CN108207213B - 一种基于gps的电驱式排种器控制系统 - Google Patents

一种基于gps的电驱式排种器控制系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于GPS的电驱式排种器控制系统，包括电源、主控板、电平转换电路、GPS测速模块、直流无刷电机、直流无刷电机驱动器和升压模块，其中电源对主控板和升压模块供电，GPS测速模块由主控板供电，升压模块对直流无刷电机驱动器供电，直流无刷电机驱动器驱动直流无刷电机。本发明有效地解决了测速轮打滑的问题，提高了高速状态下的播种质量；播种机无需再加装测速轮，降低了机器结构的复杂程度；降低了对环境的要求，GPS受灰尘、风雨影响较之于编码器小；GPS模块可以采集更多有效信息，有利于未来系统功能的拓展。

Description

一种基于GPS的电驱式排种器控制系统
技术领域
本发明属于农业机械技术领域，特别涉及一种基于GPS的电驱式排种器控制系统。
背景技术
近年来，电驱式排种器发展迅速，相比于传统的排种器，电驱式排种器不受地轮打滑和链条跳动的影响，在当今智能农业的大趋势下，电驱式排种器由于易实现自动化的特点，应用前景广阔，其播种效果主要受控制系统的影响，而控制系统的效果主要受获取的作业机械前进速度精确度的影响，目前采集速度的主流方法是在测速轮上加装旋转编码器，这种方式在低速状态下能够准确获取作业机械前进速度，但是在高速状态下测速轮会发生较为严重的滑移现象，编码器采集到的速度信息和实际速度存在较大偏差，这将对播种质量产生不良影响。
为此，本发明提出了一种新的控制系统，首先可以避免测速轮打滑的问题，提高播种质量，其次播种机无需再加装测速轮，降低了机器结构的复杂度，最后，GPS模块可以采集更多有效信息，有利于未来系统功能的拓展。
发明内容
为实现本发明之目的，采用以下技术方案予以实现：
一种基于GPS的电驱式排种器控制系统，包括电源、主控板、电平转换电路、GPS测速模块、直流无刷电机、直流无刷电机驱动器和升压模块，其中：电源对主控板和升压模块供电，GPS测速模块由主控板供电，升压模块对直流无刷电机驱动器供电，直流无刷电机驱动器驱动直流无刷电机。
所述的控制系统，其中：GPS测速模块通过电平转换电路将采集的GPS报文传送到主控板，主控板解析收到的GPS报文以得到作业机械的前进速度。
所述的控制系统，其中主控板用于接收GPS测速模块发送的报文并进行处理：(1)接收GPS测速模块发送的报文并将其存储，(2)解析报文，(3)得到作业机械前进速度，(4)根据机械前进速度确定直流无刷电机的转速。
所述的控制系统，其中:主控板接收GPS测速模块发送的报文并进行处理的具体方式如下：
(1)a1.定义最大接收缓存字节数MAX_LEN；a2.定义字符型数组GPSRMC_BUF[MAX_LEN]，作为GPS报文缓冲；a3.配置主控制器片上串口参数，波特率和GPS测速模块保持一致，接收GPS报文，之后将接收到的GPS报文存储到字符型数组GPSRMC_BUF[MAX_LEN]；
(2)b1.查询字符型数组GPSRMC_BUF[MAX_LEN]中出现的第一个"$GPRMC"所在的地址pos；b2.查询自pos地址处出现的第7个“，”字符，并记录其距pos的偏移量offset；
(3)c1.提取pos+offset地址处的字符并将其转换为数值型，得到了作业机械的前进速度v；
(4)d1.根据(3)中得到的作业机械的前进速度v，配置片上定时器输出一定占空比的PWM波；d2.直流无刷电机驱动器根据接收到的PWM波占空比控制直流无刷电机。
所述的控制系统，其中d1中：片上定时器参数x由以下算式确定:
x＝(1852×v×i×Arr)/(60×l×n×w_0)；
式中：
v——作业机械前进速度(knots/h)；
i——直流无刷电机和排种盘的传动比；
Arr——定时器自动重装载寄存器的值(取值45000)；
l——株距(m)；
n——排种盘型孔数；
w_0——PWM波占空比为100％情况下电机转速(rad/min)。
所述的控制系统，其中：主控板上设有第一电源转换电路,第一电源转换电路包括：调压芯片UE1，其管脚1接二极管DE1的负极，DE1正极经熔断器FE1接12V电源，管脚1还接稳压二极管DE2的负极，DE2正极接地；电解电容CE1正极接管脚1，负极接地；管脚3、5接地；管脚2接稳压二极管DE3负极，DE3正极接地，管脚2与电感LE1的第一端连接，LE1第二端接电解电容CE2的正极，CE2正极还接管脚4，电解电容CE2负极接地；电解电容CE2与电解电容C10并联连接,LE1第二端作为5v电压输出端。
所述的控制系统，其中：主控板上设有第二电源转换电路，第二电源电压转换电路包括：低电压调节器，该调节器的管脚3接LE1第二端，管脚3接电解电容CE4的正极，电解电容CE4负极接地；调节器管脚4输出3.3V电压，管脚4接电解电容CE5的正极，电解电容CE5负极接地；调节器的接地端接地。
所述控制系统按如下方式控制排种器工作：
(1)将主控板和升压模块连接到拖拉机电源上，驱动器线和排种器驱动电机正确连接；
(2)开启主控板开关，主控板上电后给GPS测速模块供电；
(3)GPS测速模块初始化完成后将接收到的GPS报文传送到主控板；
(4)主控板上的LED灯以接收GPS报文的频率闪动，主控板处理器对报文进行解析，从中提取出速度信息；
(5)根据提取出的速度信息，处理器配置片上定时器参数，将一定占空比的PWM波传送到直流无刷电机驱动器；
(6)直流无刷电机驱动器根据主控板发送的PWM波控制排种器电机以一定的速度转动；
(7)排种器开始播种。
一种播种机，其中，包括如上之一所述的排种器控制系统。
附图说明
图1为一种基于GPS的电驱式排种器控制系统的结构示意图；
图2为第一电源转换电路；
图3为第二电源转换电路。
图1中附图标记说明如下：1-AC220V-DC12V开关电源(KL-1210)，2-主控板,3-TTL-RS232电平转换模块(MAX3232ESE),4-GPS测速模块(UB-355)，5-直流无刷电机(57BL110S30-3150TF0),6-直流无刷电机驱动器(直流无刷电机驱动器),7-DC12V-DC24V升压模块(EV120-T1224)。
具体实施方式
如图1所示，基于GPS的电驱式排种器控制系统包括AC220V-DC12V开关电源1、主控板2、TTL-RS232电平转换模块3、GPS测速模块4、直流无刷电机5、直流无刷电机驱动器6、DC12V-DC24V升压模块7。
其中AC220V-DC12V开关电源1分别对主控板2和DC12V-DC24V升压模块7供电，GPS测速模块4由主控板上的5V接口供电，DC12V-DC24V升压模块7对直流无刷电机驱动器6供电，直流无刷电机驱动器6驱动直流无刷电机5。GPS测速模块4通过TTL-RS232电平转换模块3将采集的GPS报文传送到主控板2，主控板2上的STM32F105RCT6处理器解析收到的GPS报文以得到作业机械的前进速度，进而通过一定的算法控制片上定时器输出相应占空比的PWM波作为直流无刷电机驱动器6的控制信号，实现对直流无刷电机5转速的精确控制。
主控板2搭载的处理器型号为STM32F105RCT6，主控板2搭载LED指示灯用以指示当前是否收到GPS报文，优选的TTL-RS232电平转换模块3可集成在主控板2上。主控板2用于接收GPS测速模块4发送的报文并进行处理：(1)接收GPS测速模块4发送的报文并将其存储，(2)解析报文，(3)得到作业机械前进速度，(4)根据机械前进速度确定直流无刷电机5的转速。
主控板2接收GPS测速模块4发送的报文并进行处理的具体方式如下：
(1)a1.定义最大接收缓存字节数MAX_LEN；a2.定义字符型数组GPSRMC_BUF[MAX_LEN]，作为GPS报文缓冲；a3.配置主控制器STM32F105RCT6片上串口参数，波特率和GPS测速模块保持一致，接收GPS报文，之后将接收到的GPS报文存储到字符型数组GPSRMC_BUF[MAX_LEN]；
(2)b1.查询字符型数组GPSRMC_BUF[MAX_LEN]中出现的第一个"$GPRMC"所在的地址pos；b2.查询自pos地址处出现的第7个“，”字符，并记录其距pos的偏移量offset；
(3)c1.提取pos+offset地址处的字符并将其转换为数值型，得到了作业机械的前进速度v；
(4)d1.根据(3)中得到的作业机械的前进速度v，配置片上定时器输出一定占空比的PWM波；d2.直流无刷电机驱动器6根据接收到的PWM波占空比控制直流无刷电机5；其中d1中：片上定时器参数x(定时器捕获比较值寄存器的值)由以下算式确定:
x＝(1852×v×i×Arr)/(60×l×n×w_0)
式中：
v——作业机械前进速度(knots/h)；
i——直流无刷电机和排种盘的传动比；
Arr——定时器自动重装载寄存器的值(取值45000)；
l——株距(m)；
n——排种盘型孔数；
w_0——PWM波占空比为100％情况下电机转速(rad/min)。
上式中X是捕获比较值寄存器的值，Arr为自动重装载寄存器的值，定时器工作时，计数器从0开始计数，小于x的值时，输出高电平，大于x的值时，输出低电平，即自动重装载寄存器Arr的值决定pwm周期，捕获比较值寄存器的值X决定占空比。
由于GPS测速模块4的工作电压为5V，主控制器的工作电压为3.3V，而系统所采用的电源电压为拖拉机电瓶电压源(12V)，因此主控板上设有第一电源转换电路和第二电源转换电路以进行电压转换。
如图2所示，第一电源转换电路包括：调压芯片UE1(例如LM2596S)，其管脚1接二极管DE1的负极，DE1正极经熔断器FE1接12V电源，DE1为防反接二极管，防止电源正负极接反损坏芯片；管脚1还接稳压二极管DE2的负极，DE2正极接地；电解电容CE1正极接管脚1，负极接地；调压芯片UE1的管脚3、5接地；管脚2接稳压二极管DE3负极，DE3正极接地，管脚2与电感LE1的第一端连接，LE1第二端接电解电容CE2的正极，CE2正极还接管脚4，作为反馈输入，电解电容CE2负极接地；电解电容CE2与电解电容C10并联连接。LE1第二端作为5v电压输出端，为GPS通信模块供电。DE2、DE3为瞬态电压保护二极管，防止电源浪涌电压；CE1、CE2为储能电容，用于抑制输入电流的瞬变；C10为滤波电容，用于减小电源的波纹电压。
如图3所示，第二电源电压转换电路包括：低电压调节器(如LM1117DT)，该调节器的输入端(管脚3)接LE1第二端，管脚3接电解电容CE4的正极，电解电容CE4负极接地；调节器输出端(管脚4)输出3.3V电压，为主控制器供电，管脚4接电解电容CE5的正极，电解电容CE5负极接地；调节器的接地端接地。CE4和CE5都是滤波电容，用于减小波纹电压。
所述系统按如下方式控制排种器工作：
(1)基于GPS的电驱式排种器控制系统安装在播种机上，电源线接好(在田间作业时，由于拖拉机自带电源为12v，故不需要开关电源，直接将主控板2和DC12V-DC24V升压模块7连接到拖拉机电源上即可)，驱动器线和排种器驱动电机正确连接；
(2)开启主控板开关，主控板2上电后给GPS测速模块4供电；
(3)GPS测速模块4初始化完成后将接收到的GPS报文传送到主控板2；
(4)主控板2上的LED灯会以接收GPS报文的频率闪动，同时，主控板2上的STM32F105RCT6处理器会对报文进行解析，从中提取出速度信息；
(5)根据提取出的速度信息，STM32F105RCT6处理器配置片上定时器参数，将一定占空比的PWM波传送到直流无刷电机驱动器6；
(6)直流无刷电机驱动器6根据主控板2发送的PWM波控制排种器电机以一定的速度转动；
(7)排种器开始播种。
本发明所述的直流无刷电机驱动器6，采用闭环控制，转速误差小，低速转矩大。本发明和现有技术相比具有以下优点：有效地解决了测速轮打滑的问题，提高了高速状态下的播种质量；播种机无需再加装测速轮，降低了机器结构的复杂程度；降低了对环境的要求，GPS受灰尘、风雨影响较之于编码器小；GPS模块可以采集更多有效信息，有利于未来系统功能的拓展。

Claims (3)

1.一种基于GPS的电驱式排种器控制系统，包括电源、主控板、电平转换电路、GPS测速模块、直流无刷电机、直流无刷电机驱动器和升压模块，其特征在于：电源对主控板和升压模块供电，GPS测速模块由主控板供电，升压模块对直流无刷电机驱动器供电，直流无刷电机驱动器驱动直流无刷电机；主控板用于接收GPS测速模块发送的报文并进行处理，具体方式如下：
(1)a1.定义最大接收缓存字节数MAX_LEN；a2.定义字符型数组GPSRMC_BUF[MAX_LEN]，作为GPS报文缓冲；a3.配置主控制器片上串口参数，波特率和GPS测速模块保持一致，接收GPS报文，之后将接收到的GPS报文存储到字符型数组GPSRMC_BUF[MAX_LEN]；
(2)b1.查询字符型数组GPSRMC_BUF[MAX_LEN]中出现的第一个"$GPRMC"所在的地址pos；b2.查询自pos地址处出现的第7个“，”字符，并记录其距pos的偏移量offset；
(3)c1.提取pos+offset地址处的字符并将其转换为数值型，得到了作业机械的前进速度v；
(4)d1.根据(3)中得到的作业机械的前进速度v，配置片上定时器输出一定占空比的PWM波；d2.直流无刷电机驱动器根据接收到的PWM波占空比控制直流无刷电机；
所述的控制系统，其中d1中：片上定时器参数x由以下算式确定:
x＝(1852×v×i×Arr)/(60×l×n×w_0)；
式中：
v——作业机械前进速度(knots/h)；
i——直流无刷电机和排种盘的传动比；
Arr——定时器自动重装载寄存器的值(取值45000)；
l——株距(m)；
n——排种盘型孔数；
w_0——PWM波占空比为100％情况下电机转速(rad/min)；
所述的控制系统，其中：主控板上设有第一电源转换电路,第一电源转换电路包括：调压芯片UE1，其管脚1接二极管DE1的负极，DE1正极经熔断器FE1接12V电源，管脚1还接稳压二极管DE2的负极，DE2正极接地；电解电容CE1正极接管脚1，负极接地；管脚3、5接地；管脚2接稳压二极管DE3负极，DE3正极接地，管脚2与电感LE1的第一端连接，LE1第二端接电解电容CE2的正极，CE2正极还接管脚4，电解电容CE2负极接地；电解电容CE2与电解电容C10并联连接,LE1第二端作为5v电压输出端；
所述的控制系统，其中：主控板上设有第二电源转换电路，第二电源电压转换电路包括：低电压调节器，该调节器的管脚3接LE1第二端，管脚3接电解电容CE4的正极，电解电容CE4负极接地；调节器管脚4输出3.3V电压，管脚4接电解电容CE5的正极，电解电容CE5负极接地；调节器的接地端接地；
所述控制系统按如下方式控制排种器工作：
(1)将主控板和升压模块连接到拖拉机电源上，驱动器线和排种器驱动电机正确连接；
(2)开启主控板开关，主控板上电后给GPS测速模块供电；
(3)GPS测速模块初始化完成后将接收到的GPS报文传送到主控板；
(4)主控板上的LED灯以接收GPS报文的频率闪动，主控板处理器对报文进行解析，从中提取出速度信息；
(5)根据提取出的速度信息，处理器配置片上定时器参数，将一定占空比的PWM波传送到直流无刷电机驱动器；
(6)直流无刷电机驱动器根据主控板发送的PWM波控制排种器电机以一定的速度转动；
(7)排种器开始播种。
2.根据权利要求1所述的控制系统，其特征在于：GPS测速模块通过电平转换电路将采集的GPS报文传送到主控板，主控板解析收到的GPS报文以得到作业机械的前进速度。
3.一种播种机，其特征在于，包括如权利要求1-2之一所述的排种器控制系统。
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