小麥自動收割機電氣及調速控制系統的設計

胡志榮

(江西新能源科技職業學院，江西 新余 338000)

0 引言

針對常規小麥收割機系統存在的作業速率自適應調整水平較低、收割損失率較高等技術難題，基于西門子PLC和PID算法研制一款小麥自動收割機電氣及調速控制系統。系統采用旋轉編碼器及時采集收割作業時電機的速率，并反饋給PLC進行處理，在PID算法的精準控制下，可根據作業的具體要求自適應地調節收割作業的速率，達到能量輸出最優和收割效果最佳的雙贏工作模式。

1 收割機整機結構設計

整機采用往復式收割設計方案(見圖1)。實際作業時，將割刀調整至與田間小麥根部相一致的高度上，割刀進行水平往復切割作業，整個作業過程具有運轉平穩、振動幅度小等優點。整機包括蓄電池、割刀、直流無刷電機、傳送帶、儲麥盒、控制器等機構。整機在田間進行小麥收割作業時，由蓄電池向割刀運轉直流無刷電機、運轉輪電機和傳送帶電機提供動能，割刀根據系統控制器預設的作業參數，自動精準地切割田間小麥，已切割好的小麥由傳送帶傳送到儲麥盒中。

1—扶手；2—儲麥盒；3—外殼；4～5—直流無刷電機；6～8—傳送帶；9—控制器；10～11—割刀；12～13—蓄電池；14—驅動器；15—運行輪；16—帶動輪。

2 收割機電氣系統設計

2.1 電氣系統框圖

收割機電氣系統框圖如圖2所示。選用西門子公司研發的S7-200型PLC為核心控制器，用以控制割刀和收割機運動的速度；割刀轉動電機選用57BL75S10-225TF9高速直流無刷閉環電機，該電機的額定電壓為DC24 V，功率為100 W，額定轉速為2 500 r/min，額定扭矩為0.15 N·m，體積和尺寸適中，可方便地安裝在收割機內部；選用旋轉編碼器檢測割刀轉速和收割機運動速度，并反饋給PLC；采用PWM脈沖寬度調制的方式實現對割刀電機和運動電機的自動控制；選用昆侖通泰MCGS觸摸屏設計收割機作業控制人機操作面板[1]。整個系統電氣控制方式簡單實用，可滿足小麥自動收割及設備調速的自動化控制。

圖2 小麥自動收割機電氣系統框圖

2.2 電氣控制原理

系統以PLC為控制核心，通過編訂自動收割及調速程序實現設備對田間小麥的自動收割、存儲等作業，整套系統應用PID思想設計割刀精準調速控制算法[2]。各模塊電氣控制原理如下。

1)操作面板模塊。選用昆侖通泰MCGS觸摸屏為操作面板硬件核心，通過RS485[3]與PLC進行通信，實際田間收割作業時，操作人員可直接在觸摸屏上點擊虛擬按鈕，控制設備啟停，并在觸摸屏界面設置割刀轉速、設備運動速度等參數。

2)核心控制器模塊。應用西門子S7-200型PLC，為實現小麥收割機基本電氣、調速和拓展功能，特選用I/O端口24/16數量的226型CPU內核，通過編訂步進順序控制梯形圖指令，實現“啟動—設置電機轉速—收割運動作業—實時反饋電機轉速—PID調整優化轉速—停止”步進順序化的收割作業自動化控制。此外，還編訂了收割故障判定與自動報警停止功能。

3)調速控制模塊。由電機驅動器、高速無刷直流電機、旋轉編碼器等核心部件構成。實際作業時，由旋轉編碼器實時反饋割刀轉速給PLC，PLC進行PID運算后，輸出PWM[4]脈寬調制信號給電機驅動器控制電機轉速，完成對割刀轉速的實時調控。

2.3 PLC控制地址分配

系統選用PLC外部5個輸入端口和3個輸出端口，通過對所選I/O端口的數字化編程控制，實現小麥收割機的自動作業和調速控制，具體的地址分配方式為：①輸入端口地址分配。I0.0為系統啟動，I0.1為系統停止，I0.2為設備運動電機編碼器測速，I0.3為割刀運轉電機編碼器測速，I0.4為故障傳感器信號。②輸出端口地址分配。Q0.0為設備運轉電機輸出線圈，Q0.1為割刀電機輸出線圈，Q0.2為故障報警器。

3 收割機調速控制設計及試驗

系統采用PID學習算法調速控制方案，調速控制框圖如圖3所示。調速原理為：當小麥收割機工作時，旋轉編碼器實時采集割刀轉速，并將采集到的速度值y與系統設置速度值r進行相減運算，得到偏差error和變化率e，將這2個值輸入PID控制學習算法方程中進行最優化調節運算，計算出Δkp、Δki和Δkd，得到整合優化后的kp、ki和kd數值，之后傳送給電機驅動器，實現對割刀電機轉速的精準動、靜態控制。

圖3 小麥自動收割機PID調速控制框圖

具體調速傳遞函數為：G(S)=KP(1+1/T1S+TDS)。式中，KP為比例增益，T1為積分時間常數，TD是微分時間常數。其中，調節積分時間常數T1，能夠實現對割刀電機轉速增量變化速度的調節，調節微分時間常數TD，能夠實現對割刀電機反饋轉速響應量的調整。通過設置合理的積分時間常數T1和微分時間常數TD，可達到對割刀電機運轉速度的精準調節目的，實現對田間小麥自動收割作業的最優化速率控制。

4 結語

系統設計完后進行小麥收割試驗作業，通過對比多組試驗參數，結果顯示：當割刀轉速為2 500 r/min時，收割成功率為100%，根部損失率為5%，割刀運行在該速度下能獲得最佳收割效果。通過設置調節參數，測試割刀轉速在2 500 r/min時系統PID自適應調速效果，結果發現：當溫度、濕度、作業地點、田間沙土含量等外部參量發生改變時，割刀轉速均能穩定地保持2 500 r/min轉速，說明本系統PID控制算法科學合理，達到了預期調速控制效果。