电动推杆的玉米剥皮机控制系统研究

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摘要：1系统硬件设计 1.1电动推杆的选型 本设计中，玉米剥皮机测试平台重量约为1.5吨左右，故本文选用两个推拉力为1吨的电动推杆作为本系统中的执行机构。目前电动推杆的类型有很多，包括梯形丝杆式，滚珠丝杆式，行星滚珠丝杆式，行星滚柱丝杠等。本文所采用的是

　　1系统硬件设计

　　1.1电动推杆的选型

　　本设计中，玉米剥皮机测试平台重量约为1.5吨左右，故本文选用两个推拉力为1吨的电动推杆作为本系统中的执行机构。目前电动推杆的类型有很多，包括梯形丝杆式，滚珠丝杆式，行星滚珠丝杆式，行星滚柱丝杠等。本文所采用的是梯形丝杆式电动推杆，推拉力为1吨，行程250毫米，速度10毫米/秒，功率为400瓦。图2为HDL40型电动推杆实物图：

　　1.2伺服电机与伺服驱动器

　　电动推杆需要电机来进行驱动，传统的步进电机控制简单，属于开环控制，成本低，但是控制精度低，不能进行高速运作；交流伺服电机属于闭环控制，控制精度相对较高，响应速度快，能够高速运作。因此，本文选用台达电子的交流伺服电机来驱动推杆，此款伺服电机的输出为3000r/min，1.27N.m，能够满足设计要求。该款伺服电机需要通过伺服控制器来驱动，本文采用台达ASDA-AB型伺服驱动器来进行驱动电机，该伺服驱动器具有点动、位置、速度、扭矩等多种控制，具有RS232通讯接口，方便与PC相连通过上位机对整个系统进行控制。同时，该伺服驱动器的整定时间低于1ms，速度相应频宽450Hz。图3为伺服驱动器的连接图：2.3限位开关本文所选用的电动推杆的行程是250mm，为了防止电动推杆在升降过程中超出行程致使电机过载而导致电动推杆以及电机的损坏，本设计中将在电动推杆的两个端点处各加一个限位开关，用来保证推杆超出行程时及时切断电源，保护伺服电机不受损坏。限位开关实际上是一个电磁开关，在电动推杆内部的丝杆上加一圈磁点，当磁点接触到限位开关时，限位开关的常闭触点断开，电路变为开路，从而切断电源，保护伺服电机不至于过载而损坏。

　　2电动推杆的软件设计

　　2.1电动推杆的控制

　　本文采用伺服驱动器的位置控制模式，即伺服驱动器接受位置命令，控制电机达到目标位置。传统的位置控制只是给电机加载一个脉冲，使电机转动固定的圈数，带动电动推杆达到指定的目标位置。这种控制方法响应速度慢，而且没有反馈回路，控制精度低，不能够准确的达到实际需要的位置，容易导致电动推杆超出行程以及电机过载、损坏[3]。由于伺服驱动器可以直接连接旋转变压器或者编码器，构成速度、位置控制闭环，从而实现对执行机构的精确控制。对于闭环控制而言，最常用的是比例积分微分（PID）控制。PID控制应用范围广，参数易整定，设计中只需要设定三个参数：放大倍数、积分时间常数和微分时间常数，并且三个参数可以根据过程的动态特性及时整定[4]。图4为PID控制的结构图：

　　2.2上位机设计

　　本设计中需要实现电动推杆的精确控制，其中包括了同步寸动控制、同步位置控制等，为了实现电动推杆的精确控制，即要对伺服驱动器的相应参数进行调整与测试，同时，由于要通过上位机对两个电动推杆进行同步控制，本设计中通过将伺服驱动器驱动连线的整合，把数据从上位机同时发送给两个伺服驱动器，从而实现对电动推杆的同步控制。本文设计的上位机软件界面如图5。

　　3系统测试与分析

　　本文通过查阅大量文献，并经过多次实验，调整数据，在一个采样周期内，得到如图6所示的四个测试数据相应波形。如图A所示，此波形中，放大倍数过大，导致系统超调，又由于微分时间常数稍大，所以引起系统震荡，需要进一步调整；图B所示，降低了系统的放大倍数，降低了系统的积分时间常数，即增大了系统的积分系数，避免了超调现象，减小了系统的震荡，但是，系统的响应速度慢，响应时间过长；图C在图B的基础上提高了系统的积分时间常数，得到了一个相对稳定，响应速度相对较快的曲线，但是我们可以从波形图看出，在到达系统预设值之前，系统还是会出现轻微的震荡；图D在图C的基础上降低了微分时间常数，同时提高了放大倍数，进而得到了一个比较平滑、响应速度快，系统稳定不震荡、不超调的响应曲线，这就是我们经过大量实验之后得到的最优曲线，该曲线的放大倍数为7；积分时间常数为2.3；微分时间常数为0.2。在该曲线的控制模式下，电动推杆能够以很快的响应速度并且准确地达到预设位置，误差在±0.02mm之内，符合本文的设计要求，系统运行稳定，控制精确可靠。本文来自于《吉林农业大学学报》杂志。吉林农业大学学报杂志简介详见

　　4结论

　　本文研究设计了一种基于电动推杆的玉米剥皮机测试平台角度控制系统，通过增量式PID控制算法对系统双伺服位置闭环结构进行精确控制，利用上位机软件实现了对双伺服驱动器的同步控制，并设置了限位零点，提高了系统的响应速度以及控制精度，加强了同步运行的稳定性。通过该角度平台控制系统的设计，对玉米剥皮机工作平台角度同步精确调整提供了新方法。

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