農(nóng)業(yè)機(jī)器人智能充電系統(tǒng)設(shè)計

摘 要： 針對農(nóng)業(yè)機(jī)器人的充電現(xiàn)狀，設(shè)計了基于PIC16F887和UCC3895的農(nóng)業(yè)機(jī)器人智能充電系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用UCC3895對全橋變換器進(jìn)行移相控制，在較寬范圍內(nèi)實現(xiàn)了軟開關(guān)。采用單片機(jī)PIC16F887控制充電電路的啟停以及實現(xiàn)過壓、欠壓、過流保護(hù)，并對充電過程進(jìn)行了實時管理，將充電數(shù)據(jù)進(jìn)行實時顯示并向上位機(jī)傳輸保存。實驗證明，充電系統(tǒng)功能完善、性能穩(wěn)定、充電快速、功耗低。

關(guān)鍵詞： 農(nóng)業(yè)機(jī)器人； ZVS； UCC3895； PIC16F887； 充電控制

中圖分類號： TN86?34； TP242.3 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2016）15?0112?03

Abstract： Aiming at the charging situation of agricultural robot， the intelligent charging system for agricultural robot based on PIC16F887 and UCC3895 was designed. In the system， the UCC3895 is used to realize the phase?shifting control of the full?bridge converter and soft switching in a wide range. The MCU PIC16F887 is used to control the start and stop of the charging circuit， and realize the overvoltage protection， undervoltage protection and overcurrent protection， and real?time management of the charging process. And then the charging data is displayed in real time and transmitted to the upper computer for conservation. The experimental results show that the charging system has the advantages of perfect function， stable performance， fast charging speed， and low power consumption.

Keywords： agricultural robot； ZVS； UCC3895； PIC16F887； charging control

0 引 言

中國作為一個農(nóng)業(yè)大國，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的規(guī)模化和精準(zhǔn)化是現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)水平的重要標(biāo)志。農(nóng)業(yè)機(jī)器人在改善農(nóng)民勞動環(huán)境、降低農(nóng)民勞動強(qiáng)度和提高勞動效率等方面具有重要意義，尤其在育苗、采摘、灌溉、收獲等方面得到了一定程度的應(yīng)用 [1?2]。因此國家已把農(nóng)業(yè)機(jī)器人技術(shù)及其應(yīng)用列為農(nóng)業(yè)工程領(lǐng)域的重點研發(fā)對象之一。但農(nóng)業(yè)機(jī)器人技術(shù)在推廣過程中受到了時間和空間的限制，其主要原因就是機(jī)器人動力源問題。因此作為機(jī)器人動力源的蓄電池以及能量補(bǔ)給的充電系統(tǒng)就顯得尤為重要[3]。調(diào)查表明，現(xiàn)在的蓄電池由于充電設(shè)備落后、充電方法不當(dāng)導(dǎo)致其使用壽命只有2～3年，遠(yuǎn)低于其設(shè)計指標(biāo)10～15年的要求，既增加了使用成本又造成了資源的極大浪費。

目前，一般的蓄電池充電系統(tǒng)完成一次充電需要8～12 h，顯然無法滿足機(jī)器人對充電系統(tǒng)的要求以及生產(chǎn)的需要。因此設(shè)計一種快速、高效和安全的智能充電系統(tǒng)是農(nóng)業(yè)機(jī)器人技術(shù)得到大力發(fā)展的重要前提。本文以80 V機(jī)器人車載鉛酸蓄電池為研究對象，設(shè)計了基于UCC3895和PIC16F887的充電系統(tǒng)，此系統(tǒng)實現(xiàn)了充電過程的高效、快速、穩(wěn)定并具有充電過程管理功能。

1 充電系統(tǒng)總體設(shè)計

為了做到高效快速的充電，又能實時掌握整個充電過程電池的狀態(tài)，充電系統(tǒng)由兩個模塊組成：上位機(jī)監(jiān)控管理模塊和下位機(jī)充電模塊。系統(tǒng)的總體設(shè)計框圖如圖1所示。

本系統(tǒng)的核心是充電模塊，主要由充電主電路和控制電路組成。充電主電路由輸入整流濾波、DC/DC變換器、輸出整流濾波三部分組成；控制電路由UCC3895控制芯片、單片機(jī)PIC16F887、檢測電路和外圍電路組成。系統(tǒng)通過檢測充電電壓和充電電流實現(xiàn)電壓、電流的閉環(huán)控制；上位機(jī)監(jiān)控管理模塊完成與單片機(jī)的通信，實現(xiàn)對充電電壓、電流以及電池溫度等數(shù)據(jù)的顯示保存，并為后期系統(tǒng)功能的改進(jìn)提供數(shù)據(jù)支持。

2 硬件電路設(shè)計

2.1 充電主電路的設(shè)計

三相交流電經(jīng)輸入濾波、整流后得到直流電壓，該直流電壓又作為DC/AC逆變器的母線輸入。經(jīng)DC/AC逆變器變換后得到高頻脈沖電壓，再由高頻變壓器進(jìn)行隔離變換，經(jīng)過輸出整流濾波得到充電所需的直流電壓。

本文采用ZVS移相全橋變換器作為逆變器，其工作波形[4]如圖2所示。其主電路拓?fù)涫抢瞄_關(guān)管的輸出電容或外接并聯(lián)電容與變壓器自身的漏感或原邊串聯(lián)電感進(jìn)行諧振，諧振電感儲存的能量向電容[C1～C4]釋放，使開關(guān)管兩端電壓下降到零并使反向并聯(lián)二極管導(dǎo)通，由此實現(xiàn)開關(guān)管零電壓開通和關(guān)斷。系統(tǒng)選用IGBT模塊作為開關(guān)器件，為了減小大電壓和大電流對IGBT的沖擊，設(shè)計了RC吸收電路[5]。

2.2 充電控制電路設(shè)計

2.2.1 檢測及信號處理電路設(shè)計

輸入檢測電路主要負(fù)責(zé)采集母線電壓與電流信號。信號處理電路1將此模擬信號進(jìn)行變換送入UCC3895的CS端，實現(xiàn)對全橋變換器滯后臂驅(qū)動信號占空比的控制；并將其變換后送入PIC16F887的A/D輸入端，實現(xiàn)對充電主電路的過壓、欠壓和過流保護(hù)。輸出檢測電路[6]主要負(fù)責(zé)采集充電電壓、電流、溫度信號，信號處理電路2將得到的模擬信號進(jìn)行變換后送入UCC3895，實現(xiàn)對IGBT驅(qū)動信號占空比和相位差的控制；并也將其送入PIC16F887的A/D輸入端，實現(xiàn)對充電主電路的啟停、顯示和報警控制。

2.2.2 UCC3895控制電路設(shè)計

本文選取UCC3895作為全橋變換器的移相控制芯片[7]。UCC3895芯片是Texas Instruments 公司生產(chǎn)的專用PWM移相全橋變換器新型控制芯片。該芯片在UCC3875的基礎(chǔ)上增加了PWM軟關(guān)斷能力與自適應(yīng)死區(qū)設(shè)置功能，能夠適應(yīng)負(fù)載變化時不同準(zhǔn)諧振條件下的軟開關(guān)要求。UCC3895采用低功耗的BICMOS工藝，其工作頻率、效率、可靠性得到大幅度提高。通過連接不同的外圍電路，使其電壓工作模式和電流工作模式可以進(jìn)行切換，并且軟啟動/軟停止可按要求進(jìn)行調(diào)節(jié)。

UCC3895主要功能是實現(xiàn)閉環(huán)控制。母線電流經(jīng)檢測和變換后送至UCC3895的CS端，如果母線電流增大，CS電壓升高形成斜波信號，該信號與UCC3895的CT引腳產(chǎn)生的鋸齒信號比較后送UCC3895進(jìn)行計算，輸出可改變占空比的滯后臂驅(qū)動信號。如果母線電流瞬間增大，使CS引腳的電壓超過2.5 V，UCC3895就會關(guān)斷PWM輸出。從而防止過流燒毀IGBT器件。

UCC3895還內(nèi)置了可以調(diào)節(jié)PWM輸出占空比的誤差放大器EA，它在UCC3895上有3個端口：EAP端﹑EAN端和EAOUT端。當(dāng)EAOUT端輸出小于500 mV時，UCC3895停止PWM輸出，當(dāng)EAOUT端輸出大于600 mV時，恢復(fù)PWM占空比調(diào)節(jié)功能。在本設(shè)計中，誤差放大器EAN和EAOUT接成跟隨電路，將充電電壓、電流信號經(jīng)檢測和變換后送至UCC3895誤差放大器EAP端，當(dāng)充電電壓或電流大于給定值時，EAP電壓減小，導(dǎo)致EAOUT電壓下降，UCC3895自動增加超前臂和滯后臂驅(qū)動信號的相位差。UCC3895控制框圖如圖3所示。

2.2.3 單片機(jī)控制電路設(shè)計

本文選用美國微芯科技公司生產(chǎn)的PIC16F887單片機(jī)作為充電系統(tǒng)控制芯片[8?9]。PIC16F887自帶A/D轉(zhuǎn)換功能，將檢測電路采集的充電電壓、電流和溫度轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，通過程序控制IGBT驅(qū)動信號的占空比，并把數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示的同時傳給PC機(jī)進(jìn)行存儲。將采集的母線電流、電壓信號變換成數(shù)字量，通過程序完成主電路的過壓、欠壓和過流保護(hù)。

2.3 通信接口電路設(shè)計

由于單片機(jī)與上位機(jī)的接口電平不同，因此通信電路采用RS 232總線技術(shù)和美信MAX232轉(zhuǎn)換芯片，既實現(xiàn)了20 m左右的異步通信，又實現(xiàn)了充電過程中蓄電池的充電電壓、電流和溫度等信息的保存。上位機(jī)與下位機(jī)通信RS 232接口電路如圖4所示。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 單片機(jī)控制程序設(shè)計

充電系統(tǒng)以硬件電路為基礎(chǔ)[10]，通過程序控制完成了預(yù)充電、大電流恒流充電、恒壓充電、小電流恒流充電和涓流充電五個充電階段，充電程序控制流程如圖5所示。

3.2 人機(jī)交互界面軟件設(shè)計

充電系統(tǒng)上位機(jī)人機(jī)交互界面以VC作為開發(fā)工具。通過模塊化劃分管理，設(shè)置了登陸、電池充電狀態(tài)、充電數(shù)據(jù)、打印記錄等菜單。用戶可以清晰地掌握蓄電池的充電狀態(tài)、充電電壓、充電電流、溫度等信息。

4 試驗結(jié)果分析

通過不斷的計算和調(diào)試，使電路參數(shù)設(shè)計達(dá)到了最優(yōu)。圖6和圖7表明輕載時超前臂和滯后臂的IGBT都實現(xiàn)了ZVS，大大降低了充電電路的功率損耗，提高了充電效率。

5 結(jié) 論

本文設(shè)計了農(nóng)業(yè)機(jī)器人充電系統(tǒng)的主電路和控制電路，編寫了相關(guān)控制程序，實現(xiàn)了五階段智能充電。系統(tǒng)硬件設(shè)計采用UCC3895和PIC16F887對全橋變換器進(jìn)行移相控制，實現(xiàn)了IGBT模塊的ZVS，大大降低了功率損耗。實驗證明，此充電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，充電快速，充電效率高，功能完善，具有廣闊的應(yīng)用前景。

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