基于dsPIC30F5015的苗盤自動輸送機構控制系統

胡 飛，陳彩蓉，尹文慶，劉海馬，劉 鑫，凌 龍

(南京農業大學 工學院/江蘇省智能化農業裝備重點實驗室，南京 210031)

0 引言

國內移栽基本以手工和半自動移栽為主，自動移栽機的應用改善了操作人員的工作條件，提高了工作效率，解決了勞動力短缺帶來的問題，有利于提高移栽作業的自動化水平[1]。

穴盤苗移栽試驗臺用于模擬移栽機在田間移栽的作業工況，完成穴盤苗移栽試驗要求。苗盤自動輸送機構是移栽試驗臺的關鍵部件，目前移栽裝備中苗盤輸送機構采用的驅動源主要有機械式、液壓式、氣壓式等。機械式驅動主要采用平面四桿、曲柄滑塊、圓柱凸輪、棘輪、不完全齒輪及槽輪等機構進行驅動及定位[2-3]，具有結構簡單、制作方便、傳遞動力大等優點，但大多存在沖擊大、運動精度低、傳動比固定及調整不方便等問題。液壓式驅動適用于高速重載的系統，但液壓傳動效率偏低、傳動比不穩定，且液壓油泄漏容易對環境產生污染，維護、保養不方便。氣壓式驅動具有結構簡單、成本低、速度快、泄漏影響小及維修簡單等優點[4]，但其工作時沖擊較嚴重，定位精度低。伺服電機驅動具有響應速度快、驅動力大、信號處理方便等優點，可采用多種靈活的控制方式。它可以滿足自動移栽過程中苗盤輸送平穩、響應速度快、定位準確及調整方便的要求。

本文提出了一種以伺服電機為動力源、光電編碼器為測量傳感器、dsPIC30F5015高性能微控制器為核心的新型苗盤自動輸送機構控制系統，以實現苗盤的自動輸送和精確定位，可在一定程度上提高移栽機的自動化水平。

1 系統總體結構與工作原理

苗盤自動輸送機構主要由機械裝置和控制系統兩部分組成，機械裝置主要由同步帶、同步帶輪、苗盤托板、苗盤驅動桿、支架、軸等部分組成，如圖1所示。伺服電機從同步帶輪主動軸輸入動力，通過固定在同步帶表面的支架與驅動桿驅動苗盤直線運動，完成苗盤的平穩輸送與精確定位。

圖1 苗盤輸送機械裝置Fig.1 Seedling tray delivery mechanism

控制系統主要作用是根據移栽作業要求，利用計算機及dsPIC30F5015給出控制信號，對伺服電機的速度和位置進行有效地跟蹤與控制。控制系統總體結構如圖2所示。其中，上位機主要包括計算機、參數設定及通信等模塊，主要實現對苗盤輸送過程的速度和位置等參數的設定及速度和位置反饋量的采集及顯示；下位機主要包括dsPIC30F5015、伺服電機驅動及數據采集等模塊[5]，通過串口通信模塊可以與上位機實現雙向通信。

系統工作過程中，在上位機LabVIEW程序中設置速度、位置等參數，通過串口輸出設定值，然后通過dsPIC30F5015將位置及轉速設定值轉化為對應的PWM波，伺服驅動器將位置設定值與實際位置值進行比較、運算后，去控制伺服電機；同時，機械裝置上的位置傳感器將實際位置反饋到dsPIC30F5015中，并上傳到LabVIEW中進行顯示、存儲。

圖2 控制系統總體結構Fig.2 The overall structure of control system

2 系統硬件設計

硬件系統采用主從結構，主機是高性能的計算機，從機采用具有高速數據處理能力的微控制器，兩者之間通過串行總線進行通信，主要由dsPIC30F5015、伺服電機驅動器、伺服電機、光電編碼器及計算機等部分組成。

2.1 dsPIC30F5015微控制器

采用dsPIC30F5015作為下位機的控制器，它是Microchip公司的一款16位微控制器，內核含有DSP數據處理引擎，大大提高了內核的運算和數據吞吐能力，同時具有豐富的外圍設備，指令執行速度達30MIPS，具有很強的高速計算和快速中斷處理能力，能夠滿足電機高速控制的要求[6-9]。

dsPIC30F5015中的MCPWM(Motor Control PWM)是專門用于電機控制的模塊，它簡化了PWM波生成的軟件和硬件，具有8個PWM I/O引腳，4個占空比發生器，每個PWM的輸出引腳都可以被單獨使用，為電機控制等應用提供了很大的靈活性。

dsPIC30F5015帶有正交編碼器接口QEI(Quadrature Encoder Interface)， QEI模塊有與位置編碼器三相對應的接口，根據QEI模塊的功能，結合芯片自帶的PWM模塊，可以實現對伺服電機位置與速度的精確控制。

2.2 伺服電機驅動模塊

驅動裝置是實現系統主要功能的重要環節，采用伺服電機進行苗盤輸送與精確定位，與傳統的機械或氣動定位方式相比，具有輸送平穩、定位精度高等優點。本設計中采用日本安川(YASKAWA)公司的SGMJV-02ADA21伺服電機和SGDV-1R6A01A伺服驅動器來提供動力。安川SGMJV-02ADA21伺服電機的主要參數為：額定功率200W，額定轉矩0.637N·m，額定電壓200V，額定電流1.6A，轉速范圍0～6 000r/min，額定轉速3 000r/min。

移栽作業時，苗盤輸送機構一般工作在低速、高扭矩的工況下，需要在電機與同步帶主動軸之間增加減速器來降速增扭。綜合考慮運行速度、響應時間和穩定性等多個因素，選擇傳動比為64的PLE-60減速器。根據同步帶輪的尺寸大小，當伺服電機在600～3 000r/min范圍內運行時，苗盤直線運動速度為45～225mm/s。苗盤輸送可調節范圍寬，能夠滿足自動移栽機在不同工況下的作業要求。

2.3 光電編碼器

為提高苗盤位置的控制精度，在同步帶從動軸端安裝光電編碼器，用于向dsPIC30F5015發送苗盤當前的位置數據。綜合考慮控制精度、輸送速度及成本等因素，選用歐姆龍E6B2-CWZ1D增量式編碼器作為系統的位置傳感器，分辨率為1 000脈沖/轉，線性驅動輸出，5～24V電源輸入。

2.4 主電路連接

安川伺服系統的主電路連接如圖3所示。其中，電源通斷由空氣開關1QF控制，電路的啟停和自鎖功能由電磁接觸器1KM控制，指示燈PL由繼電器1RY控制，用來顯示報警信號。

3 軟件設計

3.1dsPIC30F5015軟件設計

采用模塊化程序設計思想，在MAPLAB IDE開發環境下運用C語言開發下位機軟件，主要包括主程序、正交編碼器、電機控制及串口通信等模塊，各模塊以子程序形式出現。

圖3 主電路連接圖Fig.3 The chart of main circuit connection

主程序實現對微控制器的初始化和子程序調用[10]，在系統上電或復位后，主程序開始執行，首先對各部分進行初始化，包括I/O口、重置各變量初始值、時鐘的初始化和配置，UART初始化等，主程序流程如圖4所示。

圖4 主程序流程圖Fig.4 The flow chart of main program

定時器中斷程序主要對實時位置、速度信號進行采集轉換，并由串口發送到上位機。串口中斷主要發送、接收數據，并進行分解轉換。PWM中斷用于已發送脈沖數的采集，內部相關數據的處理等。正交編碼器中斷主要實現位置的采集比較和方向的判斷等。

3.1.1 串口通信模塊

dsPIC30F5015通過UART(通用異步傳輸模式)與上位機進行通信。dsPIC30F5015的串口模塊提供了RS-232C數據終端設備接口，上位機可以和任何使用RS-232C接口的串行設備進行通信。上位機將傳輸給下位機的位置、速度和方向3個量組合為一個控制指令字符串：“a_xxxx_yyyy_zz_f”。其中，“a”為指令識別標志；“_”為空格；“xxxx”為1～5 000的任意整數；“yyyy”為40～1 000以10為間隔的任意整數；zz為步進電機位置；“f”為0或1。

串口接收到的字符串無法直接用于PWM的生成，要通過判斷指令中的空格和字符串結束標志將其分解為位置、速度和方向3個數值，同時將其轉化為脈沖數、周期和方向3個可直接用于PWM波形生成模塊的數據。

3.1.2 PWM波形生成

PWM波形生成模塊主要是通過訪問MCPWM模塊中自帶的時基定時器PTMR、時基周期寄存器PTPER、PWM信號發生器等來實現。系統采用MCPWM輸出模式，PWM4/3/2/1引腳處于獨立輸出狀態，PWM中斷優先級為6，PWM時基1∶1分頻后輸出[11]。PWM周期的計算公式為

式中TCY—系統時鐘周期；

PTPER—PWM時基周期。

3.1.3 位置檢測與反饋

正交編碼器接口模塊用于檢測伺服電機的位置和速度，選擇對輸入信號進行4倍頻，提高分辨率，并通過與MAXCNT寄存器匹配復位。把編碼器的脈沖存入到芯片的計數器POSCNT，根據轉向進行增或減計數。每個PWM周期對光電編碼器采樣一次，從POSCNT寄存器中讀取采樣脈沖數，將前后2次采樣脈沖數的差作為本次PWM周期的脈沖增量，即苗盤輸送機構機械轉角增量[6]，根據機械裝置尺寸參數、減速比等即可計算出苗盤的直線位移。

3.2 上位機軟件設計

LabVIEW是美國國家儀器公司(National Instruments)的一種虛擬儀器開發環境，使用圖形化編程語言編寫程序，大大減少了使用 C#、Java 等編程語言開發系統的時間[12]。LabVIEW集成了支持GPIB、VXI、RS-232和RS-485等協議的硬件及數據采集卡的全部功能，還內置了豐富的擴展函數庫，可以方便地建立自己的虛擬儀器[13]。上位機軟件要實現的主要功能是串口通信、電機控制指令的發送和反饋量的實時顯示等，主要包括串口通信、信息采集及發送、信息接收和顯示等模塊。

采用LabVIEW自帶的NI-VISA接口函數來實現上位機與dsPIC30F5015的串口通信，主要包括初始化端口，設定端口號、波特率和奇偶校驗位等信息，并使得通信參數與下位機中保持一致。通訊子程序所圖5所示。

圖5 串口通信子程序Fig.5 The program of serial port communication

信息采集及發送模塊主要采集速度、位置和方向等數據，將其編碼成“a_xxxx_yyyy_zz_f”格式經串口發送。為了便于參數的設定和調整，程序中還進行了輸入量的單位轉換和同步顯示，子程序如圖6所示。信息接收和顯示模塊主要進行數據幀的接收、解碼和顯示，子程序如圖7所示。

圖6 信息采集及發送子程序Fig.6 The program of information collection and transmission

圖7 信息接收和顯示子程序Fig.7 The program of information receiving and displaying

根據控制系統的功能需求，將上位機前面板分為串口通信參數設置，位置、速度和方向等信息實時顯示，電機控制等部分顯示界面采用圖形與數字結合，兼顧形象化和準確性。前面板如圖8所示。

圖8 LabVIEW前面板Fig.8 LabVIEW front panel

4 系統試驗與分析

基于本文設計的控制系統中進行了位置控制性能試驗，采用72(6×12)穴孔的苗盤，外形尺寸為540mm×280mm×45mm，穴孔間距為42mm。根據苗盤輸送作業的要求，將苗盤穴孔間距的整數倍42、126、504mm分別作為苗盤輸送的試驗距離。每個輸送距離測量5次并將平均值作為測量結果，如表1所示。

表1 定位精度測量Table 1 Measuring result of positional accuracy

由表1可以看出：苗盤輸送機構定位誤差絕對值小于0.32mm，相對誤差小于0.5%，具有良好的位置控制精度。

5 結論

從苗盤自動輸送機構控制系統的實際功能和性能需求出發，完成了基于dsPIC30F5015和 LabVIEW的苗盤自動輸送控制系統的設計。該系統實現了苗盤輸送位置等信息的實時顯示、控制、上位機和下位機的數據接收與顯示等功能。試驗過程中，啟動、運行良好，反應速度快，苗盤定位誤差小于0.32mm，相對誤差在0.5%范圍之內，能夠滿足苗盤自動輸送和精確定位的實際需求，為研發具有自主知識產權的農業機器人及其控制系統奠定了基礎。