小区播种机控制系统论文

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1硬件设计

1．1CPU选型

根据永磁同步电动机伺服控制系统的特点，常采用DSP、ARM和FPGA作为CPU实现PMSM伺服控制。本文采用TI公司32位电机控制专用DSP芯片TMS320F28335作为CPU。TMS320F28335时钟频率可达150MHz;具有256KFLASH，16KSRAM，便于系统的扩展;具有6路对称PWM输出，输出位数可达16位;具有16路12位高速A/D转换通道，转换时间可达80ns;具有独立的浮点核运算单元，计算正余弦函数仅需37个时钟周期。因此，针对反电势为正弦波的永磁同步电动机的控制，TMS320F28335具有其他CPU无可比拟的优势。

1．2信号隔离模块

小区播种机工况复杂，电流变换范围宽。为减小永磁同步电动机运转过程中对A/D转换通道及CPU的影响，增强系统工作稳定性，提高控制精度，CPU与永磁同步电动机隔离供电。传统的光电耦合器，带宽较窄，在上升沿及下降沿时波形容易发生畸变，并且光电耦合器属于易损器件。本文中，采用数字隔离器对DSP的PWM模块与三相逆变器部分进行隔离，所采用型号为TI公司ISO7140。ISO7140最大传输速率可达50Mbps，每个隔离通道都有一个绝缘隔栅分开的逻辑输入和输出缓冲器，并在输入端上有集成滤波器，可有效防止PWM总线或PMSM供电部分的噪声电流进入CPU供电系统，稳定性更高DGND为CPU供电系统电源数字地，MGND为三相逆变器电源地，HIN、LIN、SD、FLT－CLR为三相逆变器中，MOSFET驱动芯片IR2131引脚。

1．3三相逆变器

小区播种机排种器伺服电机的工作电流一般为1～3A。为降低成本，提高功率放大模块的稳定性，采用IR公司MOSFET驱动芯片IR2131驱动分离MOS-FET实现永磁同步电动机的全桥驱动，功率放大部分电路原理图。MOSFET型号为IRF3910，续流二极管型号为30WQ06F。0．22Ω电阻为母线过流采样电阻，采样电压经两个10kΩ分压后，送往ITRIP引脚。当ITRIP引脚电平高于0．5V时，将触发刹车功能，封锁IR2131输出，同时将FAULT引脚置高，过流指示灯亮。FLT－CLR引脚可清除FAULT引脚高电平，解除IR2131输出封锁。SD引脚为强制刹车触发引脚，当其为高电平时，强制触发IR2131刹车功能。

1．4电流采样

根据系统的工作电流范围，采用霍尼韦尔电流互感器CSNE150－100对PMSM母线电流采样。采样电阻Rs将CSNE150－100输出的电流信号转化为电压信号。R1、R2、C1、C2、Rf与差分运算放大器AMP1构成MFB型二阶有源低通滤波器，截止频率为之所以采用两级运放构成放大与滤波电路是因为反向比例运算放大电路具有更高的输入阻抗及更低的输出阻抗。同时，滤波与放大电路分离设计更利于电路参数的计算。

2软件设计

实现永磁同步电动机速度控制，一般采用两环控制结构，内环为电流/转矩环，外环为速度环。电流/转矩常采用的控制方法为矢量控制。矢量控制利用abc－dq变换将三相旋转坐标系转换为两相静止坐标系，采用类似于直流电机的控制方法对PMSM进行控制。矢量控制能够取得平稳的电磁转矩，但是需要复杂的坐标变换。本文采用相电流直接控制方法实现PMSM电流/转矩环的控制，避免了复杂的坐标变换。

3试验验证

为验证改进后的小区播种机排种器的控制效果。采用了类似文献的试验验证方法。固定播种机作业距离为3m。理论上，当播种机作业结束时，排种器应旋转360°。试验中，分别设定播种器的速度为2．5、3．5、4．0km/h和变速进行作业。变速作业时，速度范围为2．5～4．0km/h。每个速度形式分别进行5组试验。作业结束时，记录排种器上所装备的2500线光电编码器的输出脉冲个数，并取其5组试验的平均值，作为评估排种器控制精度的依据。

4结论

设计了采用永磁同步电动机作为执行机构的小区播种机排种器伺服控制系统。采用永磁同步电动机代替步进电机，体积更小。采用相电流直接控制法，无需经过复杂的数学变换即可获得平稳的电磁转矩，简化了控制结构。试验结果表明:基于永磁同步电动机的控制系统避免了步进电机的失步问题，匀速时控制精度更高;变速时，控制误差虽然有所增大，但是仍能满足控制要求。所设计的控制系统质量小，价格低，控制简单，控制精度高，具有推广应用价值。

作者：张健龚丽农单位：青岛农业大学