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CN117348478B - 基于foc算法的播种单体控制器的控制与状态监测方法 - Google Patents

基于foc算法的播种单体控制器的控制与状态监测方法 Download PDF

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CN117348478B CN202311447485.4A CN202311447485A CN117348478B CN 117348478 B CN117348478 B CN 117348478B CN 202311447485 A CN202311447485 A CN 202311447485A CN 117348478 B CN117348478 B CN 117348478B
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Abstract

本发明公开了属于智能农业装备技术领域的一种基于FOC算法的播种单体控制器及状态监测方法。播种单体控制器的电机驱动与电流采样电路分别与双全桥两线圈独立驱动模块、电流采样模块、位置速度采样模块连接以控制电机运转；监测信息采样电路与定时器中断接口连接以读取监测信息；电机驱动与电流采样电路、监测信息采样电路分别发出电机运转控制指令、播种工况监测信息至CAN通讯线路进行双向通信。本发明减少了安装复杂度的同时也减少了播种时由于总线故障带来的问题，相较于传统无刷电机方案具有实际使用意义，有助于变量播种技术的进一步推广应用。

Description

基于FOC算法的播种单体控制器的控制与状态监测方法
技术领域
本发明涉及智能农业装备技术领域，尤其涉及基于FOC算法的播种单体控制器的控制与状态监测方法。
背景技术
变量播种是一项令种植作业增产增效的重要技术，其技术核心在于当主控制器获取到不同的土壤信息以及高精度的卫星定位信息时，能够通过总线技术向各个排种器单体发送不同的控制命令，从而实现多行排种器对不同播种行的独立控制。
电驱排种器控制方式的核心是每个排种器电机都具有着独立的信号接收及处理单元。随着对变量播种新技术的不断探索，对于变量播种电驱动方式所提出的要求也逐渐增加，不仅仅满足于高速和可拓展性，还需要满足集成程度高、易于安装、速度切换时的快速响应以及低速下的平稳转动等。国外的单体驱动器往往和排种器一体式安装，且使用了定制化的电机，在减小了电机尺寸的同时加强了系统的整体性。当前阶段，国内使用电驱进行排种的机器相对较少，且一般都是使用了体积较大的伺服电机或者加装减速器的无刷电机，除了体积占用较大以外，所配备的驱动器也往往价格高昂。如果为了提高低速下的电机控制精度，还需要更进一步地加装尾部高精度光电编码器，进一步增加了电机本体的尺寸。由于国内目前普遍的电驱实现方式是选用不同厂家的电机和驱动器进行组合，导致了系统在连接方式上也比较繁琐复杂。综上所述的种种问题导致了当前电驱技术在国内的推广较为困难。并且，由于目前电驱系统所使用的驱动器设计之初并非用作排种，难以兼容播种机的许多功能，只能让研究人员通过继续外加拓展的方式来实现，不仅增加了研究人员和使用人员的使用难度，还降低了系统的组合稳定性。因此，有必要设计一种集成专用的高性能电机驱动器，专门用于排种器的驱动工作。
发明内容
本发明的目的是提出基于FOC算法的播种单体控制器的控制与状态监测方法。
一种基于FOC算法的播种单体控制器，包括电机驱动与电流采样电路、监测信息采样电路、双全桥两线圈独立驱动模块、电流采样模块、位置速度采样模块、定时器中断接口、CAN通讯线路；
其中，电机驱动与电流采样电路分别与双全桥两线圈独立驱动模块、电流采样模块、位置速度采样模块连接以控制电机运转；监测信息采样电路与定时器中断接口连接以读取监测信息；电机驱动与电流采样电路、监测信息采样电路分别发出电机运转控制指令、播种工况监测信息至CAN通讯线路进行双向通信。
基于FOC算法的播种单体控制器的控制与状态监测方法，包括以下步骤：
步骤1：对驱动器进行初始化；
步骤2：进入电机控制任务，再转到步骤3；
步骤3：判断启动任务标志位是否置1，若是，则转到步骤4；若否，则转到步骤2；
步骤4：判断堵转标志位是否置1，若是，则转到步骤5；若否，则转到步骤6；
步骤5：向总线发布节点异常信号，进入堵转恢复任务；
步骤6：系统综合使用FOC控制算法和剩余步数计算输出电流及电机的运转方向，再转到步骤7；
步骤7：判断剩余步数是否为0，若是，则转到步骤8；若否，则转到步骤9；
步骤8：等待新一轮总线数据传输；
步骤9：单片机发送电机运转指令，判断位置传感器监测的电机运转速度是否低于计算速度，若是，则转到步骤10；若否，则转到步骤11；
步骤10：判断位置传感器监测的电机运转速度是否等于计算速度，若是，则转到步骤6；若否，则减小驱动电流后再转到步骤6；
步骤11：判断位置传感器监测的电机相电流是否超过保护电流，若是，则增加驱动电流后再转到步骤6；若否，则堵转标志定时器开始计时，再转到步骤12；
步骤12：判断堵转标志定时器的计时总数是否超过200ms，若是，则转到步骤5；若否，则转到步骤9。
电机运行速度的计算公式如下：
MAG.angle_per_unit＝(MAG.mag_per_unit/PPR)*360
MAG.speed＝(MAG.angle_per_unit/C_F)*(1000/360)
式中，MAG.angle_per_unit是每个单位时间内的旋转角度，PPR是编码器的分辨率，MAG.speed是最终计算的转速，C_F是霍尔编码器的时间校准系数。
步骤1具体包括以下子步骤：
步骤A1：系统上电后，单片机首先完成系统时钟与中断的初始化，并完成串口的初始化，以上初始化结束之后，串口打印重要工作参数；
步骤A2：完成驱动器的初始化，并设定默认的输出电流为零；
步骤A3：完成传感器与通信链路的初始化，包括CAN总线的初始化、IIC/SPI总线的初始化、模数转换器ADC与数模转换器DAC的初始化与内置FLASH的初始化；再转到步骤A4；
步骤A4：判断通讯测试是否通过，若是，则转到步骤A5；若否，则转到步骤A3；
步骤A5：判断驱动器是否首次安装于该电机使用，若是，则校准指示灯闪烁，进入校准模式直至校准结束，再转入步骤A6；若否，则读取并载入FLASH内部电机角度校准数据，再转入步骤A6；
步骤A6：初始化控制结构体和滤波器；
步骤A7：使用FreeRTOS实时操作系统创建运行任务，包括LOG记录、总线通讯、传感器监测、电机控制与FOC状态计算；
步骤A8：持续运行任务，控制器不断接收CAN总线信息并通过CAN总线实现对排种器和排种工作运行状态的控制和监测。
步骤A8具体包括以下子步骤：
步骤801：完成电机初始化后，保持播种监测定时器处于开启状态；
步骤802：解析CAN总线关于播种粒距的参数信息并保存；再转到步骤803；
步骤803：解析CAN信号，判断节点速度是否为0，若是，则转到步骤802；若否，则转到步骤804；
步骤804：使用解析的节点速度换算对应粒距下的理论落种时间差T与标定后的单粒种通过时间T_C；再转到步骤805；
步骤805：等待电机带动排种器进行排种，再转到步骤806；
步骤806：判断是否稳定接收到第1个上升沿中断信号，若是，则转到步骤807；若否，则判定为外界电磁干扰，再转到步骤805；
步骤807：此时判定为种子通过，定时器开始计时，再转到步骤808；
步骤808：判断是否稳定接收到下降沿中断信号，若是，则转到步骤809；若否，则转到步骤807；
步骤809：判断当前节点速度是否为0，若是，关闭定时器，等待播种速度不为0时开启，再同时转到步骤802和步骤813；若否，保存此时的时间差t1，重置定时器数据，再转到步骤810；
步骤810：等待排种器继续排种，再转到步骤811；
步骤811：判断是否稳定接收到第2个上升沿中断信号，若是，则转到步骤812；若否，则转到步骤810；
步骤812：保存此时的时间差t2，重置定时器数据，再同时转到步骤803和步骤813；
步骤813：比较计时时间t和理论落种时间差T，再同时转到步骤814和步骤815；
步骤814：判断t 1是否小于等于0.5T_C，若是，则判定为碎钟；若否，则转到步骤816；
步骤815：判断t2是否等于0，若是，则判定为系统计数错误；若否，则转到步骤817；
步骤816：判断t 1是否大于等于1.5T_C，若是，则判定为重叠种；若否，则判定为单粒种；
步骤817：判断t2是否小于等于0.5T，若是，则判定为重播；若否，则转到步骤818；
步骤818：判断t2是否大于等于1.5T，若是，则判定为漏播；若否，则判定为合格。
当t1大于5T时，系统产生播量为零的报警。
本发明的有益效果在于：
本发明将电机控制与驱动器和步进电机集成在一起，减少了安装复杂度的同时也减少了播种时由于总线故障带来的问题；使用FOC控制算法驱动步进电机，实现了高性能的电机运转；配合单片机芯片，在电机驱动电路上实现了排种质量的监测功能，并配合定时器实现了高精度的排种监测；相较于传统无刷电机方案，本发明价格更加低廉，且具有实际使用意义，有助于变量播种技术的进一步推广应用。
附图说明
图1为本发明基于FOC算法的播种单体控制器的总体结构图；
图2为基于FOC算法的播种单体控制器的内部功能示意图；
图3为电源管理模块的连接示意图；
图4是所使用的电机以及单体控制器和排种器的连接方案图；
图5是所使用的单体控制器可拓展性示意图；
图6是步进电机FOC控制算法算法及状态监测算法的系统初始化流程图；
图7是步进电机播种单体控制器状态监控算法的运行流程图；
图8是排种器运行状态监测算法的流程图；
图9是电流计算方案的流程图。
具体实施方式
本发明提出基于FOC算法的播种单体控制器的控制与状态监测方法，下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步说明。
图1、图2分别为本发明基于FOC算法的播种单体控制器的总体结构图和内部功能示意图；其中，电机驱动与电流采样电路分别与双全桥两线圈独立驱动模块、电流采样模块、位置速度采样模块连接以控制电机运转；监测信息采样电路与定时器中断接口连接以读取监测信息；电机驱动与电流采样电路、监测信息采样电路分别发出电机运转控制指令、播种工况监测信息至CAN通讯线路进行双向通信。内部具体包括电源管理电路101、通信电路102、主控电路103、电路驱动与采样电路104。其中，电源管理电路101包括升压和降压电路，用于在匹配拖拉机12V电源电压的同时完成对电机和传感器的供电；通信电路102主要包括了外环和内环两个通信电路，外环CAN总线通信电路201用于和实际播种时的总控制器通过CAN总线连接，内环SPI/IIC通信电路和监测数据TTL通讯电路202主要用于传感器的通讯和播种监测的通讯；主控电路103主要包括了系统时钟电路301、调试下载电路302、播种状态监测电路303等，用于实现单片机控制的基础功能的同时完成对步进电机的高性能控制；电机驱动与采样电路104主要包括独立驱动双相步进电机两个线圈的全桥驱动电路401；采样电路主要包括电机运行的电流采样芯片402、位置采样芯片403。电机驱动芯片共留出四个接口可供总线连接，分别是CAN总线的高与低接口以及12V电源接口，能够尽可能地减少单体控制器在使用时由于电路连接复杂而造成的系统潜在故障率的提高。
升压降压电路主要完成了车载12V电池向24V电机供电的电源转换、12V电池向5V传感器芯片供电的电源转换和5V电源向3.3V电源供电的电源转换，并在接口处通过防水插头和大功率电源转换器和拖拉机挂接的电源总线连接，电源总线通过电源夹直接连接到拖拉机12V电源的正极和负极上。为了防止电线裸露在外，需要在其外层加装防水软管，并通过扎带固定到拖拉机机体上，防止运转部件在工作时将电线搅入。
通信电路的外环CAN总线通信电路201通过防水插头连接到拖拉机驾驶舱内总控制器的CAN总线接口，为了保证CAN总线传输的稳定性，分别在CAN总线的起始端和末尾端加装了两个120Ω电阻。数据经过CAN协议转换芯片传输至单片机内部进行解析，同时进入其内部进行解析的数据还包括了传感器数据，主要包括电流采样芯片402的电流数据和位置采样芯片403的位置数据。其中电流采样数据通过单片机系统内部转换器ADC获得，采样芯片数据通过SPI总线获得。为了提高电路的集成度，使用了两块独立的全桥驱动芯片来分别驱动双相步进电机的AB相线圈，所述驱动芯片通过接收单片机数模转换器DAC输出的电压高低来控制输出电流的大小，能够实现对电机的高速控制。
为了让位置传感器能够稳定识别到电机的位置，进而对电机的运行参数进行计算，需要在电机后输出轴加装径向充磁的磁铁。
为了避免传统电机驱动器需要占用大量空间并且需要单独布线连接的问题，将驱动器直接安装于步进电机的后端，既减少了体积又方便了对电机的控制。在使用时，只需将驱动器留出的接口连接至总控制器的CAN总线接口，便能够实现对电机的控制和状态的监测。
如图3所示，是电源管理模块的连接示意图，拖拉机常见电源为12V,为了以更稳定的大扭矩来驱动电机，尽可能减少或者避免堵转现象的产生，需要对电机的供电电压升压，同时还需要对12V的电压进行降压来为系统供电，因此需要连续降压来实现对传感器和单片机的供电。
如图4所示，是所使用的电机以及单体控制器和排种器的连接方案图。
如图5所示，是所使用的单体控制器可拓展性示意图。
如图6所示，是步进电机FOC控制算法算法及状态监测算法的系统初始化流程。系统上电后，单片机首先完成系统时钟与中断的初始化，并完成串口的初始化，在初始化结束之后，串口打印重要工作参数。电机驱动器的初始化后，设定默认的输出电流为零。之后完成传感器与通信链路的初始化，主要包括CAN总线的初始化，IIC/SPI总线的初始化，模数转换器ADC与数模转化器DAC的初始化与内置FLASH的初始化。在本实施例中，假设驱动器首次安装于该电机，需要先对霍尔编码器的数据进行校准，校准完成后，系统进入控制结构体的初始化和滤波器的初始化环节。使用FreeRTOS实时操作系统创建运行任务，包括LOG记录、总线通讯、传感器监测、电机控制与FOC状态计算等。任务持续运行，控制器不断接收总线信息并通过CAN总线实现对排种器和排种工作运行状态的控制和监测。
如图7所示，是所述一种步进电机播种单体控制器状态监控算法的运行流程。包括以下步骤：
步骤1：对驱动器进行初始化；
步骤2：进入电机控制任务，再转到步骤3；
步骤3：判断启动任务标志位是否置1，若是，则转到步骤4；若否，则转到步骤2；
步骤4：判断堵转标志位是否置1，若是，则转到步骤5；若否，则转到步骤6；
步骤5：向总线发布节点异常信号，进入堵转恢复任务；
步骤6：系统综合使用FOC控制算法和剩余步数计算输出电流及电机的运转方向，再转到步骤7；
步骤7：判断剩余步数是否为0，若是，则转到步骤8；若否，则转到步骤9；
步骤8：等待新一轮总线数据传输；
步骤9：单片机发送电机运转指令，判断位置传感器监测的电机运转速度是否低于计算速度，若是，则转到步骤10；若否，则转到步骤11；
步骤10：判断位置传感器监测的电机运转速度是否等于计算速度，若是，则转到步骤6；若否，则减小驱动电流后再转到步骤6；
步骤11：判断位置传感器监测的电机相电流是否超过保护电流，若是，则增加驱动电流后再转到步骤6；若否，则堵转标志定时器开始计时，再转到步骤12；
步骤12：判断堵转标志定时器的计时总数是否超过200ms，若是，则转到步骤5；若否，则转到步骤9。
霍尔传感器实际获得的是电机的位置差异，实际的电机运行速度需要根据以下公式计算：
MAG.angle_per_unit＝(MAG.mag_per_unit/PPR)*360
MAG.speed＝(MAG.angle_per_unit/C_F)*(1000/360)
上式中，MAG.angle_per_unit是每个单位时间内的旋转角度，PPR是编码器的分辨率，MAG.speed是最终计算的转速，C_F是霍尔编码器的时间校准系数。
如图8所示，是一种排种器运行状态监测算法。在系统初始化时，控制器会解析总线数据并保存相对数据，主要是粒距数据和标定后的单粒种子通过时间T_C，解析CAN总线数据，当速度不为零时，使用解析到的速度V计算出对应最初理论粒距数据下的落种时间T。当单片机的外部中断稳定接收到一个上升沿的中断信号时，判断开始有种子通过，定时器开始计时，若上升沿信号持续了很短时间后消失，则认为是外界电磁干扰。当单片机的外部中断稳定接收到了一个下降沿中断信号时，判断种子已经经过，若当前的节点速度不为零，则保存上升沿和下降沿的时间差为t1，并重置定时器数据，同时等待排种器继续排种。当系统稳定接收到第2个上升沿中断信号时，保存第二个上升沿中断信号和第一个下降沿信号的差值为t2，并重置定时器数据。完成一个周期后，将以上获得的时间参数进行比对，具体比对逻辑如下公式所示：
如图9所示，是电流计算方案的流程图。当剩余步数较多时，电机仍需要一段时间的长时间运转。电流传感器采集当前AB相分别的电流信息，记作I_a和I_b，经过帕克变换后得出实际的q轴和d轴电流，记作I_q和I_d。之后将理论的q轴与d轴电流数据和实际测出的电流进行反馈，并通过控制算法进行调节。将调节后的d轴和q轴电流经过反帕克变换，得出反馈后的电流数据I_A和I_B，在计算完成单片机使用SVPWM控制DAC输出对应电压控制电机运行，控制电机驱动芯片输出计算的电流。
当剩余步数较少时，电机输出的电流会逐渐减少，并以此让电机减速并最终停转，同时，当电机启动时，电机输出的电流也会逐渐增加，以此来逐渐增加电机的转速直到达到目标转速。在这种情况下，电机输出的电流需要加上一个步数系数S_F，具体的系数值根据所设定的加速加速度和减速加速度来决定，即在这种情况下，电机输出的电流为S_F*I_A与S_F*I_B。
本发明实施例减少了安装复杂度的同时也减少了播种时由于总线故障带来的问题，实现了高性能的电机运转；配合单片机芯片，在电机驱动电路上实现了排种质量的监测功能，并配合定时器实现了高精度的排种监测。

Claims (5)

1.一种基于FOC算法的播种单体控制器的控制与状态监测方法，其特征在于，所述播种单体控制器包括电机驱动与电流采样电路、监测信息采样电路、双全桥两线圈独立驱动模块、电流采样模块、位置速度采样模块、定时器中断接口、CAN通讯线路；
其中，电机驱动与电流采样电路分别与双全桥两线圈独立驱动模块、电流采样模块、位置速度采样模块连接以控制电机运转；监测信息采样电路与定时器中断接口连接以读取监测信息；电机驱动与电流采样电路、监测信息采样电路分别发出电机运转控制指令、播种工况监测信息至CAN通讯线路进行双向通信；
基于FOC算法的播种单体控制器的控制与状态监测方法包括以下步骤：
步骤1：对驱动器进行初始化；
步骤2：进入电机控制任务，再转到步骤3；
步骤3：判断启动任务标志位是否置1，若是，则转到步骤4；若否，则转到步骤2；
步骤4：判断堵转标志位是否置1，若是，则转到步骤5；若否，则转到步骤6；
步骤5：向总线发布节点异常信号，进入堵转恢复任务；
步骤6：系统综合使用FOC控制算法和剩余步数计算输出电流及电机的运转方向，再转到步骤7；
步骤7：判断剩余步数是否为0，若是，则转到步骤8；若否，则转到步骤9；
步骤8：等待新一轮总线数据传输；
步骤9：单片机发送电机运转指令，判断位置传感器监测的电机运转速度是否低于计算速度，若是，则转到步骤10；若否，则转到步骤11；
步骤10：判断位置传感器监测的电机运转速度是否等于计算速度，若是，则转到步骤6；若否，则减小驱动电流后再转到步骤6；
步骤11：判断位置传感器监测的电机相电流是否超过保护电流，若是，则增加驱动电流后再转到步骤6；若否，则堵转标志定时器开始计时，再转到步骤12；
步骤12：判断堵转标志定时器的计时总数是否超过200ms，若是，则转到步骤5；若否，则转到步骤9。
2.根据权利要求1所述基于FOC算法的播种单体控制器的控制与状态监测方法，其特征在于，电机运行速度的计算公式如下：
MAG.angle_per_unit＝(MAG.mag_per_unit/PPR)*360
MAG.speed＝(MAG.angle_per_unit/C_F)*(1000/360)
式中，MAG.angle_per_unit是每个单位时间内的旋转角度，PPR是编码器的分辨率，MAG.speed是最终计算的转速，C_F是霍尔编码器的时间校准系数。
3.根据权利要求1或2所述基于FOC算法的播种单体控制器的控制与状态监测方法，其特征在于，所述步骤1具体包括以下子步骤：
步骤A1：系统上电后，单片机首先完成系统时钟与中断的初始化，并完成串口的初始化，以上初始化结束之后，串口打印重要工作参数；
步骤A2：完成驱动器的初始化，并设定默认的输出电流为零；
步骤A3：完成传感器与通信链路的初始化，包括CAN总线的初始化、IIC/SPI总线的初始化、模数转换器ADC与数模转换器DAC的初始化与内置FLASH的初始化；再转到步骤A4；
步骤A4：判断通讯测试是否通过，若是，则转到步骤A5；若否，则转到步骤A3；
步骤A5：判断驱动器是否首次安装于该电机使用，若是，则校准指示灯闪烁，进入校准模式直至校准结束，再转入步骤A6；若否，则读取并载入FLASH内部电机角度校准数据，再转入步骤A6；
步骤A6：初始化控制结构体和滤波器；
步骤A7：使用FreeRTOS实时操作系统创建运行任务，包括LOG记录、总线通讯、传感器监测、电机控制与FOC状态计算；
步骤A8：持续运行任务，控制器不断接收CAN总线信息并通过CAN总线实现对排种器和排种工作运行状态的控制和监测。
4.根据权利要求3所述基于FOC算法的播种单体控制器的控制与状态监测方法，其特征在于，所述步骤A8具体包括以下子步骤：
步骤801：完成电机初始化后，保持播种监测定时器处于开启状态；
步骤802：解析CAN总线关于播种粒距的参数信息并保存；再转到步骤803；
步骤803：解析CAN信号，判断节点速度是否为0，若是，则转到步骤802；若否，则转到步骤804；
步骤804：使用解析的节点速度换算对应粒距下的理论落种时间差T与标定后的单粒种通过时间T_C；再转到步骤805；
步骤805：等待电机带动排种器进行排种，再转到步骤806；
步骤806：判断是否稳定接收到第1个上升沿中断信号，若是，则转到步骤807；若否，则判定为外界电磁干扰，再转到步骤805；
步骤807：此时判定为种子通过，定时器开始计时，再转到步骤808；
步骤808：判断是否稳定接收到下降沿中断信号，若是，则转到步骤809；若否，则转到步骤807；
步骤809：判断当前节点速度是否为0，若是，关闭定时器，等待播种速度不为0时开启，再同时转到步骤802和步骤813；若否，保存此时的时间差t1，重置定时器数据，再转到步骤810；
步骤810：等待排种器继续排种，再转到步骤811；
步骤811：判断是否稳定接收到第2个上升沿中断信号，若是，则转到步骤812；若否，则转到步骤810；
步骤812：保存此时的时间差t2，重置定时器数据，再同时转到步骤803和步骤813；
步骤813：比较计时时间t和理论落种时间差T，再同时转到步骤814和步骤815；
步骤814：判断t 1是否小于等于0.5T_C，若是，则判定为碎钟；若否，则转到步骤816；
步骤815：判断t2是否等于0，若是，则判定为系统计数错误；若否，则转到步骤817；
步骤816：判断t 1是否大于等于1.5T_C，若是，则判定为重叠种；若否，则判定为单粒种；
步骤817：判断t2是否小于等于0.5T，若是，则判定为重播；若否，则转到步骤818；
步骤818：判断t2是否大于等于1.5T，若是，则判定为漏播；若否，则判定为合格。
5.根据权利要求4所述基于FOC算法的播种单体控制器的控制与状态监测方法，其特征在于，当t1大于5T时，系统产生播量为零的报警。
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