn)子軸線與A相繞組軸線之間的電角度.那么電機(jī)轉(zhuǎn)矩方程如下：

(3)

式(3)中:Te為電動(dòng)機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩，np為電動(dòng)機(jī)極對(duì)數(shù).

由于上述公式是包含時(shí)變系數(shù)的微分方程組，在求解時(shí)比較困難，因此需要依據(jù)定子磁場(chǎng)建立新的坐標(biāo)系.

建立一個(gè)與永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)子同步旋轉(zhuǎn)的dq坐標(biāo)系(也稱為兩相旋轉(zhuǎn)軸系)，坐標(biāo)系的d軸與電機(jī)轉(zhuǎn)子磁極重合.則PMSM在此dq坐標(biāo)系下的電壓方程：

ud=Rsid+pψd-ωψq

uq=Rsiq+pψq+ωψd

(4)

式(4)中:ud、uq為定子電壓矢量在dq軸系內(nèi)的分量，id、iq為定子電流矢量在dq軸系內(nèi)的分量，ω為轉(zhuǎn)子角頻率.相應(yīng)的磁鏈方程在dq軸系內(nèi)表示為：

ψd=Ldid+ψf

ψq=Lqiq

(5)

式(5)中:Ld、Lq為dq軸系的等效電感.電磁轉(zhuǎn)矩方程在dq軸系內(nèi)表示為：

(6)

永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)子機(jī)械運(yùn)動(dòng)方程為：

(7)

式(7)中:Tl為電機(jī)軸上的負(fù)載轉(zhuǎn)矩，J為電機(jī)軸上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，B為阻尼系數(shù).

從公式推導(dǎo)可以得出結(jié)論，由于永磁同步電機(jī)采用永磁體結(jié)構(gòu)，因此其轉(zhuǎn)子磁鏈幅值大小不變，電磁轉(zhuǎn)矩只取決于dq軸系的電流，這簡(jiǎn)化了永磁同步電機(jī)的轉(zhuǎn)矩控制.另一較為常用的坐標(biāo)系為兩相靜止軸系(也稱αβ軸系)，它是矢量控制中不可缺少的一環(huán).永磁同步電機(jī)在αβ軸系內(nèi)的電壓和磁鏈方程分別如下：

uα=Rsiα+Lαpiα-ωψfsinθe

uβ=Rsiβ+Lβpiβ+ωψfcosθe

(8)

(9)

電磁轉(zhuǎn)矩在αβ軸系內(nèi)表示為：

(10)

式(8)～(10)中:uα、uβ為定子電壓矢量在αβ軸系內(nèi)的分量，iα、iβ為定子電流矢量在αβ軸系內(nèi)的分量，ψα、ψβ為定子磁鏈在αβ軸系內(nèi)的分量.

電壓、電流矢量可在各坐標(biāo)軸系內(nèi)相互變換，具體變換公式如下所示：

(11)

永磁同步電機(jī)的矢量控制根據(jù)性能和不同轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)范圍有不同的控制策略，這里采用直軸電樞電壓為0控制，永磁同步電機(jī)定子電樞電流的直軸分量在控制過(guò)程中始終為0，即id=0矢量控制策略[11-14].

在永磁同步電機(jī)矢量控制中，按磁場(chǎng)定向的不同，可分為按轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向，按氣隙磁場(chǎng)定向和按定子磁場(chǎng)定向.其中，由于按轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向的方式對(duì)電磁轉(zhuǎn)矩等變量能獲得更好的解耦，因此在實(shí)際工程中，應(yīng)用的較為普遍.永磁同步電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩在dq軸系內(nèi)方程如下式：

(12)

(13)

由式(13)可以看出，電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩只與np、ψf、iq有關(guān)，即控制iq就能控制Te、id=0控制時(shí)，磁阻轉(zhuǎn)矩為零，無(wú)去磁效應(yīng).

3 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

果套自動(dòng)分離機(jī)控制系統(tǒng)的搭建包括硬件和軟件，其中永磁同步電機(jī)矢量控制框圖如圖3所示.

圖3 永磁同步電機(jī)矢量控制框圖

圖3為矢量控制圖，另外在電機(jī)控制系統(tǒng)中，主要用到的DSP資源包括A/D轉(zhuǎn)換器、事件管理器和串行通信SCI.其中，A/D轉(zhuǎn)換器的工作是采集霍爾電流傳感器獲得的電機(jī)相電流，以完成坐標(biāo)變換.事件管理器是電機(jī)控制系統(tǒng)中最為核心的部分，其工作是實(shí)現(xiàn)電機(jī)控制算法，包括定時(shí)器中斷、帶死區(qū)的PWM波形的產(chǎn)生、捕獲單元和QEP電路.串行通信SCI完成DSP控制器與上位機(jī)的通信，包括上位機(jī)對(duì)DSP控制器的指令控制及DSP控制器對(duì)上位機(jī)的信號(hào)反饋.系統(tǒng)的總體框圖如圖4所示.

圖4 果套分離機(jī)控制系統(tǒng)示意圖

圖4為系統(tǒng)總體控制示意圖，主要包括功率驅(qū)動(dòng)模塊和DSP控制模塊.系統(tǒng)的軟件流程如圖5所示，DSP上電后對(duì)系統(tǒng)的硬件進(jìn)行初始化，包括DSP芯片外設(shè)器件的配置、IO引腳的配置等，系統(tǒng)軟件初始化包括中斷服務(wù)程序地址初始化和變量的初始化等.DSP完成初始化后就進(jìn)入循環(huán)等待中斷階段，此時(shí)要是有中斷事件發(fā)生，那么DSP就根據(jù)中斷服務(wù)程序地址處理中斷事件，完成后返回，繼續(xù)等待中斷事件的發(fā)生，如此循環(huán)下去.

圖5 系統(tǒng)軟件流程圖

圖6所示為系統(tǒng)軟件初始化流程圖.系統(tǒng)中共有兩個(gè)中斷服務(wù)程序，分別為定時(shí)器中斷服務(wù)程序和SCI接收中斷服務(wù)程序.其中定時(shí)器中斷服務(wù)程序完成電機(jī)控制算法，SCI接收中斷服務(wù)程序完成上位機(jī)對(duì)DSP控制器的通信接收.

圖6 系統(tǒng)軟件初始化

定時(shí)器中斷服務(wù)程序是負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)電機(jī)控制算法，包括編碼器位置檢測(cè)程序、電流采樣程序、Clark變換程序、三角函數(shù)查表程序、Park逆變換和SVPWM計(jì)算程序.此中斷服務(wù)程序流程圖如圖7所示，由于本系統(tǒng)沒(méi)有設(shè)計(jì)異步啟動(dòng)程序，因此，在電機(jī)啟動(dòng)時(shí)，是由光電編碼器提供轉(zhuǎn)子位置信息，當(dāng)電機(jī)運(yùn)行到一定轉(zhuǎn)速后，再切換至無(wú)位置傳感器運(yùn)行.

圖7 定時(shí)器中斷服務(wù)程序流程圖

4 系統(tǒng)仿真及結(jié)論

通過(guò)上述對(duì)永磁同步電機(jī)矢量控制的分析和推導(dǎo)建立出數(shù)學(xué)模型，并以此搭建果套自動(dòng)分離機(jī)控制系統(tǒng)的仿真流程圖，如圖8所示.

圖8 果套自動(dòng)分離機(jī)控制系統(tǒng)仿真圖

依照?qǐng)D8所示的系統(tǒng)仿真圖可以對(duì)果套自動(dòng)分離機(jī)運(yùn)行過(guò)程中電機(jī)的轉(zhuǎn)速情況進(jìn)行模擬.由于分離過(guò)程中要求上壓齒組做非勻速圓周運(yùn)動(dòng)，所以在仿真時(shí)設(shè)定運(yùn)行周期為2 s，0 s時(shí)速度為300 rad/s，0.6 s時(shí)速度為700 rad/s，1.0 s時(shí)速度為300 rad/s，1.4s時(shí)速度為100 rad/s，1.8 s時(shí)速度為0 rad/s.所得上壓齒組速度曲線圖如圖9所示.

圖9 果套自動(dòng)分離機(jī)轉(zhuǎn)速曲線圖

同時(shí)還可以得出永磁同步電機(jī)在轉(zhuǎn)速發(fā)生變動(dòng)時(shí)的輸出轉(zhuǎn)矩波形，如圖10所示.

圖10 電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩波形

在運(yùn)行過(guò)程中當(dāng)分離裝置與蘋果接觸時(shí)，可視其為有負(fù)載的情況，則此時(shí)的輸出轉(zhuǎn)矩波形如圖11所示.

圖11 負(fù)載時(shí)電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩波形

由圖9和圖10分析可知裝置在運(yùn)行過(guò)程中可以滿足上壓齒組所要求的速度變化，該速度曲線依照設(shè)定穩(wěn)定運(yùn)行，輸出轉(zhuǎn)矩波形變化也較為平滑，該系統(tǒng)可以如預(yù)期的穩(wěn)定運(yùn)行.此外由圖11可以看出，在有擾動(dòng)的情況下輸出轉(zhuǎn)矩的變化量不大，此時(shí)電機(jī)的轉(zhuǎn)速依然在可控的范圍內(nèi).同時(shí)果套自動(dòng)分離機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)中的調(diào)速塊會(huì)輔助配合控制部分，以達(dá)到對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制.

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【責(zé)任編輯：陳佳】

Thevectorcontrolbasedonautomaticfruitsetseparationdevicecontrolsystemdesign

NING Duo， HAN Yu-hang

(College of Electrical and Information Engineering, Shaanxi University of Science & Technology, Xi′an 710021, China)

2017-08-14

陜西省科技廳科技統(tǒng)籌創(chuàng)新工程計(jì)劃項(xiàng)目(2014KTCL02-17)

寧 鐸(1955-)，男，陜西禮泉人，教授，碩士生導(dǎo)師，研究方向：光伏太陽(yáng)能、控制理論與控制工程

2096-398X(2017)05-0184-05

TM351

A