大型高精度車載式施藥機的伺服帶寬研究

賈功流

（安徽省康禾農林病蟲害綜合防治有限公司，安徽 合肥230000）

隨著各行病蟲害是導致農產品產量降低的主要原因之一，在施藥機械中，系統控制能力起著決定性作用，它是施藥機械自動噴施、提高農藥利用率的關鍵性部件，也是實現多角度精準施藥控制的核心部件。但是，從施藥機械現狀來看，采用純手動控制、低精度控制的系統控制方式較多，所以，提升施藥機械控制系統精度，使其控制效果及其實用化更符合用戶要求成為關鍵性問題。

本文針對新型車載式大型施藥系統，將三路閉環控制方法應用到施藥機傳動系統的伺服控制中，設計了伺服控制器，經仿真研究，該控制器具有較高帶寬和響應能力。

1 結構設計及組成

系統由載車及施藥機組成。施藥機由轉臺及噴藥筒組成。轉臺主要由電機、減速機、編碼器，雙片齒輪，驅動齒輪、扇形齒輪，等組成。電機經減速機帶動小齒輪，從而帶動扇形齒輪，實現天線座的旋轉。材料選用鑄鋁ZL201。

圖1 車載式施藥機結構布局圖

設計的轉臺要求支座具有高的剛度，負載部分需要低的轉動慣量，這樣可以有效地降低軸系驅動電機的驅動力矩，同時可以進一步提高系統的動態響應指標，俯仰支座負責支撐噴藥筒，負載及驅動電機，其設計的優劣直接關系到整個天線座的穩定性和精度。必須穩固扎實，因此要有較大的質量和較高的固定頻率。轉臺內部結構如圖2 所示。

圖2 驅動機構組成圖

2 系統建模

首先建立系統的等效模型，在模型的基礎上根據系統要求的性能指標對系統的電流閉環、速度閉環、位置閉環進行了設計與仿真。采用串聯校正的方法設計雷達三閉環控制系統，通過三環各自的開環特性分析系統的穩定性能，在三閉環控制系統設計過程中，采用的從內環到外環逐步設計的方法，按照控制要求設計控制器，可以保證每個控制環都是穩定的，內環能夠抑制電機電流和速度的擾動，減小對位置回路的影響。在由內環到外環的等效過程中，三個回路的截止頻率由內到外逐漸減小，位置環的截止頻率最低，這樣設計會在一定程度上降低系統的響應速度，降低了位置回路的帶寬。

圖3 伺服系統組成

本節首先通過機理建模方法，分別給出放大電路、直流伺服電機的數學模型，最后在機械系統動力學方程基礎上建立整體的數學模型。

放大電路：

上式中，Ke為反電動勢系數，kpwn為放大系數，Ra為電樞電阻，L 表示電樞電感，I 表示電樞電流，Km為力矩傳遞系數。

因此，先設計電流控制器，然后把整個電流環看作是速度控制環中的一個環節設計速度控制器，最后把整個速度環看作位置環中的一個環節設計位置控制器。并依據以下框圖在SIMULINK 中建立系統仿真模型。

3 仿真分析

位置環的作用是通過給定的脈沖指令使電機準確定位，并且電機的轉速與位置完全由給定脈沖來決定，通過設定的目標位置與電機的實際位置相比較，利用其偏差通過位置調節器來產生電機的速度指令，從而保證系統靜態精度和動態跟蹤的性能。則要求位置環定位精度要高且響應無超調。

通過位置環階躍響應可以看出，超調量為9.8%，上升時間0.576s。通過閉環bode 圖判定位置環閉環穩定，位置閉環帶寬達到2.2Hz，見圖4 及圖5。也可以調整控制器參數，使帶寬為0.5Hz 和1Hz，可滿足寬范圍帶寬變化要求。

圖4 位置環階躍響應

圖5 位置環BODE 圖

4 結論

本文描述了高精度閉環控制施藥機的結構形式、組成及控制系統。根據系統要求的性能指標對系統的電流閉環、速度閉環、位置閉環進行了設計與仿真。通過階躍仿真及BODE 圖仿真，獲得了可調帶寬的傳動能力，達到了理想的跟蹤效果。該系統結構簡單、可靠，在大型高精度車載式施藥機的伺服系統中具有應用價值。