基于STM32單片機控制的電動微耕機研制

張 強，楊光友

(湖北工業大學 農業機械工程研究設計院，武漢 430068)

0 引言

隨著我國農業現代化進程的不斷推進，設施農業也在快速發展，而相比發達國家，我國設施農業的機械化水平仍很低，棚室內作業大部分以人力為主，耕作者勞動強度大、工作環境惡劣，易疲勞且工作效率低下。為此，本文研制了一種由單片機控制、電力驅動的自行走式電動微耕機。試驗表明：該類電動微耕機作業效率高、環境污染小、工作可靠，能夠滿足當前的大棚作業農藝要求[1]。

1 電動微耕機結構布局及動力系統工作原理

1.1 整機結構布局

電動微耕機整體結構布局如圖1所示。其結構上共有5大組成部分：底盤驅動部分、控制部分、蓄電池組、提升機構和旋耕機構。其中，底盤作為整個機體的承重支撐部件，其前端裝有立式蝸輪蝸桿減速器和驅動電機，緊鄰驅動電機的是微耕機的大腦—控制箱，負責控制微耕機執行一系列動作。在底盤中部安裝著整個機器的動力源—蓄電池組，為各動力設備提供電能。底盤后端安裝有提升機構和旋耕機構，在它們的緊密配合下微耕機能夠按照指定耕深作業。

1.車架 2.驅動電機 3.控制器 4.蓄電池組 5.滑塊 6.電機安裝座 7.步進電機 8.連接板 9.旋耕電機 10.擋泥板 11.旋耕刀 12.漲緊輪 13.支重輪 14.調節螺桿 15.滑桿 16.底盤 17.驅動輪圖1 電動微耕機結構示意圖

1.2 整機電驅動系統的工作原理

電驅動系統是電動機器的心臟，按其功能可劃分為電器控制和機械傳動兩部分[2]，如圖2所示。

電器控制原理：整機工作過程中，操作者通過手持遙控器向微耕機發送命令，如車體前進、后退、旋耕機構提升及刀具旋轉等，主控制器端STM32F407芯片接收到控制指令后，向各電機驅動器發送相應脈沖控制電機轉動。其機械傳動原理如圖3所示。

底盤驅動電機經蝸輪蝸桿減速器通過平鍵與驅動輪相連，通過控制底盤兩側驅動電機轉速和旋向可實現底盤的前進、后退和轉向功能。在提升機構中，步進電機通過聯軸器與絲杠滑臺相連，控制步進電機轉速和轉向可調節滑臺移動速度和方向。旋耕機構作為微耕機的執行機構，旋耕動力通過旋耕電機連接蝸輪蝸桿減速器輸出，旋耕刀軸經短銷固定在減速器輸出軸上，整個機構傳動部分分為3塊，各自獨立，互不影響。

圖2 電器控制原理圖

圖3 機械傳動原理圖

2 旋耕機構電參數設計

2.1 旋耕電機選型

電動微耕機是機電一體化的產物，其工作性能好壞不僅與機械結構有關，還與動力傳遞系統中的電參數有關[3]。旋耕機構是微耕機最重要的組成部分，其電參數設計必須以微耕機實際工作環境為依據。綜合電動微耕機作業環境及自身特點，總結出旋耕電機需滿足的要求有以下幾點：

1)啟動時，要有足夠大的轉矩，因為旋耕刀軸常需要帶負載啟動；

2)具有一定的過載能力，在作業過程中待耕作土壤中可能存在磚塊、石頭等硬物，當旋耕刀接觸到此類硬物，會突然增大旋耕阻力，因此所選電機必須具備較強過載能力，才能在突發情況下不被損壞；

3)便于控制，從而保證穩定可靠的工作狀態；

4)結構簡單，價格低廉，具有較好的互換性。

表1為電力驅動系統中常用的4種電動機：電磁直流有刷電機、永磁式直流無刷電機、異步電機及開關阻尼式電機。通過表1分析知：永磁式直流無刷電機各項性能指標優異，綜合性能最好，因此選其作為微耕機旋耕驅動電機。

表1 4種常用電動機性能比較

2.2 旋耕電機功率確定

由于作業環境特殊性，旋耕驅動電機常常需要帶負載啟動，因此在功率選擇方面，需要所選電機功率較實際作業所需功率預留一定安全系數。相關功率計算公式為

Pn≥KPf/ηT

(1)

式中Pn—所選電機功率(kW)；

K—安全系數；

Pf—實際作業所需電機功率(kW)；

ηT—旋耕機構傳動效率。

電動微耕機在棚室內作業，旋耕電機實際消耗功率可由相關經驗公式確定[2],即

Pf=0.1KλHBV

(2)

Kλ=KgK1K2K3K4

(3)

式中H—旋耕深度(cm)，取H=10；

B—耕作幅寬(m)，取B=0.6；

V—耕作時車體行進速度(m/s)，取V=0.6；

Kλ—旋耕阻尼比；

Kg—旋耕阻尼比修正系數，取Kg=11；

K1—耕深修正系數，取K1=0.8；

K2—土壤含水率修正系數，取K2=0.85；

K3—殘存茬梗、植被修正系數，取K3=0.8；

K4—作業方式修正系數，取K4=0.66。

結合式(2)將相關參數帶入式(3)可得：Kλ=3.95，Pf=1.42kW；選取1.2倍安全系數即K=1.2，旋耕機構傳動系統中，蝸輪蝸桿減速器傳動效率約為80%，取ηT=0.8，將參數帶入式(1)可得Pn≥KPf/ηT=2.13kW；查閱電機選型手冊，選定電機功率為2.2kW。

綜合上述分析，旋耕電機最終規格定為：永磁式直流無刷電機，額定功率2.2kW，額定轉速2 850r/min，額定扭矩為7.2N·m，旋耕機構傳動系統中所用渦輪蝸桿減速器傳動比為1∶25，因此旋耕刀軸輸出額定扭矩為180N·m。

3 基于慣性導航的微耕機控制系統設計

3.1 硬件設計

微耕機的控制系統相當于人類的神經中樞，其優劣性直接影響到微耕機的響應速度、可操作性及工作質量等。在控制系統中，主控芯片是微耕機的大腦，決定著微耕機對指令的執行效率、功能的可擴展性及程序的可移植性等。本文所述電動微耕機選用STM32F407芯片作為主控芯片，其主屏高達168M,能夠有效保證程序運算速度，再加上其豐富的硬件接口便于后期微耕機的功能擴展及ST公司提供的大量可調用庫函數，大大降低了程序設計難度和周期。

控制系統相關原理簡述：慣性導航模塊選用MPU6050，6軸傳感器，將其安裝在微耕機前端合適位置，通過SPI接口與主機(STM32F4芯片)通信。它能夠把微耕機的實時姿態傳輸給主控板，主控制器通過姿態解算，發布指令調整微耕機運動。微耕機移動平臺(履帶底盤)、提升機構、執行機構均通過相應電機驅動器與主控板I/O口相連，達到控制目的。無線收發模塊選用2.4G NRF24L01，其能耗小、抗干擾性強、效率高，同樣是通過SPI接口與主控板進行數據交互；手持遙控端采用MP430單片機處理NRF24L01的收發數據，加強型NRF24L01帶外置天線，空曠地帶無線傳輸距離可達200m以上，能夠保證操作者遠程遙控需要。

3.2 軟件設計

慣導模塊主要完成兩方面任務：一是微耕機運動姿態采集；二是姿態解算以及將數據反饋給STM32主控芯片。通過SPI總線實現主控板與慣導模塊的信息交互。信息交互式的控制模式決定了本控制系統必須為帶反饋的閉環控制系統， 因此在兩底盤驅動電機相應位置安裝霍爾傳感器，用以檢測相應電機的實際轉速并反饋給車載控制端。

本文所述電動微耕機利用慣導模塊的控制策略(見圖4)：慣導模塊(MPU6050)安裝在車體相應位置，在初始化模塊后隨著車體的不斷運動，慣導模塊會采集到車體的X、Y、Z三軸加速度和角加速度，并通過自身攜帶的數字運動處理器(DMP)將采集到的數據轉化成主控板可用的四元數，通過SPI接口反饋給STM32F407主控板；主控板分析數據后發布相應的控制指令，調節左右驅動電機使車體能夠保持預定的直線行走。

圖4 基于慣性導航的控制原理簡圖

微耕機底盤驅動電機控制，是整個控制系統的核心所在，它決定著電動微耕機的直線行走、轉向效果以及作業質量好壞。電動微耕機基于慣導模塊的控制流程圖，如圖5所示。

首先，在控制模塊上電之后進行各I/O口、定時器及其它功能外設初始化，通過遙控端向主控板發送左轉、右轉、前進、停止指令，控制機體執行相應動作，等待MPU慣導模塊向主控板反饋車體姿態信息，左側驅動電機速度信號為Speed1,右側驅動電機速度信號為Speed2。當Speed值小于80時，電機停止轉動，當Speed值大于或等于175時電機轉速達到最大，占空比為175。當判斷出車體沒按照指定要求運動時，執行相應調節程序，持續采集車體姿態信息反饋給主控板，最終調正車體姿態并保證左右兩側電機轉速一致，達到電動微耕機直線行走或作業的效果。

4 微耕機提升機構設計

4.1 提升機構傳動設計

本設計微耕機提升機構較為簡單，主要由步進電機加絲杠滑臺組成，如圖6所示。選用57步進電機為提升機構提供動力，步進電機具有控制簡單、能耗小、扭矩大等一系列優點。步進電機經電機安裝座固定在絲杠滑臺上端，電機輸出軸通過聯軸器與絲杠相連，絲杠兩側光杠起支撐滑塊和導向作用，通過控制步進電機相應動作即可控制連接在滑塊上的旋耕機構沿豎直方向移動。在微耕機運輸過程中，控制絲杠轉動令旋耕機構提升至指定高度可增大機體通過性，在作業過程中控制絲杠運動從而使旋耕刀達到指定耕作深度。

圖5 基于慣性導航的控制流程圖

1.57步進電機 2.絲杠 3.光杠 4.滑臺圖6 提升機構簡圖

4.2 提升機構控制原理

對于57步進電機的控制采用方波控制形式，利用STM32F407主控板上相應定時器產生一定頻率方波脈沖，即可控制步進電機帶動絲杠旋轉，改變向步進電機驅動器輸入的脈沖方向即可改變步進電機旋轉方向。由于絲杠螺距已知，因此可根據設定的步進電機頻率計算出每秒鐘滑臺沿一定方向移動距離，從而可通過持續發送脈沖的時間精確控制旋耕深度。

5 田間試驗與結果

5.1 試驗基本條件

田間性能試驗在位于湖北省黃梅縣小池鎮的郊區試驗田內進行。小池鎮屬北亞熱帶大陸性氣候，全年降水量為1 270mm左右，土質多為黏性，堅實度為174.5×104Pa；土壤含水率18.5%(0～5cm)，22.6%(5～10)cm。試驗田為芹菜收獲后的待耕地，鋪灑秸稈作為肥料，其覆蓋量為1.8kg/m2。

5.2 試驗結果

電動微耕機相關技術參數如表2所示。車體左右兩側各裝有一個底盤驅動電機，其額定電壓為48V。提升機構所用57步進電機額定電壓為24v，旋耕電機額定電壓為60V。上述各類電機所需電壓均由鋰電池組提供。

表2 電動微耕機相關技術參數

5.2.1 微耕機行走和耕作時間

微耕機行走機構電機總功率為2kW，供電鋰電池規格為48V40ah，理論計算出微耕機行走機構在電機額定功率下，可持續運轉0.96h，實地測試為0.83h。微耕機旋耕機構電機總功率為2.2kW，供電鋰電池規格為60V40ah，理論計算出旋耕電機在額定功率下可持續工作1.09h，實地測試時間為0.98h。

微耕機工作時間測試實際值略低于理論值，基本達到了預期設計要求。分析產生該現象原因為：微耕機行在實際運行中履帶間的摩擦阻力，旋耕刀軸潤滑效果等因素都會加大電機功率消耗，因此電機實際消耗功率略大于理論值。

5.2.2 微耕機空載速度及耕作效率

底盤驅動電機額定轉速為2 800r/min，空載轉速為3 100r/min，與之配套減速器減速比為1∶25,驅動輪直徑為200mm。理論計算在額定轉速下驅動輪每秒約轉1.87圈，底盤速度4.23km/h，最高轉速下底盤速度4.67km/h，實測底盤最快行進速度為4.4km/h。分析該現象原因：微耕機在實際工作中存在傳動效率損失，而理論計算忽略了這一點。

1hm2土地面積約為9 900m2，在1hm2土地范圍內微耕機大約需要行走9km，而微耕機總行駛距離約為4km，理論可耕作面積0.44hm2，實際耕作面積為0.35hm2左右。分析原因：微耕機實際作業環境較為復雜，部分影響因素在計算過程中被忽略掉了，因此會產生理論和實際的偏差。

5.2.3 基于慣導模塊的車體直線行走和作業

結合慣導模塊控制，當車體保持空載且速度為3km/h時，每千米直線誤差達到13cm，高于預期的5cm誤差。當微耕機作業時耕深設定為10cm且行進速度為3km/h,每千米誤差達到33cm，高于預期的10cm。分析現象原因：一方面所使用慣導模塊精度較低，功能簡單；另一方面零部件機械加工精度不夠，控制程序有待優化。

6 結論

該設計電動微耕機在安全檢查、機身總長、結構質量、比質量及最大耕深等多個方面測試均符合國家技術要求。平均耕幅為60cm，耕作效率達到了0.3hm2/h，遠超于目前市面上內燃機驅動手扶式微耕機，約0.13hm2/h的工作效率。此款電動微耕機耗電量為18.5kW·h/ hm2，按0.6元/(kW·h)電計算，耕作1 hm2土地只需電費成本11.1元，而同功率汽油微耕機每耕作1hm2約消耗汽油12L，按汽油價格8元/L計算，耕作1hm2土地需燃油費用96元。經以上簡單分析就可比較出此款電動微耕機經濟性遠好于市面上同規格微耕機，且具有能耗低、污染小、工作效率高、智能化程度高等一系列優點。