基于BLDCM的智能播種控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

郭宏亮，趙瑜會，李名偉，于婷婷

(吉林農(nóng)業(yè)大學(xué) 信息技術(shù)學(xué)院，長春 130118)

0 引言

隨著保護(hù)性耕作地開展，免耕播種技術(shù)越來越受到重視。目前，免耕播種機(jī)排種器的驅(qū)動(dòng)力來源于地輪的轉(zhuǎn)動(dòng)，地輪在免耕播種機(jī)上是隨動(dòng)輪，容易發(fā)生打滑現(xiàn)象，在復(fù)雜的免耕播種作業(yè)環(huán)境中打滑尤為嚴(yán)重，進(jìn)一步增大了排種器的漏播率。

目前，國內(nèi)外關(guān)于精量播種的研究不少，并且也取得了一定的成效。例如，耿端陽等[1]對指夾式排種器進(jìn)行改進(jìn)，設(shè)計(jì)了伸縮指夾式排種器；史嵩等[2]針對氣壓式排種器充種效果不佳的狀況，將排種器孔型和種子攪拌裝置相融合，設(shè)計(jì)了氣壓組合孔式排種器；劉佳等[3]綜合機(jī)械內(nèi)充排種器的特性及氣吹式排種器單粒排種原理，設(shè)計(jì)了機(jī)械氣力組合式排種器。然而，這些研究基本上集中在排種器結(jié)構(gòu)改進(jìn)和性能參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)上，并不能從根本上解決地輪打滑的問題。

針對上述問題，本文采用無刷直流電機(jī)作為指夾式排種器的驅(qū)動(dòng)源，采用PID控制器策略實(shí)現(xiàn)免耕播種機(jī)的精量播種控制。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

本文設(shè)計(jì)的玉米智能播種控制系統(tǒng)主要包括無線收發(fā)模塊、霍爾測試傳感器、單片機(jī)主控單元、單片機(jī)從控制單元、LCD顯示器、編碼器、無刷直流電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)器等，如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

系統(tǒng)工作時(shí)，播種株距可以通過按鍵模塊輸入；霍爾測速傳感器負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)采集免耕播種機(jī)的前進(jìn)速度；單片機(jī)主控單元對該霍爾速度信號進(jìn)行處理，然后控制無線發(fā)射模塊將用戶輸入的播種株距和播種機(jī)前進(jìn)速度發(fā)射出去。單片機(jī)從控制單元通過無線接收模塊可以有效地接收單片機(jī)主控單元發(fā)射而來的速度信號和播種株距；根據(jù)播種機(jī)前進(jìn)速度和播種株距，單片機(jī)從控制單元運(yùn)行經(jīng)PSO算法整定后的PID控制程序，從而輸出PWM控制信號用以調(diào)節(jié)電機(jī)電樞兩端的均值電壓，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)排種器轉(zhuǎn)速與播種機(jī)前進(jìn)速度的匹配，以達(dá)到精量播種的目的。

1.2 排種器轉(zhuǎn)速與機(jī)具速度的關(guān)系

指夾式排種器是免耕播種機(jī)的關(guān)鍵部件之一，其軸測圖如圖2所示。

圖2 指夾式排種器

排種器工作時(shí)，相連2個(gè)指夾之間的種子落地時(shí)間可表示為

(1)

其中，Δt為相連兩粒種子的落地時(shí)間間隔(s)；ω為排種器轉(zhuǎn)速(r/min)；n為排種器指夾個(gè)數(shù)，n=12。

設(shè)播種株距為d(mm)，播種機(jī)前進(jìn)速度為v(m/s)，則存在如下關(guān)系式，即

d=1000·v·Δt

(2)

結(jié)合式(1)和式(2)，可以得到排種器轉(zhuǎn)速與播種機(jī)前進(jìn)速度的關(guān)系為

(3)

2 無刷直流電機(jī)仿真系統(tǒng)構(gòu)建

2.1 電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)模型

無刷直流電機(jī)由定子、轉(zhuǎn)子、三相繞組、位置傳感器及逆變器組成。通常將無刷直流電機(jī)的電樞電壓作為輸入量，將其轉(zhuǎn)速作為輸出量。如果不考慮磁滯、渦流效應(yīng)等的影響，并假設(shè)電機(jī)處在理想狀態(tài)下，則無刷直流電機(jī)的微分方程可以描述為[4-6]

(4)

其中，Td和Tm分別為電磁時(shí)間常數(shù)和機(jī)電時(shí)間常數(shù)；ω為電機(jī)轉(zhuǎn)速；Ce為電機(jī)反電動(dòng)勢系數(shù)；U0為電樞電壓。

對式(4)進(jìn)行拉普拉斯變換，則可得到無刷直流電機(jī)的傳遞函數(shù)[7]為

(5)

本文選用的無刷直流電機(jī)為80系列，其電磁時(shí)間常數(shù)為0.9s，機(jī)電時(shí)間常數(shù)為8.1s，反電動(dòng)勢系數(shù)為11.7V/(r·min-1)，代入式(5)可得

(6)

2.2 PID控制器仿真模型建立

在工程實(shí)際中，PID控制器是應(yīng)用較為廣泛的一種控制方法。本文設(shè)計(jì)的玉米精量播種控制系統(tǒng)采用PID控制器來實(shí)現(xiàn)播種作業(yè)速度與排種器轉(zhuǎn)速的同步匹配。PID控制器的一般形式為[8-9]

(7)

其中，e(t)為控制偏差；KP、Ki和Kd分別為PID控制器的比例系數(shù)、積分系數(shù)和微分系數(shù)。KP、Ki和Kd的取值直接決定了PID控制器的性能，因此合理地優(yōu)化這3個(gè)參數(shù)對系統(tǒng)設(shè)計(jì)具有重要意義。

為確定合理的PID控制器參數(shù)，本文采用ITAE(Integrated Time Absolute Error，時(shí)間乘以誤差絕對值積分)作為評價(jià)PID控制器的性能指標(biāo)。ITAE指標(biāo)的定義為[10-11]

(8)

在MatLab7.14.0.739/ Simulink環(huán)境中，根據(jù)式(6)～式(8)建立PID仿真模型，如圖3所示。

圖3 PID控制器simulink仿真模型

2.3 PID參數(shù)整定算法

傳統(tǒng)PID控制器的參數(shù)是通過人工調(diào)整的，這種調(diào)節(jié)方式不僅費(fèi)時(shí)，且不能保證PID控制器的最佳性能。PSO算法是一種群體智能優(yōu)化算法，最早由Kennedy和Eberhart提出[12]。該算法以實(shí)現(xiàn)容易、精度高、收斂速度快等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛地應(yīng)用。為實(shí)現(xiàn)PID控制器參數(shù)的智能優(yōu)化整定，本文利用PSO算法對PID參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，具體優(yōu)化流程如圖4所示。

首先，由PSO算法模塊產(chǎn)生一組粒子群(可以是初始化時(shí)隨機(jī)產(chǎn)生的粒子，也可以是更新后的粒子)，將粒子群中的粒子依次賦值給PID控制器的KP、Ki和Kd；然后，運(yùn)行PID控制器的Simulink仿真模型；之后輸出該粒子的ITAE指標(biāo)，并將該指標(biāo)傳遞給PSO算法模塊用以作為此粒子的適應(yīng)度；最后，判斷是否滿足退出條件，如果滿足則退出算法，否則繼續(xù)更新粒子。

更新粒子操作包括速度更新和位置更新，速度更新公式為

位置更新公式為

其中，Xid、Vid為第i個(gè)粒子在搜索空間d中的位置和速度；k為當(dāng)前迭代次數(shù)；c1、c2為加速度因子；r1、r2為區(qū)間[0,1]之間的隨機(jī)數(shù)；ω為慣性權(quán)重。

為了更好地進(jìn)行PID控制參數(shù)的全局搜索和局部搜索，在PSO算法中使慣性權(quán)重隨迭代代數(shù)不斷線性遞減，即[13]

ω(k)=ωstart·(ωstart-ωend)·(Tmax-k)/Tmax

其中，Tmax為最大迭代代數(shù)；ωstart和ωend分別表示k=1和k=Tmax時(shí)的慣性權(quán)重值。

圖4 PSO優(yōu)化PID參數(shù)過程

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)包括主控制單元電路設(shè)計(jì)和從控制單元電路設(shè)計(jì)。其中：主控制單元電路設(shè)計(jì)包括無線發(fā)射模塊接口電路、霍爾傳感器接口電路、按鍵模塊電路和LCD顯示器接口電路等的設(shè)計(jì)，主要用于實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互功能及播種機(jī)前進(jìn)速度的采集與發(fā)送；從控制單元電路設(shè)計(jì)包括無線接收模塊接口電路、電機(jī)驅(qū)動(dòng)器接口電路及編碼器接口電路等的設(shè)計(jì)，用以調(diào)節(jié)指夾排種器的轉(zhuǎn)速。

3.1 主控制單元電路設(shè)計(jì)

主控制單元電路和從控制單元電路所用的核心處理器均為STM32F103ZET6單片機(jī)。該單片機(jī)最高工作頻率可達(dá)72MHz，內(nèi)部集成了512K字節(jié)的可編程閃存，64K字節(jié)的SRAM，具有112個(gè)通用I/O口，每個(gè)I/O均可作為外部中斷觸發(fā)引腳，擁有3個(gè)SPI接口，且內(nèi)部集成了FSMC(Flexible Static Memory Controller，可變靜態(tài)存儲控制器)模塊[14]，滿足本文系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求。

主控單元電路設(shè)計(jì)如圖5所示。圖5中，采用NRF24L01作為無線發(fā)射模塊，可將播種機(jī)前進(jìn)速度及播種株距無線發(fā)射到從控制單元模塊，將其連接在STM32單片機(jī)的SPI2接口上；采用2.8寸的TFT LCD液晶屏作為顯示屏，并使用STM32單片機(jī)內(nèi)部FSMC模塊的存儲塊1的第4區(qū)作為其控制接口。NJK-5002C為霍爾測速傳感器，用于實(shí)時(shí)采集播種機(jī)前進(jìn)速度，其信號輸出口與STM32單片機(jī)的通用I/O口PE6相連；S1～S4是獨(dú)立按鍵，主要用于設(shè)定播種株距，其分別與STM32單片機(jī)的PE2～PE4相連。

圖5 主控單元主要設(shè)計(jì)電路

3.2 從控制單元電路設(shè)計(jì)

在從控制單元中，采用與主控制單元同一型號的無線通信模塊NRF24L01作為無線接收模塊，其與STM32從控制單片機(jī)的SPI2接口相連，如圖6所示。

圖6 從控制單元主要電路設(shè)計(jì)

圖6中，標(biāo)號U9為4096線編碼器，用于采集排種器的轉(zhuǎn)速，其A、B兩相脈沖輸出引腳直接與STM32從控制單片機(jī)的PC1和PC2口相連接；U8為無刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，型號為ZM-6615；STM32從控制單片機(jī)通過定時(shí)器TIM3的通道3輸出PWM信號來控制驅(qū)動(dòng)器ZM-6615，從而實(shí)現(xiàn)無刷直流電機(jī)的調(diào)速控制；U7為光電隔離器，型號為TLP521，用于實(shí)現(xiàn)STM32從控制單片機(jī)與驅(qū)動(dòng)器ZM-6615之間的電磁隔離。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

4.1 主控制單元軟件設(shè)計(jì)

主控制單元軟件用于驅(qū)動(dòng)主控制單元硬件電路，以實(shí)現(xiàn)播種機(jī)前進(jìn)速度的采集、播種株距的輸入、相應(yīng)的無線發(fā)射及相關(guān)數(shù)據(jù)信息的顯示。設(shè)計(jì)流程如圖7所示。

圖7 主控制單元軟件設(shè)計(jì)流程

4.2 從控制單元軟件設(shè)計(jì)

從控制單元軟件設(shè)計(jì)用于驅(qū)動(dòng)從控制單元硬件電路，接收來自主控制單元所發(fā)射的無線數(shù)據(jù)，并產(chǎn)生相應(yīng)的PWM信號用以驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)，具體流程如圖8所示。圖8中，初始化包括系統(tǒng)時(shí)鐘初始化、將PID控制參數(shù)設(shè)置為整定值及初始化定時(shí)器TIM3的3通道等。

圖8 從控制單元軟件設(shè)計(jì)流程

5 試驗(yàn)與結(jié)果分析

5.1 仿真試驗(yàn)

在MatLab/simulink環(huán)境下，編寫PSO算法程序及建立仿真模型。仿真前，設(shè)置種群規(guī)模為100，設(shè)置c1=c2=2，ωstart=0.9，ωend=0.4，迭代代數(shù)Tmax=50，并且限定KP、Ki和Kd的取值范圍為在0～400之間；同時(shí)，將仿真終止條件設(shè)置成大于迭代代數(shù)或者ITAE指標(biāo)小于0.000 1。

圖9(a)所示為PSO優(yōu)化PID控制器過程中KP、Ki和Kd的變化曲線，圖9(b)為ITAE變化曲線。

由圖9可以看出：隨著迭代代數(shù)的增加，KP、Ki、Kd及ITAE最終均趨于穩(wěn)定，且穩(wěn)定時(shí)KP=267.941 2、Ki=4.678 7、Kd= 3.028 5、ITAE=0.000 3。

圖9 PSO優(yōu)化PID過程

圖10為PSO優(yōu)化后的PID控制器階躍響應(yīng)曲線。從圖10可以看出：經(jīng)PSO優(yōu)化后，系統(tǒng)超調(diào)量為4%，調(diào)節(jié)時(shí)間為0.12s。

圖10 階躍響應(yīng)曲線

5.2 田間試驗(yàn)

2017年春季，在吉林農(nóng)業(yè)大學(xué)試驗(yàn)田進(jìn)行系統(tǒng)田間試驗(yàn)，選用的玉米種子為“先玉335”。試驗(yàn)采用吉林康達(dá)2BMZF-2X型免耕播種機(jī)，該播種機(jī)具2個(gè)播種單體，將其中1個(gè)播種單體改裝成本文設(shè)計(jì)的無刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)模式，另一個(gè)單體保持為地輪驅(qū)動(dòng)模式。試驗(yàn)時(shí)，播種株距設(shè)置為200mm，并按照低速(3km/h≤v<5km/h)、中速(5km/h≤v<7km/h)、高速(7km/h≤v≤9km/h)和變速(3km/h≤v≤9km/h)4擋速度進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果如表1所示。

表1 田間試驗(yàn)對比結(jié)果

續(xù)表1 %

由表1可以看出：在低速、中速、高速和變速4種不同作業(yè)速度下，采用無刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)排種器比傳統(tǒng)地輪驅(qū)動(dòng)在漏播指數(shù)上分別下降了0.9%、1.1%、1.4%和1.3 %，在播種合格指數(shù)上分別提高了1.8%、3.8%、2.8%和1.7%。

6 結(jié)論

1) 設(shè)計(jì)了基于無刷直流電機(jī)的智能播種控制系統(tǒng)，采用無刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)排種器和STM32單片核心處理器，通過PSO算法對PID控制參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化整定，實(shí)現(xiàn)了智能播種控制的目的。

2) 仿真結(jié)果表明：經(jīng)PSO算法整定的PID控制器其階躍響應(yīng)效果良好，超調(diào)量為4%，調(diào)節(jié)時(shí)間為0.12s。田間對比試驗(yàn)結(jié)果表明：在低速、中速、高速和變速4種不同作業(yè)速度下，采用無刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)排種器比傳統(tǒng)地輪驅(qū)動(dòng)在漏播指數(shù)上分別下降了0.9%、1.1%、1.4%和1.3 %，在播種合格指數(shù)上分別提高了1.8%、3.8%、2.8%和1.7%。