小麦自动收割机电气及调速控制系统的设计

胡志荣

(江西新能源科技职业学院，江西 新余 338000)

0 引言

针对常规小麦收割机系统存在的作业速率自适应调整水平较低、收割损失率较高等技术难题，基于西门子PLC和PID算法研制一款小麦自动收割机电气及调速控制系统。系统采用旋转编码器及时采集收割作业时电机的速率，并反馈给PLC进行处理，在PID算法的精准控制下，可根据作业的具体要求自适应地调节收割作业的速率，达到能量输出最优和收割效果最佳的双赢工作模式。

1 收割机整机结构设计

整机采用往复式收割设计方案(见图1)。实际作业时，将割刀调整至与田间小麦根部相一致的高度上，割刀进行水平往复切割作业，整个作业过程具有运转平稳、振动幅度小等优点。整机包括蓄电池、割刀、直流无刷电机、传送带、储麦盒、控制器等机构。整机在田间进行小麦收割作业时，由蓄电池向割刀运转直流无刷电机、运转轮电机和传送带电机提供动能，割刀根据系统控制器预设的作业参数，自动精准地切割田间小麦，已切割好的小麦由传送带传送到储麦盒中。

1—扶手；2—储麦盒；3—外壳；4～5—直流无刷电机；6～8—传送带；9—控制器；10～11—割刀；12～13—蓄电池；14—驱动器；15—运行轮；16—带动轮。

2 收割机电气系统设计

2.1 电气系统框图

收割机电气系统框图如图2所示。选用西门子公司研发的S7-200型PLC为核心控制器，用以控制割刀和收割机运动的速度；割刀转动电机选用57BL75S10-225TF9高速直流无刷闭环电机，该电机的额定电压为DC24 V，功率为100 W，额定转速为2 500 r/min，额定扭矩为0.15 N·m，体积和尺寸适中，可方便地安装在收割机内部；选用旋转编码器检测割刀转速和收割机运动速度，并反馈给PLC；采用PWM脉冲宽度调制的方式实现对割刀电机和运动电机的自动控制；选用昆仑通泰MCGS触摸屏设计收割机作业控制人机操作面板[1]。整个系统电气控制方式简单实用，可满足小麦自动收割及设备调速的自动化控制。

图2 小麦自动收割机电气系统框图

2.2 电气控制原理

系统以PLC为控制核心，通过编订自动收割及调速程序实现设备对田间小麦的自动收割、存储等作业，整套系统应用PID思想设计割刀精准调速控制算法[2]。各模块电气控制原理如下。

1)操作面板模块。选用昆仑通泰MCGS触摸屏为操作面板硬件核心，通过RS485[3]与PLC进行通信，实际田间收割作业时，操作人员可直接在触摸屏上点击虚拟按钮，控制设备启停，并在触摸屏界面设置割刀转速、设备运动速度等参数。

2)核心控制器模块。应用西门子S7-200型PLC，为实现小麦收割机基本电气、调速和拓展功能，特选用I/O端口24/16数量的226型CPU内核，通过编订步进顺序控制梯形图指令，实现“启动—设置电机转速—收割运动作业—实时反馈电机转速—PID调整优化转速—停止”步进顺序化的收割作业自动化控制。此外，还编订了收割故障判定与自动报警停止功能。

3)调速控制模块。由电机驱动器、高速无刷直流电机、旋转编码器等核心部件构成。实际作业时，由旋转编码器实时反馈割刀转速给PLC，PLC进行PID运算后，输出PWM[4]脉宽调制信号给电机驱动器控制电机转速，完成对割刀转速的实时调控。

2.3 PLC控制地址分配

系统选用PLC外部5个输入端口和3个输出端口，通过对所选I/O端口的数字化编程控制，实现小麦收割机的自动作业和调速控制，具体的地址分配方式为：①输入端口地址分配。I0.0为系统启动，I0.1为系统停止，I0.2为设备运动电机编码器测速，I0.3为割刀运转电机编码器测速，I0.4为故障传感器信号。②输出端口地址分配。Q0.0为设备运转电机输出线圈，Q0.1为割刀电机输出线圈，Q0.2为故障报警器。

3 收割机调速控制设计及试验

系统采用PID学习算法调速控制方案，调速控制框图如图3所示。调速原理为：当小麦收割机工作时，旋转编码器实时采集割刀转速，并将采集到的速度值y与系统设置速度值r进行相减运算，得到偏差error和变化率e，将这2个值输入PID控制学习算法方程中进行最优化调节运算，计算出Δkp、Δki和Δkd，得到整合优化后的kp、ki和kd数值，之后传送给电机驱动器，实现对割刀电机转速的精准动、静态控制。

图3 小麦自动收割机PID调速控制框图

具体调速传递函数为：G(S)=KP(1+1/T1S+TDS)。式中，KP为比例增益，T1为积分时间常数，TD是微分时间常数。其中，调节积分时间常数T1，能够实现对割刀电机转速增量变化速度的调节，调节微分时间常数TD，能够实现对割刀电机反馈转速响应量的调整。通过设置合理的积分时间常数T1和微分时间常数TD，可达到对割刀电机运转速度的精准调节目的，实现对田间小麦自动收割作业的最优化速率控制。

4 结语

系统设计完后进行小麦收割试验作业，通过对比多组试验参数，结果显示：当割刀转速为2 500 r/min时，收割成功率为100%，根部损失率为5%，割刀运行在该速度下能获得最佳收割效果。通过设置调节参数，测试割刀转速在2 500 r/min时系统PID自适应调速效果，结果发现：当温度、湿度、作业地点、田间沙土含量等外部参量发生改变时，割刀转速均能稳定地保持2 500 r/min转速，说明本系统PID控制算法科学合理，达到了预期调速控制效果。