基于矢量控制的果套自動分離機控制系統設計

寧 鐸， 韓雨航

(陜西科技大學 電氣與信息工程學院， 陜西 西安 710021)

基于矢量控制的果套自動分離機控制系統設計

寧 鐸， 韓雨航

(陜西科技大學 電氣與信息工程學院， 陜西 西安 710021)

目前國內蘋果分選生產線中,清洗消毒工序仍然采用人工手動方式分離蘋果與保護網套,效率低且成本較高.針對該問題，設計了一種果套自動分離裝置；該裝置可使果套分離工序擺脫人工手動完全由機械代替，采用永磁同步電機驅動裝置運行，并設計永磁同步電機矢量控制系統控制執行機構運動，以此對機械部分實現智能控制.果套自動分離機不僅能極大加快果套分離工序的工作效率，還能提高整體蘋果分選生產線的自動化程度.同時該技術還可以應用于其他有脫套需求的鮮果分選生產線，為鮮果工業的自動化發展做出了新的嘗試.

果套分離; 矢量控制; 永磁同步電機; 鮮果分選

Abstract:The domestic production line of apple sorting still choose manual mode to separate the fruit set,leading to low productive efficiency and high cost of the fruit products.To solve this problem,this paper introduces a kind of automatic fruit set separation device.This device completely replaces the manual operation by running the permanent magnet synchronous motor with designed vector control system,which could realize the intelligent control of the mechanical working system.This fruit set device could not only greatly enhance the working efficiency of the production line,but also improve the automation degree of entire apple sorting working system.Furthermore,this technique is also applicable in other fruit production line with the need of fruit set separation,providing new exploration in the development of automatic fresh fruit industry.

Keywords:fruit set； vector control； permanent magnet synchronous motor； fresh fruit sorting

0 引言

我國是水果生產的大國，近年來水果的總產量已穩居世界首位.但是，水果的價值較低，且大多為本國消費，在國際市場上的貿易比重較低，其中很重要的原因是采摘后的商品化程度處理較為落后，外觀包裝質量差，在國際市場的競爭力較差.水果的產值大部分是由產后處理和加工創造出來的，分級是果品商品化處理的重要環節.蘋果分選生產線需要對蘋果的大小、品質、糖度、色澤等多方面進行篩選，最終完成商品化分級處理[1,2].

蘋果分選生產線的自動化程度很高，但是在清洗消毒工序中分離蘋果和保護網套仍然采用人工手動的方式，工作強度大且環境差,同時由于人工操作的原因，無法采用臭氧消毒這種較為先進的方式[3].為了擺脫人工勞動，設計果套自動分離機以解決人工勞動帶來的問題，同時提升了分選生產線的自動化程度.

1 系統設計方案

果套自動分離機以控制系統為主，設計了特殊的機械結構配合控制系統共同完成工作[4].該裝置的電動機選用永磁同步電機，控制系統主要為永磁同步電機的轉速控制，通過矢量控制策略調節電動機的轉速，同時配合特殊的機械結構設計使裝置可以按照預期運行以達到果套分離的目的.果套分離機的裝置圖如圖1所示.

圖1 果套自動分離機整體結構示意圖

圖1中所示裝置由電機帶動上壓齒組繞中軸轉動，在上下壓齒組接觸時夾住蘋果外保護套并將其撕裂，下壓齒組在固定斜面的作用下沿中軸發生橫移，上下壓齒組交互錯位，上壓齒組繼續做非勻速圓周運動，下壓齒組經復位彈簧的作用回到原來位置.其中上壓齒組所做非勻速圓周運動從初始水平位置開始加速，運行至最高點時開始減速，當其與下壓齒接觸時速度降至最低，之后再開始加速，周而復始.

2 永磁同步電機的控制策略

永磁同步電機作為電機運行時可以實施閉環或開環控制，實現轉矩、位置、轉速的伺服控制，為了實現果套分離機所要求的非勻速圓周運動，可使用永磁同步電機的閉環控制系統，同時為了提高電機的控制響應速度，這里采用了矢量控制策略[5-7].

圖2 永磁同步電機矢量圖

圖2所示為永磁同步電機矢量圖,以此為基礎，在建立數學模型前，做如下假設[8-10]：

(1)忽略定、轉子鐵心磁阻，不計渦流和磁滯損耗；

(2)永磁材料的電導率為零，永磁體內部的磁導率與空氣相同；

(3)轉子上沒有阻尼繞組；

(4)永磁體產生的勵磁磁場和三相繞組產生的電樞反應磁場在氣隙中均為正弦分布；

(5)穩態運行時，相繞組中感應電動勢波形為正弦波.

則PMSM(永磁同步電機)在三相靜止坐標系(ABC軸系)下的電壓方程為：

uA=RSiA+pψA

uB=RSiB+pψB

uC=RSiC+pψC

(1)

ψA=LAiA+MABiB+MACiC+cosθeψf

(2)

式(2)中:Lxx為定子繞組自感系數，Mxx為定子繞組間的互感系數，ψf為轉子磁鏈，θe為轉子軸線與A相繞組軸線之間的電角度.那么電機轉矩方程如下：

(3)

式(3)中:Te為電動機電磁轉矩，np為電動機極對數.

由于上述公式是包含時變系數的微分方程組，在求解時比較困難，因此需要依據定子磁場建立新的坐標系.

建立一個與永磁同步電機轉子同步旋轉的dq坐標系(也稱為兩相旋轉軸系)，坐標系的d軸與電機轉子磁極重合.則PMSM在此dq坐標系下的電壓方程：

ud=Rsid+pψd-ωψq

uq=Rsiq+pψq+ωψd

(4)

式(4)中:ud、uq為定子電壓矢量在dq軸系內的分量，id、iq為定子電流矢量在dq軸系內的分量，ω為轉子角頻率.相應的磁鏈方程在dq軸系內表示為：

ψd=Ldid+ψf

ψq=Lqiq

(5)

式(5)中:Ld、Lq為dq軸系的等效電感.電磁轉矩方程在dq軸系內表示為：

(6)

永磁同步電機轉子機械運動方程為：

(7)

式(7)中:Tl為電機軸上的負載轉矩，J為電機軸上的轉動慣量，B為阻尼系數.

從公式推導可以得出結論，由于永磁同步電機采用永磁體結構，因此其轉子磁鏈幅值大小不變，電磁轉矩只取決于dq軸系的電流，這簡化了永磁同步電機的轉矩控制.另一較為常用的坐標系為兩相靜止軸系(也稱αβ軸系)，它是矢量控制中不可缺少的一環.永磁同步電機在αβ軸系內的電壓和磁鏈方程分別如下：

uα=Rsiα+Lαpiα-ωψfsinθe

uβ=Rsiβ+Lβpiβ+ωψfcosθe

(8)

(9)

電磁轉矩在αβ軸系內表示為：

(10)

式(8)～(10)中:uα、uβ為定子電壓矢量在αβ軸系內的分量，iα、iβ為定子電流矢量在αβ軸系內的分量，ψα、ψβ為定子磁鏈在αβ軸系內的分量.

電壓、電流矢量可在各坐標軸系內相互變換，具體變換公式如下所示：

(11)

永磁同步電機的矢量控制根據性能和不同轉速調節范圍有不同的控制策略，這里采用直軸電樞電壓為0控制，永磁同步電機定子電樞電流的直軸分量在控制過程中始終為0，即id=0矢量控制策略[11-14].

在永磁同步電機矢量控制中，按磁場定向的不同，可分為按轉子磁場定向，按氣隙磁場定向和按定子磁場定向.其中，由于按轉子磁場定向的方式對電磁轉矩等變量能獲得更好的解耦，因此在實際工程中，應用的較為普遍.永磁同步電機電磁轉矩在dq軸系內方程如下式：

(12)

(13)

由式(13)可以看出，電機電磁轉矩只與np、ψf、iq有關，即控制iq就能控制Te、id=0控制時，磁阻轉矩為零，無去磁效應.

3 控制系統的設計

果套自動分離機控制系統的搭建包括硬件和軟件，其中永磁同步電機矢量控制框圖如圖3所示.

圖3 永磁同步電機矢量控制框圖

圖3為矢量控制圖，另外在電機控制系統中，主要用到的DSP資源包括A/D轉換器、事件管理器和串行通信SCI.其中，A/D轉換器的工作是采集霍爾電流傳感器獲得的電機相電流，以完成坐標變換.事件管理器是電機控制系統中最為核心的部分，其工作是實現電機控制算法，包括定時器中斷、帶死區的PWM波形的產生、捕獲單元和QEP電路.串行通信SCI完成DSP控制器與上位機的通信，包括上位機對DSP控制器的指令控制及DSP控制器對上位機的信號反饋.系統的總體框圖如圖4所示.

圖4 果套分離機控制系統示意圖

圖4為系統總體控制示意圖，主要包括功率驅動模塊和DSP控制模塊.系統的軟件流程如圖5所示，DSP上電后對系統的硬件進行初始化，包括DSP芯片外設器件的配置、IO引腳的配置等，系統軟件初始化包括中斷服務程序地址初始化和變量的初始化等.DSP完成初始化后就進入循環等待中斷階段，此時要是有中斷事件發生，那么DSP就根據中斷服務程序地址處理中斷事件，完成后返回，繼續等待中斷事件的發生，如此循環下去.

圖5 系統軟件流程圖

圖6所示為系統軟件初始化流程圖.系統中共有兩個中斷服務程序，分別為定時器中斷服務程序和SCI接收中斷服務程序.其中定時器中斷服務程序完成電機控制算法，SCI接收中斷服務程序完成上位機對DSP控制器的通信接收.

圖6 系統軟件初始化

定時器中斷服務程序是負責實現電機控制算法，包括編碼器位置檢測程序、電流采樣程序、Clark變換程序、三角函數查表程序、Park逆變換和SVPWM計算程序.此中斷服務程序流程圖如圖7所示，由于本系統沒有設計異步啟動程序，因此，在電機啟動時，是由光電編碼器提供轉子位置信息，當電機運行到一定轉速后，再切換至無位置傳感器運行.

圖7 定時器中斷服務程序流程圖

4 系統仿真及結論

通過上述對永磁同步電機矢量控制的分析和推導建立出數學模型，并以此搭建果套自動分離機控制系統的仿真流程圖，如圖8所示.

圖8 果套自動分離機控制系統仿真圖

依照圖8所示的系統仿真圖可以對果套自動分離機運行過程中電機的轉速情況進行模擬.由于分離過程中要求上壓齒組做非勻速圓周運動，所以在仿真時設定運行周期為2 s，0 s時速度為300 rad/s，0.6 s時速度為700 rad/s，1.0 s時速度為300 rad/s，1.4s時速度為100 rad/s，1.8 s時速度為0 rad/s.所得上壓齒組速度曲線圖如圖9所示.

圖9 果套自動分離機轉速曲線圖

同時還可以得出永磁同步電機在轉速發生變動時的輸出轉矩波形，如圖10所示.

圖10 電機輸出轉矩波形

在運行過程中當分離裝置與蘋果接觸時，可視其為有負載的情況，則此時的輸出轉矩波形如圖11所示.

圖11 負載時電機輸出轉矩波形

由圖9和圖10分析可知裝置在運行過程中可以滿足上壓齒組所要求的速度變化，該速度曲線依照設定穩定運行，輸出轉矩波形變化也較為平滑，該系統可以如預期的穩定運行.此外由圖11可以看出，在有擾動的情況下輸出轉矩的變化量不大，此時電機的轉速依然在可控的范圍內.同時果套自動分離機機械結構中的調速塊會輔助配合控制部分，以達到對電機轉速的控制.

[1] 張方明,應義斌.水果分級機器人關鍵技術的研究和發展[J].機器人技術與應用,2004,33(1):34-37.

[2] 中國農業年鑒編輯委員會.中國農業年鑒[M].北京:中國農業出版社,2014.

[3] 汪 閔,李 璐,陳艷秋.淺談水果的全面品質管理[J].四川農業科技,2007,14(4):92-95.

[4] 魏新華,孫衛紅.水果自動分選機分級卸料實時控制系統的設計[J].儀器儀表學報,2008,29(5):1 024-1 028.

[5] 庹朝永.基于單片機的直流電機PWM調速系統設計與開發[J].煤炭技術,2011,30(6):62-63.

[6] 李傳海,曲繼圣.空間矢量脈寬調制(SVPWM)技術特點及其優化方法[J].山東大學學報(工學版),2005,35(2):27-31.

[7] 趙 榮,羅耀華.采用SVPWM的永磁同步電機伺服系統建模仿真[J].應用科技,2008,35(10):49-52.

[8] 恒慶海,魯 婧,李 麗.無刷直流電機魯棒控制研究[C]//第三十二屆中國控制會議論文集.西安：中國自動化學會控制理論專業委員會,2013:2 672-2 677.

[9] 何寶泉,劉 濤.基丁模糊PID算法的直流電機控制系統研究[J].科技咨詢,2014,13(19):109-113.

[10] 賈 華,李俊彪,崔軍輝.基于SVPWM的異步電動機變頻調速系統的研宄[J].自動化與信息工程,2009,5(1):4-6.

[11] 陳敏俊,王 剛.基于空間矢量脈寬調制的新型永磁同步電機矢量控制調速系統[D].武漢：華中理工大學,2007.

[12] 郎寶華,劉衛國.空間矢量脈寬調制的仿真研究及應用.電機與控制應用[D].西安：西安交通大學，2007.

[13] 周 好.永磁同步電機矢量控制調速系統研究[D].大連:大連理工大學,2010.

[14] 解后循,高 翔.無刷直流電機參數自適應負載觀測器設計[J].機械科學與技術,2011,30(2)：237-241.

【責任編輯：陳佳】

Thevectorcontrolbasedonautomaticfruitsetseparationdevicecontrolsystemdesign

NING Duo， HAN Yu-hang

(College of Electrical and Information Engineering, Shaanxi University of Science & Technology, Xi′an 710021, China)

2017-08-14

陜西省科技廳科技統籌創新工程計劃項目(2014KTCL02-17)

寧 鐸(1955-)，男，陜西禮泉人，教授，碩士生導師，研究方向：光伏太陽能、控制理論與控制工程

2096-398X(2017)05-0184-05

TM351

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