大型高精度車載式施藥機(jī)的伺服帶寬研究

賈功流

（安徽省康禾農(nóng)林病蟲害綜合防治有限公司，安徽 合肥230000）

隨著各行病蟲害是導(dǎo)致農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)量降低的主要原因之一，在施藥機(jī)械中，系統(tǒng)控制能力起著決定性作用，它是施藥機(jī)械自動(dòng)噴施、提高農(nóng)藥利用率的關(guān)鍵性部件，也是實(shí)現(xiàn)多角度精準(zhǔn)施藥控制的核心部件。但是，從施藥機(jī)械現(xiàn)狀來看，采用純手動(dòng)控制、低精度控制的系統(tǒng)控制方式較多，所以，提升施藥機(jī)械控制系統(tǒng)精度，使其控制效果及其實(shí)用化更符合用戶要求成為關(guān)鍵性問題。

本文針對(duì)新型車載式大型施藥系統(tǒng)，將三路閉環(huán)控制方法應(yīng)用到施藥機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)的伺服控制中，設(shè)計(jì)了伺服控制器，經(jīng)仿真研究，該控制器具有較高帶寬和響應(yīng)能力。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及組成

系統(tǒng)由載車及施藥機(jī)組成。施藥機(jī)由轉(zhuǎn)臺(tái)及噴藥筒組成。轉(zhuǎn)臺(tái)主要由電機(jī)、減速機(jī)、編碼器，雙片齒輪，驅(qū)動(dòng)齒輪、扇形齒輪，等組成。電機(jī)經(jīng)減速機(jī)帶動(dòng)小齒輪，從而帶動(dòng)扇形齒輪，實(shí)現(xiàn)天線座的旋轉(zhuǎn)。材料選用鑄鋁ZL201。

圖1 車載式施藥機(jī)結(jié)構(gòu)布局圖

設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)臺(tái)要求支座具有高的剛度，負(fù)載部分需要低的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，這樣可以有效地降低軸系驅(qū)動(dòng)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)力矩，同時(shí)可以進(jìn)一步提高系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)指標(biāo)，俯仰支座負(fù)責(zé)支撐噴藥筒，負(fù)載及驅(qū)動(dòng)電機(jī)，其設(shè)計(jì)的優(yōu)劣直接關(guān)系到整個(gè)天線座的穩(wěn)定性和精度。必須穩(wěn)固扎實(shí)，因此要有較大的質(zhì)量和較高的固定頻率。轉(zhuǎn)臺(tái)內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)組成圖

2 系統(tǒng)建模

首先建立系統(tǒng)的等效模型，在模型的基礎(chǔ)上根據(jù)系統(tǒng)要求的性能指標(biāo)對(duì)系統(tǒng)的電流閉環(huán)、速度閉環(huán)、位置閉環(huán)進(jìn)行了設(shè)計(jì)與仿真。采用串聯(lián)校正的方法設(shè)計(jì)雷達(dá)三閉環(huán)控制系統(tǒng)，通過三環(huán)各自的開環(huán)特性分析系統(tǒng)的穩(wěn)定性能，在三閉環(huán)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中，采用的從內(nèi)環(huán)到外環(huán)逐步設(shè)計(jì)的方法，按照控制要求設(shè)計(jì)控制器，可以保證每個(gè)控制環(huán)都是穩(wěn)定的，內(nèi)環(huán)能夠抑制電機(jī)電流和速度的擾動(dòng)，減小對(duì)位置回路的影響。在由內(nèi)環(huán)到外環(huán)的等效過程中，三個(gè)回路的截止頻率由內(nèi)到外逐漸減小，位置環(huán)的截止頻率最低，這樣設(shè)計(jì)會(huì)在一定程度上降低系統(tǒng)的響應(yīng)速度，降低了位置回路的帶寬。

圖3 伺服系統(tǒng)組成

本節(jié)首先通過機(jī)理建模方法，分別給出放大電路、直流伺服電機(jī)的數(shù)學(xué)模型，最后在機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方程基礎(chǔ)上建立整體的數(shù)學(xué)模型。

放大電路：

上式中，Ke為反電動(dòng)勢(shì)系數(shù)，kpwn為放大系數(shù)，Ra為電樞電阻，L 表示電樞電感，I 表示電樞電流，Km為力矩傳遞系數(shù)。

因此，先設(shè)計(jì)電流控制器，然后把整個(gè)電流環(huán)看作是速度控制環(huán)中的一個(gè)環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)速度控制器，最后把整個(gè)速度環(huán)看作位置環(huán)中的一個(gè)環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)位置控制器。并依據(jù)以下框圖在SIMULINK 中建立系統(tǒng)仿真模型。

3 仿真分析

位置環(huán)的作用是通過給定的脈沖指令使電機(jī)準(zhǔn)確定位，并且電機(jī)的轉(zhuǎn)速與位置完全由給定脈沖來決定，通過設(shè)定的目標(biāo)位置與電機(jī)的實(shí)際位置相比較，利用其偏差通過位置調(diào)節(jié)器來產(chǎn)生電機(jī)的速度指令，從而保證系統(tǒng)靜態(tài)精度和動(dòng)態(tài)跟蹤的性能。則要求位置環(huán)定位精度要高且響應(yīng)無超調(diào)。

通過位置環(huán)階躍響應(yīng)可以看出，超調(diào)量為9.8%，上升時(shí)間0.576s。通過閉環(huán)bode 圖判定位置環(huán)閉環(huán)穩(wěn)定，位置閉環(huán)帶寬達(dá)到2.2Hz，見圖4 及圖5。也可以調(diào)整控制器參數(shù)，使帶寬為0.5Hz 和1Hz，可滿足寬范圍帶寬變化要求。

圖4 位置環(huán)階躍響應(yīng)

圖5 位置環(huán)BODE 圖

4 結(jié)論

本文描述了高精度閉環(huán)控制施藥機(jī)的結(jié)構(gòu)形式、組成及控制系統(tǒng)。根據(jù)系統(tǒng)要求的性能指標(biāo)對(duì)系統(tǒng)的電流閉環(huán)、速度閉環(huán)、位置閉環(huán)進(jìn)行了設(shè)計(jì)與仿真。通過階躍仿真及BODE 圖仿真，獲得了可調(diào)帶寬的傳動(dòng)能力，達(dá)到了理想的跟蹤效果。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、可靠，在大型高精度車載式施藥機(jī)的伺服系統(tǒng)中具有應(yīng)用價(jià)值。