農業機器人智能充電系統設計

摘 要： 針對農業機器人的充電現狀，設計了基于PIC16F887和UCC3895的農業機器人智能充電系統。該系統采用UCC3895對全橋變換器進行移相控制，在較寬范圍內實現了軟開關。采用單片機PIC16F887控制充電電路的啟停以及實現過壓、欠壓、過流保護，并對充電過程進行了實時管理，將充電數據進行實時顯示并向上位機傳輸保存。實驗證明，充電系統功能完善、性能穩定、充電快速、功耗低。

關鍵詞： 農業機器人； ZVS； UCC3895； PIC16F887； 充電控制

中圖分類號： TN86?34； TP242.3 文獻標識碼： 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

中國作為一個農業大國，農業生產的規模化和精準化是現代化農業水平的重要標志。農業機器人在改善農民勞動環境、降低農民勞動強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用 [1?2]。因此國家已把農業機器人技術及其應用列為農業工程領域的重點研發對象之一。但農業機器人技術在推廣過程中受到了時間和空間的限制，其主要原因就是機器人動力源問題。因此作為機器人動力源的蓄電池以及能量補給的充電系統就顯得尤為重要[3]。調查表明，現在的蓄電池由于充電設備落后、充電方法不當導致其使用壽命只有2～3年，遠低于其設計指標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完成一次充電需要8～12 h，顯然無法滿足機器人對充電系統的要求以及生產的需要。因此設計一種快速、高效和安全的智能充電系統是農業機器人技術得到大力發展的重要前提。本文以80 V機器人車載鉛酸蓄電池為研究對象，設計了基于UCC3895和PIC16F887的充電系統，此系統實現了充電過程的高效、快速、穩定并具有充電過程管理功能。

1 充電系統總體設計

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，充電系統由兩個模塊組成：上位機監控管理模塊和下位機充電模塊。系統的總體設計框圖如圖1所示。

本系統的核心是充電模塊，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PIC16F887、檢測電路和外圍電路組成。系統通過檢測充電電壓和充電電流實現電壓、電流的閉環控制；上位機監控管理模塊完成與單片機的通信，實現對充電電壓、電流以及電池溫度等數據的顯示保存，并為后期系統功能的改進提供數據支持。

2 硬件電路設計

2.1 充電主電路的設計

三相交流電經輸入濾波、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DC/AC逆變器變換后得到高頻脈沖電壓，再由高頻變壓器進行隔離變換，經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。其主電路拓撲是利用開關管的輸出電容或外接并聯電容與變壓器自身的漏感或原邊串聯電感進行諧振，諧振電感儲存的能量向電容[C1～C4]釋放，使開關管兩端電壓下降到零并使反向并聯二極管導通，由此實現開關管零電壓開通和關斷。系統選用IGBT模塊作為開關器件，為了減小大電壓和大電流對IGBT的沖擊，設計了RC吸收電路[5]。

2.2 充電控制電路設計

2.2.1 檢測及信號處理電路設計

輸入檢測電路主要負責采集母線電壓與電流信號。信號處理電路1將此模擬信號進行變換送入UCC3895的CS端，實現對全橋變換器滯后臂驅動信號占空比的控制；并將其變換后送入PIC16F887的A/D輸入端，實現對充電主電路的過壓、欠壓和過流保護。輸出檢測電路[6]主要負責采集充電電壓、電流、溫度信號，信號處理電路2將得到的模擬信號進行變換后送入UCC3895，實現對IGBT驅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的基礎上增加了PWM軟關斷能力與自適應死區設置功能，能夠適應負載變化時不同準諧振條件下的軟開關要求。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行切換，并且軟啟動/軟停止可按要求進行調節。

UCC3895主要功能是實現閉環控制。母線電流經檢測和變換后送至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引腳產生的鋸齒信號比較后送UCC3895進行計算，輸出可改變占空比的滯后臂驅動信號。如果母線電流瞬間增大，使CS引腳的電壓超過2.5 V，UCC3895就會關斷PWM輸出。從而防止過流燒毀IGBT器件。

UCC3895還內置了可以調節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EAOUT端輸出小于500 mV時，UCC3895停止PWM輸出，當EAOUT端輸出大于600 mV時，恢復PWM占空比調節功能。在本設計中，誤差放大器EAN和EAOUT接成跟隨電路，將充電電壓、電流信號經檢測和變換后送至UCC3895誤差放大器EAP端，當充電電壓或電流大于給定值時，EAP電壓減小，導致EAOUT電壓下降，UCC3895自動增加超前臂和滯后臂驅動信號的相位差。UCC3895控制框圖如圖3所示。

2.2.3 單片機控制電路設計

本文選用美國微芯科技公司生產的PIC16F887單片機作為充電系統控制芯片[8?9]。PIC16F887自帶A/D轉換功能，將檢測電路采集的充電電壓、電流和溫度轉換成數字量，通過程序控制IGBT驅動信號的占空比，并把數據進行顯示的同時傳給PC機進行存儲。將采集的母線電流、電壓信號變換成數字量，通過程序完成主電路的過壓、欠壓和過流保護。

2.3 通信接口電路設計

由于單片機與上位機的接口電平不同，因此通信電路采用RS 232總線技術和美信MAX232轉換芯片，既實現了20 m左右的異步通信，又實現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。上位機與下位機通信RS 232接口電路如圖4所示。

3 系統軟件設計

3.1 單片機控制程序設計

充電系統以硬件電路為基礎[10]，通過程序控制完成了預充電、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 人機交互界面軟件設計

充電系統上位機人機交互界面以VC作為開發工具。通過模塊化劃分管理，設置了登陸、電池充電狀態、充電數據、打印記錄等菜單。用戶可以清晰地掌握蓄電池的充電狀態、充電電壓、充電電流、溫度等信息。

4 試驗結果分析

通過不斷的計算和調試，使電路參數設計達到了最優。圖6和圖7表明輕載時超前臂和滯后臂的IGBT都實現了ZVS，大大降低了充電電路的功率損耗，提高了充電效率。

5 結 論

本文設計了農業機器人充電系統的主電路和控制電路，編寫了相關控制程序，實現了五階段智能充電。系統硬件設計采用UCC3895和PIC16F887對全橋變換器進行移相控制，實現了IGBT模塊的ZVS，大大降低了功率損耗。實驗證明，此充電系統結構簡單，充電快速，充電效率高，功能完善，具有廣闊的應用前景。

參考文獻

[1] 張琴.農業機器人研究進展[J].湖南農機，2014，41（1）：22?25.

[2] 畢昆，趙馨，侯瑞鋒，等.機器人技術在農業中的應用方向和發展趨勢[J].中國農學通報，2011，27（4）：469?473.

[3] 孫莉莉，李自成，雷永鋒.基于模糊自適應PID算法的快速充電系統設計[J].自動化與儀表，2015，30（4）：69?72.

[4] 榮軍，粟向軍，萬力，等.移相全橋零電壓開關PWM電路的技術研究[J].電器與能效管理技術，2015（4）：16?21.

[5] 林云，管春.電力電子技術[M].北京：人民郵電出版社，2012.

[6] 高小婭，盧博友，王天賜.農業機器人充電系統的設計[J].農機化研究，2010（3）：158?160.

[7] 王春喜.移相全橋控制的軟開關充電機設計[J].防爆電機，2015，50（2）：6?8.

[8] 劉占軍，王斌，唐開遠，等.蓄電池充電智能管理器的設計[J].現代電子技術，2013，36（3）：139?141.

[9] 李虹飛，崔宗超.基于PIC16F887智能防爆電磁式起動電抗器[J].煤礦安全，2011（9）：65?68.

[10] 王福興，王治國，劉亞龍，等.鉛酸蓄電池的充電技術與設備[J].電源技術應用，2011，14（5）：9?13.