陳為，羅 亞輝，胡文武，蔣蘋 ，彭凱，譚德權

(湖南農(nóng)業(yè)大學工學院，湖南 長沙 410128)

煙草的漂浮育苗現(xiàn)已成為煙區(qū)主要的育苗方法。漂浮育苗后期需多次剪葉，絕大部分使用橋式煙苗剪葉機。電動橋式剪葉機、地毯式漂浮育苗剪葉機等除需要人工輔助往復機構在橫梁上左右移動和整機沿著苗池過道的縱向行走外，還需專人負責供電電纜隨行，作業(yè)效率與質(zhì)量因人而異，自動化水平較低，很難全面達到湖南省農(nóng)機鑒定站提出的煙苗剪葉機鑒定標準(漏剪率≤5%，傷苗率≤5%，漏拾率≤5%，工作效率≥300 m2/h，連續(xù)工作時長≥4 h)。筆者運用無線遙控技術、傳感器技術、單片機技術等，對作業(yè)寬幅2.5 m 的YZY–ZD 橋式煙苗剪葉機設計了1 種控制系統(tǒng)，以期實現(xiàn)煙苗剪葉機的往復機構往復運動與整機縱向行走自動交互變換，從而達到剪葉機自動運行的目的[4–6]，并運用往復運動控制算法對往復機構進行速度控制，使往復機構停止和換向時減少沖擊，利用橫向往復電機能夠充當發(fā)電機(往復電機為24 V、60 W 直流永磁往復電機，在慣性沖擊下會產(chǎn)生反向電動勢，通過整流電路將電能回收給蓄電池充電。將往復電機的輸入線短接后，電機轉(zhuǎn)動產(chǎn)生的反向電動勢阻礙電機運轉(zhuǎn)，起到剎車作用)，吸收往復機構的動能發(fā)電，為蓄電池充電，實現(xiàn)動能回收，達到節(jié)能的目的。

1 設計原則

YJY–ZD 型橋式煙苗剪葉機如圖1 所示。以2個邊架支撐2 根橫梁，往復機構在橫梁上作往復運動，剪葉器固定在往復機構下端，為了使剪葉器以“弓”字形的軌跡覆蓋整個煙苗池，需要整機縱向行走與往復機構橫向往復運動交替進行。在控制系統(tǒng)的設計過程中，確定5個設計原則：①煙苗剪葉機在單人操作下作業(yè)，無需人工牽引或控制；②保證煙苗剪葉機的作業(yè)效率不變或有所提高；③基于單片機作為中央處理器來處理和控制信號，同一套系統(tǒng)能快速適應多種幅寬的苗池，保證通用性和操作簡便；④采用系列抗干擾措施，使整機工作穩(wěn)定可靠；⑤采用邏輯控制算法，避免誤操作和保證安全。

圖1 YJY–ZD 型橋式煙苗剪葉機 Fig.1 YJY–ZD bridge type leaf-cutting machine

2 控制系統(tǒng)的設計

2.1 控制系統(tǒng)的結(jié)構

控制系統(tǒng)需要執(zhí)行的動作包括：剪葉器電機開與關、橫向往復電機雙向動作、電控端頭解鎖機構啟停(電磁鐵通斷)、縱向行走電機雙向動作、消毒泵開與關、電動推桿伸縮(直流電機正反轉(zhuǎn))。執(zhí)行元件為直流電機和電磁鐵。電磁鐵直接用繼電器控制，直流電機分2 種：對于需要雙向動作的，采用直流電機驅(qū)動板控制；對于只需要啟停的采用繼電器控制。系統(tǒng)控制框圖如圖2 所示。

圖2 控制系統(tǒng) Fig.2 Block program for the control system

根據(jù)煙苗剪葉機的控制系統(tǒng)框圖，控制系統(tǒng)包括：上位機控制單元、無線傳輸單元、中央處理單元、電控執(zhí)行機構、傳感器檢測單元。傳感器檢測單元[3–5]主要是往復機構橫向往復運動位置檢測和縱向行走步長的檢測。橫向往復電機的位置傳感器是在其中1 根橫梁內(nèi)側(cè)相應位置安裝6個接近開關，用于感應往復機構在橫梁上的位置，其中靠近兩端的接近開關是在往復機構運動到接觸邊架時才觸發(fā)，其余4個以橫梁中間對稱安裝。縱向行走的位置傳感器是在縱向行走傳動機構中安裝1個接近開關，用于采集縱向行走實際的步長信號次數(shù)。為了達到設計目標，控制系統(tǒng)準確判斷執(zhí)行控制程序，控制往復機構在橫梁上橫向往復與整機縱向行走的準確及時切換，以使剪葉器順利完成“弓”字形運動軌跡，對剪葉機剪葉效率和質(zhì)量至關重要。系統(tǒng)控制邏輯循環(huán)如圖3 所示。

圖3 聯(lián)合控制循環(huán) Fig .3 Logic diagrams of the combination control

1) 以STC12C5A60S2 單片機作為中央處理單元，通過NRF905 無線接收模塊接收遙控指令信號，或者按照電控盒上的按鍵選擇作業(yè)模式。

2) 通過多路霍爾接近開關，獲得往復機構在橫梁的位置和時間參數(shù)，從而計算出往復機構的運行速度，單片機運用控制算法產(chǎn)生控制信號，綜合運算控制往復機構的加速度，達到控制往復機構高效平穩(wěn)作業(yè)的要求，判斷往復運動到縱向行走的切換時間，并以此標定為往復運動的“時間終點”和縱向行走的“時間起點”，控制往復運動到縱向行走的準確切換。

3) 通過單路霍爾接近開關傳感器，獲得縱向行走步數(shù)參數(shù)和時間，單片機根據(jù)傳感器傳回的信號，計算出縱向行走的運行速度，并發(fā)送控制信號，控制縱向行走的平穩(wěn)變速啟停。判斷縱向行走到往復運動的切換時間，并以此作為往復運動的“時間起點”和縱向行走的“時間終點”，控制縱向行走到往復運動的準確切換。

4) 霍爾接近開關的開關量信號通過T1P521－M4 進行光耦隔離，再傳給中央處理單片機，中央處理單片機發(fā)出的控制信號同樣通過T1P521－M4 進行光耦隔離，再輸出控制各繼電器或者直流電機驅(qū)動模塊，由繼電器或者直流電機驅(qū)動模塊直接控制驅(qū)動馬達等，同時將改變后的狀態(tài)通過傳感器反饋至中央處理單元進行比較，實現(xiàn)對縱向行走和往復運動的閉環(huán)控制。

5) 控制過程中，電控端頭解鎖機構中的棘輪自鎖裝置能使往復機構在每次完成橫向往復運動后都能緊靠邊架，在整機縱向行進中，保障剪葉器能覆蓋苗池邊沿的煙苗，只有在其電磁鐵通電解鎖后，才能解除棘輪的鎖止，使橫向往復機構完成下一往復過程。

2.2 下位機硬件電路的設計

為了維修方便并降低維修成本，對控制電路進行了模塊化設計，將控制電路分為3 部分：中央控制單元、繼電器電路、直流電機驅(qū)動電路。

中央處理單元電路如圖4。主控芯片采用STC12C5A60S2 單片機， 該單片機具有8個ADC 轉(zhuǎn)換通道，2 路可編程PWM 和4個16 位定時器，能夠?qū)崿F(xiàn)多傳感器的信號采集處理。該單元通過2.4 GHz 的無線通訊模塊與上位機進行數(shù)據(jù)通訊，主要包括直流穩(wěn)壓電源、晶振電路和其他外圍擴展電路。圖4 中區(qū)域1 為電源電路，剪葉機由24 V 蓄電池供電，接近開關、繼電器線圈和電磁鐵電壓為12 V，單片機電壓5 V。電源電路將24 V 電壓經(jīng)過DC–DC 轉(zhuǎn)換為12 V，再經(jīng)過7805 芯片轉(zhuǎn)換為5 V，得到3 種電壓，因此，外部24 V 供電的電氣啟停時的電壓沖擊不影響電路后面12 V和5 V電壓源供電傳感器的數(shù)據(jù)采集，5 V 為中央處理單片機供電。由于7805 芯片降壓后的帶載能力有限，增加1 路24 V 直接經(jīng)過7805 降壓成5 V 的電路，用于其他芯片的供電，使整體供電可靠性有保障。區(qū)域2 為發(fā)電整流充電電路，將往復機構所發(fā)出的不穩(wěn)定的電轉(zhuǎn)換成穩(wěn)定的30 V 電壓，為蓄電池充電。區(qū)域3為光耦隔離電路，采用的是5 kHz 以上的光耦，能有效保障通信通暢，轉(zhuǎn)換不失真。區(qū)域4 為中央處理器單片機和附屬電路，單片機的I/O 口與無線通信模塊之間采用光耦隔離，且采用不同的5 V 供電徹底隔離，可有效避免無線通信與單片機之間的相互干擾。

圖4 中央處理單元電路 Fig.4 Scheme of central processed unit circuit

直流電機驅(qū)動電路(圖5)直接與中央控制單元連接，繼電器電路(圖6)通過485 通信將信號傳輸給中央處理單元?？刂齐娐分械闹绷麟姍C驅(qū)動電路和繼電器驅(qū)動電路容易發(fā)生過熱失效，單個直流電機驅(qū)動模塊相對獨立，可以單獨更換。所有的繼電器控制集中在1 塊獨立的電路板上，這樣能最大程度消除繼電器吸合帶來的干擾。全部模塊置于控制盒中，在控制盒外只留有不同型號的標準的航空接頭，以便安裝。

圖5 直流電機驅(qū)動電路 Fig.5 Scheme of DC motor driven circuit

圖6 繼電器電路 Fig.6 Scheme of relay circuit

2.3 往復運動控制算法

控制系統(tǒng)核心是控制算法[12–13]，煙苗剪葉機控制系統(tǒng)的核心是往復運動控制算法。往復運動控制算法是控制往復電機的加速、動能回收、剎車制動、端頭自鎖電控解鎖、橫向行走與縱向行走切換，再反復循環(huán)。以橫向往復機構從左向右運動為例，對往復電機的控制邏輯參數(shù)設定見表1。

表1 單片機信號的采集與控制 Table 1 Signals collected and controlled by SCM

算法是通過對全速運行持續(xù)時間 nT1′ 、動能回收狀態(tài)持續(xù)時間 nT1′′ 和短路制動狀態(tài)持續(xù)時間 nT1′及其占空比的調(diào)整，達到設定的高速往復作業(yè)速度，同時為避免往復機構運動到端頭時速度太大造成沖擊，將往復機構的慣性動能帶動往復電機發(fā)電，為蓄電池充電，實現(xiàn)動能回收。如果靠近端頭末端的速度仍然過快，則使用短路制動，避免沖擊。

Tn表示往復機構第n次從左向右運行的實時的時長(ms)，T0= T '0=2 400 ms。

T 'n表示往復機構第n次從右向左運行的實時的時長(ms)。

D1n表示往復機構第n+1次從左向右運行的占空比(%)。

F1n表示往復機構第n次從左向右運行，接近開關4 觸發(fā)到接近開關5 觸發(fā)的時間長參數(shù)(ms)，

3 剪葉試驗

2013年3月，在湖南省桂陽縣正和煙草站育苗大棚進行了剪葉試驗。漂浮苗池寬2.5 m，長度分別為30 和60 m，苗盤為10×20 穴泡沫苗盤，煙苗平均高度130 mm，修剪高度100 mm。任意抽取其中10 盤。剪葉結(jié)果表明，傷苗率為0.4%，遠低于設計要求的1%，說明剪葉機高速往復運動時對煙苗沒有傷害；漏剪率為0.55%，遠低于設計要求的5%，說明剪葉機的漏剪率很低；漏拾率為0.4%，遠低于設計要求的5%，說明集葉效果很好，基本沒有殘葉。隨機選取30 m 長苗池，完成剪葉所用時間約6.5min，剪葉效率達692 m2/h。

圖7 算法流程 Fig.7 Algorithm flowchart

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