基于BLDCM的智能播種控制系統設計

郭宏亮，趙瑜會，李名偉，于婷婷

(吉林農業大學 信息技術學院，長春 130118)

0 引言

隨著保護性耕作地開展，免耕播種技術越來越受到重視。目前，免耕播種機排種器的驅動力來源于地輪的轉動，地輪在免耕播種機上是隨動輪，容易發生打滑現象，在復雜的免耕播種作業環境中打滑尤為嚴重，進一步增大了排種器的漏播率。

目前，國內外關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]對指夾式排種器進行改進，設計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，設計了氣壓組合孔式排種器；劉佳等[3]綜合機械內充排種器的特性及氣吹式排種器單粒排種原理，設計了機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構改進和性能參數優化設計上，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作為指夾式排種器的驅動源，采用PID控制器策略實現免耕播種機的精量播種控制。

1 系統結構及工作原理

1.1 系統總體結構

本文設計的玉米智能播種控制系統主要包括無線收發模塊、霍爾測試傳感器、單片機主控單元、單片機從控制單元、LCD顯示器、編碼器、無刷直流電機及其驅動器等，如圖1所示。

圖1 系統結構框圖

系統工作時，播種株距可以通過按鍵模塊輸入；霍爾測速傳感器負責實時采集免耕播種機的前進速度；單片機主控單元對該霍爾速度信號進行處理，然后控制無線發射模塊將用戶輸入的播種株距和播種機前進速度發射出去。單片機從控制單元通過無線接收模塊可以有效地接收單片機主控單元發射而來的速度信號和播種株距；根據播種機前進速度和播種株距，單片機從控制單元運行經PSO算法整定后的PID控制程序，從而輸出PWM控制信號用以調節電機電樞兩端的均值電壓，進而實現排種器轉速與播種機前進速度的匹配，以達到精量播種的目的。

1.2 排種器轉速與機具速度的關系

指夾式排種器是免耕播種機的關鍵部件之一，其軸測圖如圖2所示。

圖2 指夾式排種器

排種器工作時，相連2個指夾之間的種子落地時間可表示為

(1)

其中，Δt為相連兩粒種子的落地時間間隔(s)；ω為排種器轉速(r/min)；n為排種器指夾個數，n=12。

設播種株距為d(mm)，播種機前進速度為v(m/s)，則存在如下關系式，即

d=1000·v·Δt

(2)

結合式(1)和式(2)，可以得到排種器轉速與播種機前進速度的關系為

(3)

2 無刷直流電機仿真系統構建

2.1 電機調速系統模型

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

(4)

其中，Td和Tm分別為電磁時間常數和機電時間常數；ω為電機轉速；Ce為電機反電動勢系數；U0為電樞電壓。

對式(4)進行拉普拉斯變換，則可得到無刷直流電機的傳遞函數[7]為

(5)

本文選用的無刷直流電機為80系列，其電磁時間常數為0.9s，機電時間常數為8.1s，反電動勢系數為11.7V/(r·min-1)，代入式(5)可得

(6)

2.2 PID控制器仿真模型建立

在工程實際中，PID控制器是應用較為廣泛的一種控制方法。本文設計的玉米精量播種控制系統采用PID控制器來實現播種作業速度與排種器轉速的同步匹配。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、積分系數和微分系數。KP、Ki和Kd的取值直接決定了PID控制器的性能，因此合理地優化這3個參數對系統設計具有重要意義。

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

(8)

在MatLab7.14.0.739/ Simulink環境中，根據式(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參數整定算法

傳統PID控制器的參數是通過人工調整的，這種調節方式不僅費時，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化算法，最早由Kennedy和Eberhart提出[12]。該算法以實現容易、精度高、收斂速度快等優點而被廣泛地應用。為實現PID控制器參數的智能優化整定，本文利用PSO算法對PID參數進行優化設計，具體優化流程如圖4所示。

首先，由PSO算法模塊產生一組粒子群(可以是初始化時隨機產生的粒子，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，運行PID控制器的Simulink仿真模型；之后輸出該粒子的ITAE指標，并將該指標傳遞給PSO算法模塊用以作為此粒子的適應度；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個粒子在搜索空間d中的位置和速度；k為當前迭代次數；c1、c2為加速度因子；r1、r2為區間[0,1]之間的隨機數；ω為慣性權重。

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

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

其中，Tmax為最大迭代代數；ωstart和ωend分別表示k=1和k=Tmax時的慣性權重值。

圖4 PSO優化PID參數過程

3 系統硬件設計

系統硬件設計包括主控制單元電路設計和從控制單元電路設計。其中：主控制單元電路設計包括無線發射模塊接口電路、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計，主要用于實現人機交互功能及播種機前進速度的采集與發送；從控制單元電路設計包括無線接收模塊接口電路、電機驅動器接口電路及編碼器接口電路等的設計，用以調節指夾排種器的轉速。

3.1 主控制單元電路設計

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。該單片機最高工作頻率可達72MHz，內部集成了512K字節的可編程閃存，64K字節的SRAM，具有112個通用I/O口，每個I/O均可作為外部中斷觸發引腳，擁有3個SPI接口，且內部集成了FSMC(Flexible Static Memory Controller，可變靜態存儲控制器)模塊[14]，滿足本文系統設計要求。

主控單元電路設計如圖5所示。圖5中，采用NRF24L01作為無線發射模塊，可將播種機前進速度及播種株距無線發射到從控制單元模塊，將其連接在STM32單片機的SPI2接口上；采用2.8寸的TFT LCD液晶屏作為顯示屏，并使用STM32單片機內部FSMC模塊的存儲塊1的第4區作為其控制接口。NJK-5002C為霍爾測速傳感器，用于實時采集播種機前進速度，其信號輸出口與STM32單片機的通用I/O口PE6相連；S1～S4是獨立按鍵，主要用于設定播種株距，其分別與STM32單片機的PE2～PE4相連。

圖5 主控單元主要設計電路

3.2 從控制單元電路設計

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從控制單片機的SPI2接口相連，如圖6所示。

圖6 從控制單元主要電路設計

圖6中，標號U9為4096線編碼器，用于采集排種器的轉速，其A、B兩相脈沖輸出引腳直接與STM32從控制單片機的PC1和PC2口相連接；U8為無刷直流電機驅動器，型號為ZM-6615；STM32從控制單片機通過定時器TIM3的通道3輸出PWM信號來控制驅動器ZM-6615，從而實現無刷直流電機的調速控制；U7為光電隔離器，型號為TLP521，用于實現STM32從控制單片機與驅動器ZM-6615之間的電磁隔離。

4 系統軟件設計

4.1 主控制單元軟件設計

主控制單元軟件用于驅動主控制單元硬件電路，以實現播種機前進速度的采集、播種株距的輸入、相應的無線發射及相關數據信息的顯示。設計流程如圖7所示。

圖7 主控制單元軟件設計流程

4.2 從控制單元軟件設計

從控制單元軟件設計用于驅動從控制單元硬件電路，接收來自主控制單元所發射的無線數據，并產生相應的PWM信號用以驅動直流電機的運轉，具體流程如圖8所示。圖8中，初始化包括系統時鐘初始化、將PID控制參數設置為整定值及初始化定時器TIM3的3通道等。

圖8 從控制單元軟件設計流程

5 試驗與結果分析

5.1 仿真試驗

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

圖9(a)所示為PSO優化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：隨著迭代代數的增加，KP、Ki、Kd及ITAE最終均趨于穩定，且穩定時KP=267.941 2、Ki=4.678 7、Kd= 3.028 5、ITAE=0.000 3。

圖9 PSO優化PID過程

圖10為PSO優化后的PID控制器階躍響應曲線。從圖10可以看出：經PSO優化后，系統超調量為4%，調節時間為0.12s。

圖10 階躍響應曲線

5.2 田間試驗

2017年春季，在吉林農業大學試驗田進行系統田間試驗，選用的玉米種子為“先玉335”。試驗采用吉林康達2BMZF-2X型免耕播種機，該播種機具2個播種單體，將其中1個播種單體改裝成本文設計的無刷直流電機驅動模式，另一個單體保持為地輪驅動模式。試驗時，播種株距設置為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擋速度進行試驗，結果如表1所示。

表1 田間試驗對比結果

續表1 %

由表1可以看出：在低速、中速、高速和變速4種不同作業速度下，采用無刷直流電機驅動排種器比傳統地輪驅動在漏播指數上分別下降了0.9%、1.1%、1.4%和1.3 %，在播種合格指數上分別提高了1.8%、3.8%、2.8%和1.7%。

6 結論

1) 設計了基于無刷直流電機的智能播種控制系統，采用無刷直流電機驅動排種器和STM32單片核心處理器，通過PSO算法對PID控制參數進行優化整定，實現了智能播種控制的目的。

2) 仿真結果表明：經PSO算法整定的PID控制器其階躍響應效果良好，超調量為4%，調節時間為0.12s。田間對比試驗結果表明：在低速、中速、高速和變速4種不同作業速度下，采用無刷直流電機驅動排種器比傳統地輪驅動在漏播指數上分別下降了0.9%、1.1%、1.4%和1.3 %，在播種合格指數上分別提高了1.8%、3.8%、2.8%和1.7%。