電動助力式螺旋條施機控制系統的設計

李曉賢，趙 進，任震宇，陳 昶，何培祥

(西南大學 工程技術學院，重慶 400715)

0 引言

在現代農作物種植過程中，施肥是必不可少的一個環節，精量合理的施肥不僅可以提高肥料的利用效率，還有利于農作物的生長，實現作物高產[1]。在西南丘陵地區，多采用小型施肥機或者人工施肥。人工施肥勞動強度大且施肥隨意性較大；小型施肥機多為條施方式但是容易出現行走輪打滑，且由于肥料自身特性容易出現肥料堵塞、架空和漏施現象，從而導致施肥不均的問題[2]。該條施機安裝行走電機進行助力[3]，采用排肥性能更好的豎直螺旋排肥機構，并加入模塊化設計的控制系統，實現降低勞動強度、均勻施肥和提高肥料的利用率的目標，為山地丘陵地區的小型施肥機及精量控制系統的設計提供了參考[4]。

1 電動助力式螺旋條施機的結構和原理

為了降低勞動強度，在靠操作員手推的小型施肥機上添加助力電機。開始施肥時，操作者首先在肥箱內裝入一定量的顆粒狀復合肥，調整控制器上的施肥量設置旋鈕設定施肥量；然后手握把手，打開工作開關，助力電機會通過鏈傳動帶動行走輪轉動，依據控制器儲存在其中的施肥量數據和行走輪轉速檢測裝置的信號，確定輸入步進排肥電機的脈沖頻率，從而控制該條施機的豎直螺旋排肥機構實現均勻施肥[5-10]。電動助力式螺旋條施機的結構如圖1所示。

1.工作開關 2.操作扶手 3.步進排肥電機 4.肥箱 5.助力電機 6.鏈傳動 7.行走輪 8.豎直螺旋排肥機構 9.支撐桿 10.輪速檢測裝置 11.施肥量設置裝置

1.1 豎直螺旋式排肥器的參數

電動助力式螺旋條施機的主要工作部件是豎直螺旋排肥器，利用肥料自身重力及葉片推動力實現排肥作業，從而避免了傳統排肥器的排肥架空結塊問題。豎直排肥器機構及控制模型如圖2所示[11]。

條施機在實際作業過程中，由于螺旋排肥結構的截面積是一定的，因此在確定排肥器參數時還應當考慮實際的操控性及機器功率，實現最優控制。

通過實驗分析發現：若要達到良好的一致性和穩定性，排肥器截面積應適當增大，但也會增加條施機的輸出功率，在施肥量少的情況下施肥精度也會降低。考慮實際作業中單位長度上的施肥量與條施機的作業速度要求，通過實驗得出：當排肥器直徑D=48mm、d=18mm 、螺距I=22mm 時，條施機滿足工作要求。

圖2 豎直排肥器結構及控制模型

1.2 電動助力式螺旋條施機的原理

步進電機是一種將電脈沖信號轉換成相應的線性位移或角位移的執行元件，具有快速啟停能力、精確步進及直接接受數字量等特點[12]。步進電機驅動排肥器的原理如圖3所示。工作時，步進電機轉角通過控制芯片的脈沖頻率來控制，頻率不同轉動角度也不同，轉角連續不斷變化(即步進電機轉速變化)，進而步進電機又驅動排肥器動作，實現排肥作業。由于步進電機的轉動角度通過脈沖頻率精確控制即轉速可以精確調節，因而能夠實現精確排肥[13]。

圖3 步進電機驅動排肥器原理圖

2 控制系統的軟件設計

該條施機的控制系統設計(見圖4)思路如下：主控制芯片上電后首先進行初始化[14]，包括振蕩器模塊、復位寄存器、數據存儲器、中斷寄存器、I/O端口、時間寄存器及模數轉換模塊等；清看門狗WTD，通過循環判斷PIC18F13K22芯片的C口的第0位電平來判斷作業開關的開合狀態：低電平，表示作業開關未開，關閉排肥口，繼續循環；高電平，表示作業開關打開，打開排肥口，退出循環。然后，繼續對施肥量進行采集處理，施肥量信號為模擬量信號，通過帶有刻度盤的操作旋鈕控制施肥量并產生模擬量信號，經過AD轉換送入控制器的存儲單元；最后開中斷，在中斷寄存器中設置定時器0溢出中斷、允許RA/RB端口電平變化中斷，中斷觸發方式為下降沿觸發，允許外部中斷2中斷。

此外，控制器中還設計了蜂鳴器與LED指示燈，以提示操作者。條施機輪速信號由裝有霍爾傳感器的裝置產生并將信號送入控制器，經過相應算法處理后，產生PWM控制信號控制步進排肥電機轉速，從而驅動豎直螺旋螺旋排肥器按設定的排肥量進行作業。

圖4 控制系統流程圖

3 控制系統硬件設計

控制系統采用PIC18F23K22單片機[15]。該條施機控制系統硬件組成包括主控芯片PIC18F23K22單片機及復位模塊。其中，程序燒寫部分引腳固定不變，施肥量控制信號輸入控制芯片的模數轉換引腳，驅動步進電機的PWM控制信號與控制芯片的PWM引腳相連接，步進電機正反轉控制端口電路，條施機行走測速的外部中斷2 引腳。另外，還需要外接晶振接入相應引腳，以及其他指示或者要實現功能的I/O端口引腳。其硬件電路原理如圖5所示。

圖5 硬件電路設計原理圖

3.1 步進排肥電機驅動控制電路

步進電機的控制電路部分主要是由步進電機與步進電機驅動器兩部分組成。步進電機驅動器可以將控制器送來的PWM脈沖信號轉換為步進電機轉動角位移，PWM頻率與電機轉速成正比，所以通過PWM控制可以實現精確調速和精確定位。步進電機驅動電路如圖6所示。

圖6 步進排肥電機驅動電路圖

DRV8886步進電機驅動器用兩個全橋驅動控制兩相步進電機，整步驅動已經能達到控制要求，故M1與M2兩者都接地；此時電機步距角為1.8°，因未細分采用慢速衰減即DECAY腳接地，工作于這種模式可以得到更好的PWM與負載電流線性度；負載在PWM關閉時被短路，導致負載電流以最小速度衰減，步進電機發熱小、無噪音。

DIR控制步進電機的轉向，當引腳電平為高時為正轉，電平變為低時則反轉，STEP輸入脈沖，其頻率根據行走輪速度檢測的霍爾傳感器輸入單片機的脈沖和施肥量設定來確定，從而控制步進排肥電機的轉速及條施機的排肥量。nFAULT當電流過低或過高時，自動變為低電平，從而給操作者提示，直接接一個I/O口即可。nSLEEP和ENABLE均單片機I/O后輸入高電平使驅動器工作。

3.2 行走輪速度檢測電路

在條施機行走輪輪轂邊緣固定安裝霍爾傳感器，并在傳感器的正對輪轂上均勻安裝多個永磁鐵，在輪轂轉動過程中，傳感器在永磁鐵磁場的作用下輸出多個脈沖信號，且頻率越高，轉速越高。轉速檢測電路圖如圖7所示。

圖7 轉速檢測電路

檢測輪速的霍爾傳感器(A3144E)產生的脈沖信號經過比較器后得出的矩形波信號輸入到控制芯片，控制芯片根據行走輪半徑計算出條施機行走速度。電壓比較器由LM324及其他電路構成，當比較器的正向輸入端電壓高于比較器的反向輸入端電平時，輸出高電平，反之則輸出低電平；另外，還具有整形作用，保證霍爾傳感器與控制芯片之間信號良好的傳遞，提高控制系統的精確性和穩定性。同時，霍爾傳感器的供電電源及輸出也都并聯了濾波電容，濾除尖峰干擾保證傳感器提高霍爾傳感器的工作穩定性。

4 田間試驗

為了測試該電動助力式螺旋條施機的工作性能和控制性能，6月在重慶西南大學工程技術學院試驗田里進行了田間試驗[16]。試驗前，先根據當地標準作業行距為1.15m，計算出單位長度的施肥量，手動設置好每667m2的施肥量，分別設置每公頃地施肥量為300、450、600、750kg，用電子秤稱量適量的顆粒復合肥放入肥箱，然后操作者打開工作開關，手扶操作把手推著該條施機樣機進行施肥。用皮尺測量施肥距離，每隔10m測量一次施肥量，施肥量由作業前后肥箱里肥料的質量差測出，理論計算得每10m對應的施肥量分別為345、517.5、690、862.5g。田間試驗數據如表1所示。

式中γ—施肥量偏差；

Wq—試驗前料箱中肥料重量(kg)；

Wh—試驗后料箱中肥料重量(kg)；

L—施肥作業長度(m)；

F—給定施肥量(kg/m)。

根據施肥量與作業距離計算出單位長度的實際施肥量，用施肥量設置旋鈕的值與單位長度的實際排肥量相比較，得出施肥機的田間作業精度。

表1 田間試驗數據表

由表1可以看出：在施肥量為300～750kg/hm2的范圍內，該條施機機控制系統的最大偏差為7.05%，滿足設計要求，可以實現精確定量施肥。但在田間作業中實際施肥量與理論之間還存在誤差，原因有：行走速度不在合理速度范圍；田間試驗的數據測量誤差；電機特性在不同負載下的誤差；排肥器的排肥穩定性誤差及其他誤差。

5 結論

1)設計了一種電動助力式螺旋條施機，包括電動助力機構、豎直螺旋排肥機構、行走輪速度檢測裝置和控制系統4部分。控制系統根據霍爾傳感器抗干擾電路處理后檢測的行走輪速度，結合當前設置施肥量控制步進排肥電機的轉速，從而達到精量施肥的目的。

2)試驗表明：設置施肥量一定時，電動助力式螺旋條施機的排肥量與行走距離成線性關系。該條施機可降低勞動強度，提高施肥效率，為精量施肥機的設計提供了參考，并且提高了農業機械的機電一體化程度。