電動力農機直流調速控制器的設計與試驗

聶 偉，陸奇志，曹陽明，尹 倩

（新疆交通職業技術學院汽車工程學院，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境污染問題的關注，內燃機驅動逐步被電力驅動所替代。為了順應時代的發展，電動農機逐漸成為未來的發展趨勢。傳統農機動力源為柴油內燃機，除排放碳氧化物與氮氧化物造成大氣污染，也會因為油污問題污染土地進而影響糧食品質[1]。

目前主要限制電動農機發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。電動農機具有能量利用率高，輸出扭矩大，零污染排放且容易小型化的優點[2]，當前主要應用于小型農具的設計，如除草機、施藥設備、溫室大棚耕種機械、排灌與畜牧機械等[3]。

本文設計了一種直流電機調速控制器，調速方式為脈沖寬度調制（PWM）調節電機電樞的供電電壓[4]，可用于電動力農用機械調速控制[5]，如小型收割機轉向系統[6]、小型田間運輸設備的驅動控制[7]、施肥與除草機的電力驅動控制等[8]，具有成本造價低廉，可與電腦通信的特點。

1 系統硬件設計

控制器硬件設計流程如圖1，涉及到單片機，上位機通訊，工作狀態指示，溫度檢測與功率驅動。由上位機串口發送控制指令，下位機收到指令后將工作狀況示反饋到上位機?？啥鄠€并聯控制，在需求直流電機的控制場合進行工作，用于農機裝備的直流調速控制，并具有正反轉的控制功能。

圖1 硬件設計流程

1.1 控制芯片

控制器方案中單片機選型很重要，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單片機不具有獨立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，可以滿足本文設計需求。圖2是Atmega16 的最小系統，編程下載接口采用ISP[9-10]。

圖2 Atmega16 最小系統

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

表1 片上資源分配

1.2 功率驅動

考慮長久工作穩定性，選取BTS7960 半橋驅動作為功率芯片。BTS7960 內部為P 溝道高電位場效應晶體管與N 溝道低電位場效應晶體管，結合一個驅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。

控制器設計目標是實現兩路全橋控制，按照傳統BTS7960 驅動方式將使用四路PWM 信號，單片機資源將不足以支撐控制需求[11-12]，本文使用一種改進驅動方式，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：當使能端為高電平，輸入端有信號才會接通。所以可用單片機普通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]。該控制方式節約單片機內部資源達到同樣控制效果，可簡化程序，減輕單片機負載，提高代碼效率。

圖3 BTS7960 改進控制電路

1.3 串口通信

RS232 是個人計算機上的通訊接口之一，在串行通訊時，要求通訊雙方都采用一個標準接口，使不同的設備可以方便地連接起來進行通訊。單片機采用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 個電容為內部電荷泵的儲能器。Atmega16 具有一路USART，芯片提供兩路電平轉換，使用時可任意選擇[14]。

圖4 串口通信電路

1.4 溫度控制

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

圖5 風扇控制驅動電路

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。采用單總線協議通信，自帶A/D 轉換器。采集模擬信號后通過A/D 轉換器轉換成數字信號形成對應數值，編程可以實現最高12 位溫度存儲值，在寄存器中以補碼的格式儲存。由于只有一條通信線，接收和發送占用單片機一個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，所以在控制上需要注意工作接收時高阻輸入，發送時開漏輸出，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進行設計，雙層板布局，所有和功率芯片通信的I/O 端口都進行了地線隔離，穩壓濾波，保險設計。大電流承載處加粗布線阻焊開窗加焊，防止絕緣擊穿[16]。驅動功率供電和控制芯片供電必須進行隔離，所以使用雙電源設計?？刂菩酒褂?2 V 電源供電并用L7805 進行5 V 穩壓。

程序使用ICCAVR 進行編譯設計，程序設計流程如圖6。串口調試工具為格西烽火，該工具可以創建激勵表，自動向下位機發送預先設置好的字符串。

圖6 程序流程圖

Atmega16控制器初始化USART。數據寄存器UDR，控制和狀態寄存器UCSR，波特率寄存器UBRRL，UBRRH。UDR是USART發送和接收的公用寄存器，寫入UDR 時通過UDR 發送，讀取UDR 時返回UDR 的內容。通過控制三個狀態寄存器UCSRx 可以配置串口的通信模式，數據幀的位數，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 數值高八位賦值UBRRH，低八位賦值UBRRL 則可以實現波特率的設置，需要注意的是只有先寫入高八位，后寫入低八位設置才能有效。接收和發送采用ASCII 碼的方式，串口接收到的數據將寫入單片機數據緩沖區，在程序主循環中對緩沖區進行遍歷搜索。

2 調試和試驗結果

圖7 為實際完成的控制器，經過測試所有設計功能均正常工作。

圖7 控制器實物圖

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，其工作形式為計數器從BOTTOM 計數到TOP，再從TOP 反向計數比較匹配輸出，所以PWM波形上升沿下降沿比較對稱，更適合用于電機PWM 輸入控制，上位機發送字符串修改定時器寄存器數據，實現0%～100%占空比可調。

使用某150W直流電機進行測試，其額定電壓為24V，額定轉速7 000r/pm。圖9 為基于此電機的控制器空載轉速測試，此處只給出橋A 測試數據。據圖可知正轉反轉調速特性趨勢大體相同，由于電氣設計原因正轉要慢于反轉轉速。

圖9 電機轉速隨占空比變化

表2 功率特性

表2 為不同占空比下正反轉的電壓電流特性。通過數據可以看出，功率在50%占空比以上電流基本不發生變化，功率的調整主要由電壓脈寬調制進行控制；50%以下占空比電壓和電流會同時發生降低，功率不再為線性變化。低于20%占空比功率將低于電機最低空載功率，電機不發生轉動，但可檢測到電阻損耗。測試結果表明，針對實驗測試用150W直流電機，調速控制可實現20%～100%占空比調速，50%以上占空比可穩定調整電機功率大小以此控制電機轉速。

3 結論

使用Atmega16 單片機為控制器核心，對半橋芯片設計了一種不同于通用方案的驅動電路，簡化了編程同時節約單片機設備資源，最終實現直流電機的全橋驅動控制，通過試驗驗證控制器的控制功能。具有造價低廉，易于設計的特點，可以為電動力農機電機驅動提供廉價設計方案思路，具有一定的實際應用價值。