变频器技术的智能精播机电气系统研究

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摘要：以智能精播机为研究目标，设计了电气控制系统。系统以可编程逻辑控制器（ＰＬＣ）为主控设备，结合传感器技术，通过变频器控制精播机驱动电机的供电频率，从而改变种子传输带电机和地轮电机的转速，调整播种速度和种子间距，改变风机电机的转速，调整每穴种子的粒数，从而实现高效精准的播种作业。进行仿真测试实验，结果表明：播种间距的准确性可达到９８％，每穴种子粒数的准确性可达到９７．５％，满足了精确播种要求。

关键词：智能精播机；电气控制；可编程控制器；变频器

０引言

近年来，为了提高播种作业的效率与精确度，提出了智能精播机的概念［１］。智能精播机是利用电力电子和控制技术，实现按种子精确的粒数、种子间距等播种的一类机器［２］。发展到现阶段，智能精播机主要由机械部分、电气控制部分和检测部分构成。经过长时间的经验积累，机械部分和检测部分相对已经趋于成熟，电气控制部分还处在发展阶段。因此，研究智能精播机的电气控制部分对今后播种作业具有一定的意义［３］。目前，实现智能精播机电气控制的关键环节是其主控设备和电机驱动设备。主控设备的实现方式主要有单片机、微芯片和ＰＬＣ等，相比于前两类，ＰＬＣ采用集中采样、集中输出的方式，可靠性高、速度快、抗干扰能力强［４－５］。电机驱动设备主要实现方式为变频器技术，是通过改变电源频率来控制驱动电机的转速，以此实现种子播种作业要求，具有范围广、操作简便、效率高等优点［６］。为此，笔者针对智能精播机，结合ＰＬＣ技术与变频技术，对其电气控制部分进行设计。根据实际拖拉机的运行速度，通过变频器调节驱动电机的转速，以此控制播种速度、种子粒数和种子间距等关键参数，从而实现精播机的高效精确播种。

１总体设计

所设计的智能精播机的电气控制部分由人机交互界面、ＰＬＣ、变频器、驱动电机和传感器５大部分组成［７］，如图１所示。控制原理：通过人机界面设置相关播种的要求及机械制约因素，再传输给ＰＬＣ，对参数进行逻辑运算，将结果传输给变频器；变频器通过频率调节，改变种子传输带电机、地轮控制电机、风机流量控制电机等驱动电机的供电频率，从而改变其转速，达到精确播种的目的。为了实时监控种子传输带的速度、地轮转速及风机流量等参数，由传感器采集上述设备信息反馈给ＰＬＣ［８］，经过ＰＬＣ的快速比较后，决定当前的播种作业是否满足要求。另一方面，这些实时信息需发送给人机交互界面，直观地反映给操作员。另外，整个精播机的电气控制系统需添加相应的外围设备进行辅助工作，包括断路器、熔断器、接触器及电缆等［９］。

２硬件组成

智能精播机是较为复杂的一类农业机械。工作时，首先采集农作物种类、拖拉机速度、地轮直径等外界制约因素，通过人机界面进行参数设定，再将参数发送给智能精播机电气控制系统的核心设备ＰＬＣ进行逻辑运算［１０］。ＰＬＣ是数字控制的微型处理器，其编程语言以继电器梯形图为主，简单易懂，可操作性强，故其在工业领域应用广泛。其主要由电源、中央处理单元（ＣＰＵ）、存储器、输入单元及输出单元等组成［１１］，如图２所示。其中，ｎｍａｘ为电机最大转值（ｒ／ｍｉｎ）；ｆｍａｘ为最大转速的频率（Ｈｚ）；ｐ为磁极对数。由上式可知，交流电机输入电压与极数决定了电机的转速，在极数不变的情况下，只能改变输入电压的频率，此时需要变频器来配合完成。变频器是实现智能精播机的关键环节，主要用来调节交流电动机的转速，以此来控制种子传输带速度等参数。变频器电路包括主电路和控制电路。主电路的作用为异步电动机的调压调频电源提供变换动力，其结构分为交－直变换、能耗电路和直－交变换３部分。交－直变换电路，即滤波器，将工频电源转为直流；能耗电路，又称平波回路，主要处理交－直变换和直－交变换之间产生的电压脉动；直－交变换电路，又称逆变器，是将直流电压功率变为交流电压或功率［１４］。变频器控制电路的作用是给主电路提供控制回路，主要由运算电路、检测电路、速度测试电路、驱动电路、Ｉ／Ｏ电路及保护电路等组成［１４］。运算电路比较精播机驱动电机的速度、转速与检测到的电压电流数据，以此输出逆变器的电压、频率。检测电路主要针对主电路的电压电流进行测试。速度测试电路主要针对精播机的驱动电机进行采集，并将采集到的信号发给运算电路。驱动电路掌握着主电路器件的通断［１５］。Ｉ／Ｏ电路主要服务于人机交互界面。保护电路防止电路中电流电压过载而烧毁电机。由于驱动电机的容量在０．７５～３ｋＷ之间，一台电机需要一个变频器驱动，因此在选择变频器时，其容量一般是电机的１．５倍左右。故在本控制系统中变频器统一为４．２ｋＶＡ的ＶＦＤ系列［１５］。智能精播机需要将种子传输带速度、地轮转速等数据传回ＰＬＣ进行处理，即将机械位移量转化为数字量，则需要传感器。光电编码器作为传感器的一种，被安装在电机输出端。当电机处在工作状态时，经过电子元器件组成的检测装置将其检测到的信号转化成脉冲输出，便可计算出驱动电机转速。

３软件设计

智能精播机的软件设计主要为ＰＬＣ主程序。ＰＬＣ的编程语言包括两类５种：①图形表达，即顺序功能图（ＳＦＣ）、梯形图（ＬＤ）、功能块图（ＦＢＤ）；②文字表达，即指令表（ＩＬ）、结构文本（ＳＴ）。人机交互界面编程语言有ＶＢ、ＶＣ＋＋、ｐｙｔｈｏｎ等。为了使整个系统的程序保持统一，且简单易懂，ＰＬＣ选用指令表，人机交互界面使用ＶＣ＋＋。智能精播机接通电源后，首先进入系统初始化，然后在人机交互界面输入拖拉机前进速度、地轮直径、株距及风机流量等参数，点击“开始”按钮后，由ＰＬＣ进行逻辑运算，并将结果发送给变频器；变频器根据接收信息设定自身频率，控制驱动电机的转速，由驱动电机以规定速度带动其他机械设备进行精确播种作业。与此同时，传感器实时采集各个驱动电机的转速，并发送给ＰＬＣ进行比较处理，如果与设定参数所要求的转速不一致，则由变频器再次对驱动电机进行调节控制，实现种子的精确种植。

４功能测试

模拟实验以蚕豆为例，输入的开关量：拖拉机的速度为３ｍ／ｓ，地轮的直径为０．５ｍ，种子传输带长为３．９ｍ，宽２．６ｍ，排种盘负载转矩为８５～９５Ｎ•ｍ，设置蚕豆的株距分别为１５ｃｍ。一粒蚕豆重约０．９ｇ，根据种子质量，设置风机流量分别为５０ｍ３／ｈ，则种子传输带驱动电机速度约为１４００ｒ／ｍｉｎ，地轮电机的转速约１１５ｒ／ｍｉｎ，风机电机转速约为２６００ｒ／ｍｉｎ。实验播种蚕豆２００株，播种间距在（１５±１．５）ｃｍ内的视为合格，每穴种子粒数在１～２粒的视为合格。种子间距测试结果如表１所示。由表１可以看出：间距保持在（１５±１．５）ｃｍ的占９８％，不合格的占２％。每穴种子粒数测试结果如表２所示。由表２可以看出：每穴种子数量在１～２粒以内的占９７．５％，空穴占０．５％，每穴３粒需要间苗，也视为不合格，故不合格的占２．５％。

５结论

设计了智能精播机电气控制系统，以ＰＬＣ为控制中心，通过变频器改变种子传输带电机和地轮电机的转速，从而调整播种速度和种子间距；通过改变风机电机的转速，调整每穴种子的粒数，从而实现高效精准的播种作业。

作者:李楠 单位:长春汽车工业高等专科学校 汽车运用学院