電動力農(nóng)機(jī)直流調(diào)速控制器的設(shè)計與試驗(yàn)

聶 偉，陸奇志，曹陽明，尹 倩

（新疆交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院汽車工程學(xué)院，新疆烏魯木齊830052）

0 引言

隨著化石能源枯竭造成的油價上漲與國際對環(huán)境污染問題的關(guān)注，內(nèi)燃機(jī)驅(qū)動逐步被電力驅(qū)動所替代。為了順應(yīng)時代的發(fā)展，電動農(nóng)機(jī)逐漸成為未來的發(fā)展趨勢。傳統(tǒng)農(nóng)機(jī)動力源為柴油內(nèi)燃機(jī)，除排放碳氧化物與氮氧化物造成大氣污染，也會因?yàn)橛臀蹎栴}污染土地進(jìn)而影響糧食品質(zhì)[1]。

目前主要限制電動農(nóng)機(jī)發(fā)展的因素為電池耐久度與使用壽命，隨新能源汽車的普及該問題在未來有望被解決。電動農(nóng)機(jī)具有能量利用率高，輸出扭矩大，零污染排放且容易小型化的優(yōu)點(diǎn)[2]，當(dāng)前主要應(yīng)用于小型農(nóng)具的設(shè)計，如除草機(jī)、施藥設(shè)備、溫室大棚耕種機(jī)械、排灌與畜牧機(jī)械等[3]。

本文設(shè)計了一種直流電機(jī)調(diào)速控制器，調(diào)速方式為脈沖寬度調(diào)制（PWM）調(diào)節(jié)電機(jī)電樞的供電電壓[4]，可用于電動力農(nóng)用機(jī)械調(diào)速控制[5]，如小型收割機(jī)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)[6]、小型田間運(yùn)輸設(shè)備的驅(qū)動控制[7]、施肥與除草機(jī)的電力驅(qū)動控制等[8]，具有成本造價低廉，可與電腦通信的特點(diǎn)。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計

控制器硬件設(shè)計流程如圖1，涉及到單片機(jī)，上位機(jī)通訊，工作狀態(tài)指示，溫度檢測與功率驅(qū)動。由上位機(jī)串口發(fā)送控制指令，下位機(jī)收到指令后將工作狀況示反饋到上位機(jī)。可多個并聯(lián)控制，在需求直流電機(jī)的控制場合進(jìn)行工作，用于農(nóng)機(jī)裝備的直流調(diào)速控制，并具有正反轉(zhuǎn)的控制功能。

圖1 硬件設(shè)計流程

1.1 控制芯片

控制器方案中單片機(jī)選型很重要，硬件開銷需求為幾路PWM 控制信號，串口通信，普通I/O 口。由于51單片機(jī)不具有獨(dú)立PWM 模塊需要用I/O 口模擬占用CPU 資源，所以選擇ATMEL 公司Atmega16 芯片。該芯片具有獨(dú)立PWM 資源，可輸出2 路8 位PWM 信號和1 路16 位PWM 信號，可以滿足本文設(shè)計需求。圖2是Atmega16 的最小系統(tǒng)，編程下載接口采用ISP[9-10]。

圖2 Atmega16 最小系統(tǒng)

下表為單片機(jī)資源分配，部分功能需配置單片機(jī)Atmega16 熔絲位，I/O 分配依據(jù)為電路設(shè)計和程序設(shè)計提供便捷。

表1 片上資源分配

1.2 功率驅(qū)動

考慮長久工作穩(wěn)定性，選取BTS7960 半橋驅(qū)動作為功率芯片。BTS7960 內(nèi)部為P 溝道高電位場效應(yīng)晶體管與N 溝道低電位場效應(yīng)晶體管，結(jié)合一個驅(qū)動芯片形成完全整合高電位半橋。由于電氣性能限制，輸入電壓必須小于27 V，同時極限承載電流為43 A。

控制器設(shè)計目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)兩路全橋控制，按照傳統(tǒng)BTS7960 驅(qū)動方式將使用四路PWM 信號，單片機(jī)資源將不足以支撐控制需求[11-12]，本文使用一種改進(jìn)驅(qū)動方式，考慮到芯片具有使能端，可以利用選通方法來控制芯片輸出。其工作順序是：當(dāng)使能端為高電平，輸入端有信號才會接通。所以可用單片機(jī)普通I/O 口作為芯片選通端接入到芯片輸入端IN，將PWM 信號一直加載在芯片使能端。圖3 即為改進(jìn)控制電路。

BTS7960 使能端一直有PWM 信號，等價為兩功率橋，均收到PWM 信號，但因輸入端IN 低電平，所以芯片不工作。此時利用普通I/O 口作為輸出端，置高一路芯片輸入端即可工作[13]。該控制方式節(jié)約單片機(jī)內(nèi)部資源達(dá)到同樣控制效果，可簡化程序，減輕單片機(jī)負(fù)載，提高代碼效率。

圖3 BTS7960 改進(jìn)控制電路

1.3 串口通信

RS232 是個人計算機(jī)上的通訊接口之一，在串行通訊時，要求通訊雙方都采用一個標(biāo)準(zhǔn)接口，使不同的設(shè)備可以方便地連接起來進(jìn)行通訊。單片機(jī)采用TTL電平，即+5 V 為邏輯“1”,0 V 為邏輯”“0，RS232 定義電平+12 V 為邏輯”“0，-12 V 為邏輯”“1，所以需要電平轉(zhuǎn)換芯片，在此選用MAX232。圖4 是基于此的電路，外接5 個電容為內(nèi)部電荷泵的儲能器。Atmega16 具有一路USART，芯片提供兩路電平轉(zhuǎn)換，使用時可任意選擇[14]。

圖4 串口通信電路

1.4 溫度控制

由于系統(tǒng)工作時產(chǎn)生大量熱量，需要對其進(jìn)行溫度監(jiān)控。采用PWM 風(fēng)扇進(jìn)行散熱，若用單片機(jī)對其進(jìn)行控制就必須要增加一個電機(jī)控制芯片。此處選擇L9110S驅(qū)動芯片，圖5 為L9110S 驅(qū)動控制電路。其中OA 和OB 是芯片的選通控制引腳，IB 和IA 是連接風(fēng)扇的兩個引腳，選通OA 和OB 就可以改變輸出的邏輯。

圖5 風(fēng)扇控制驅(qū)動電路

DS18B20 是美信公司的三腳TQ92 封裝溫度傳感器，I/O 定義分別是GND、DQ 和VDD。采用單總線協(xié)議通信，自帶A/D 轉(zhuǎn)換器。采集模擬信號后通過A/D 轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號形成對應(yīng)數(shù)值，編程可以實(shí)現(xiàn)最高12 位溫度存儲值，在寄存器中以補(bǔ)碼的格式儲存。由于只有一條通信線，接收和發(fā)送占用單片機(jī)一個I/O口，所以硬件電路簡單，便于嵌入。但正是由于使用一條信號線來收發(fā)，所以在控制上需要注意工作接收時高阻輸入，發(fā)送時開漏輸出，但傳感器不具有輸出高電平能力，所以需要在DQ 端接上拉電阻[15]。

1.5 電路與程序

PCB采用AltiumDesigner13進(jìn)行設(shè)計，雙層板布局，所有和功率芯片通信的I/O 端口都進(jìn)行了地線隔離，穩(wěn)壓濾波，保險設(shè)計。大電流承載處加粗布線阻焊開窗加焊，防止絕緣擊穿[16]。驅(qū)動功率供電和控制芯片供電必須進(jìn)行隔離，所以使用雙電源設(shè)計。控制芯片使用12 V 電源供電并用L7805 進(jìn)行5 V 穩(wěn)壓。

程序使用ICCAVR 進(jìn)行編譯設(shè)計，程序設(shè)計流程如圖6。串口調(diào)試工具為格西烽火，該工具可以創(chuàng)建激勵表，自動向下位機(jī)發(fā)送預(yù)先設(shè)置好的字符串。

圖6 程序流程圖

Atmega16控制器初始化USART。數(shù)據(jù)寄存器UDR，控制和狀態(tài)寄存器UCSR，波特率寄存器UBRRL，UBRRH。UDR是USART發(fā)送和接收的公用寄存器，寫入UDR 時通過UDR 發(fā)送，讀取UDR 時返回UDR 的內(nèi)容。通過控制三個狀態(tài)寄存器UCSRx 可以配置串口的通信模式，數(shù)據(jù)幀的位數(shù)，起始停止位等。UBRRH 和UBRRL 合并為16 位的寄存器UBRR，前者為UBRR的高8位，后者為低8 位。此寄存器用來確定通信時的波特率。在異步模式下波特率的計算公式如下：

已知硬件時鐘頻率fosc 為8Mhz，為了整體通信速度波特率選用19200。將計算得到UBRR 數(shù)值高八位賦值UBRRH，低八位賦值UBRRL 則可以實(shí)現(xiàn)波特率的設(shè)置，需要注意的是只有先寫入高八位，后寫入低八位設(shè)置才能有效。接收和發(fā)送采用ASCII 碼的方式，串口接收到的數(shù)據(jù)將寫入單片機(jī)數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，在程序主循環(huán)中對緩沖區(qū)進(jìn)行遍歷搜索。

2 調(diào)試和試驗(yàn)結(jié)果

圖7 為實(shí)際完成的控制器，經(jīng)過測試所有設(shè)計功能均正常工作。

圖7 控制器實(shí)物圖

圖8 PWM 控制測試

圖8 為 PWM 測試，接入示波器 CH1 與 CH2，信號源分別來自Atmega16 定時器0 和定時器2。功率橋極限頻率為25kHz，程序生成PWM 為19.65 kHz，考慮信號干擾問題盡量使用高頻。采用相位修正PWM，該模式下方波左右比較對稱，其工作形式為計數(shù)器從BOTTOM 計數(shù)到TOP，再從TOP 反向計數(shù)比較匹配輸出，所以PWM波形上升沿下降沿比較對稱，更適合用于電機(jī)PWM 輸入控制，上位機(jī)發(fā)送字符串修改定時器寄存器數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)0%～100%占空比可調(diào)。

使用某150W直流電機(jī)進(jìn)行測試，其額定電壓為24V，額定轉(zhuǎn)速7 000r/pm。圖9 為基于此電機(jī)的控制器空載轉(zhuǎn)速測試，此處只給出橋A 測試數(shù)據(jù)。據(jù)圖可知正轉(zhuǎn)反轉(zhuǎn)調(diào)速特性趨勢大體相同，由于電氣設(shè)計原因正轉(zhuǎn)要慢于反轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速。

圖9 電機(jī)轉(zhuǎn)速隨占空比變化

表2 功率特性

表2 為不同占空比下正反轉(zhuǎn)的電壓電流特性。通過數(shù)據(jù)可以看出，功率在50%占空比以上電流基本不發(fā)生變化，功率的調(diào)整主要由電壓脈寬調(diào)制進(jìn)行控制；50%以下占空比電壓和電流會同時發(fā)生降低，功率不再為線性變化。低于20%占空比功率將低于電機(jī)最低空載功率，電機(jī)不發(fā)生轉(zhuǎn)動，但可檢測到電阻損耗。測試結(jié)果表明，針對實(shí)驗(yàn)測試用150W直流電機(jī)，調(diào)速控制可實(shí)現(xiàn)20%～100%占空比調(diào)速，50%以上占空比可穩(wěn)定調(diào)整電機(jī)功率大小以此控制電機(jī)轉(zhuǎn)速。

3 結(jié)論

使用Atmega16 單片機(jī)為控制器核心，對半橋芯片設(shè)計了一種不同于通用方案的驅(qū)動電路，簡化了編程同時節(jié)約單片機(jī)設(shè)備資源，最終實(shí)現(xiàn)直流電機(jī)的全橋驅(qū)動控制，通過試驗(yàn)驗(yàn)證控制器的控制功能。具有造價低廉，易于設(shè)計的特點(diǎn)，可以為電動力農(nóng)機(jī)電機(jī)驅(qū)動提供廉價設(shè)計方案思路，具有一定的實(shí)際應(yīng)用價值。