無(wú)刷直流電機(jī)控制技術(shù)在淡水養(yǎng)殖割草船中的應(yīng)用

王琢 張俊峰 高星星 肖進(jìn) 羅友誼 田滿洲 彭桂元

摘要：在農(nóng)業(yè)淡水養(yǎng)殖中，適量的水草有利于魚類的呼吸作用，并能夠凈化水質(zhì)，但過(guò)量的水草會(huì)影響魚類的成活和生長(zhǎng)。機(jī)械割草是目前應(yīng)用最廣泛的除草方式，割草船推進(jìn)系統(tǒng)是機(jī)械割草重要的一個(gè)環(huán)節(jié)，無(wú)刷直流電機(jī)是一種典型的機(jī)電一體化設(shè)備。利用嵌入式技術(shù)、電力電子技術(shù)、模擬電子技術(shù)、數(shù)字電子技術(shù)，設(shè)計(jì)了基于無(wú)刷直流電機(jī)的割草船控制系統(tǒng)，通過(guò)硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了航向控制、航速控制、割草控制。通過(guò)樣機(jī)測(cè)試，控制系統(tǒng)具有較高的實(shí)用性、穩(wěn)定性，對(duì)比傳統(tǒng)的有刷直流電機(jī)，采用無(wú)刷直流電機(jī)的機(jī)械割草船擁有更長(zhǎng)的使用壽命。

關(guān)鍵詞：機(jī)械割草;淡水養(yǎng)殖;無(wú)刷直流電機(jī);航行控制

中圖分類號(hào)：S969.38

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：0439-8114（ 2020） 12-0159-05

D01：10.1408 8/.j .cnki.issn043 9- 8114.2020.12.035

開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）：

水草是池塘生態(tài)系統(tǒng)中不可缺少的一部分，在光照下能持續(xù)地產(chǎn)生氧氣，并將氧溶解于水中，有利于魚、蝦、蟹的呼吸作用。然而，由于水體富營(yíng)養(yǎng)化，氮含量上升，導(dǎo)致很多池塘出現(xiàn)了水草瘋長(zhǎng)的現(xiàn)象。過(guò)多的水草吸收水中營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，降低水體肥度，減少魚類的活動(dòng)空間，嚴(yán)重影響魚苗的成活和生長(zhǎng)，如果不及時(shí)處理，會(huì)對(duì)整個(gè)池塘的生態(tài)平衡造成破壞[1-3]。常見(jiàn)的除草方法有除草劑除草、生物除草、人工割草以及機(jī)械割草等。除草劑分為化學(xué)除草劑和生物除草劑，化學(xué)除草劑存在危害環(huán)境、有毒性殘留的問(wèn)題，已逐漸被生物除草劑替代。生物除草劑是指利用自然界中的生物（包括微生物、植物和動(dòng)物）或其組織、代謝物生產(chǎn)的用于除草的生物制劑，可以有效減少化學(xué)除草劑殘留，消除二次污染，改善農(nóng)業(yè)生態(tài)，有利于實(shí)現(xiàn)環(huán)境安全和農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展[4-6]。生物除草是針對(duì)需要除去的草類來(lái)放養(yǎng)生物，在池塘中喂養(yǎng)食草性的魚類來(lái)去除多余的水草。人工割草是指人直接進(jìn)入池塘，拔掉多余的水草，費(fèi)時(shí)、費(fèi)力且效率低下。機(jī)械割草是利用可以在水面航行的機(jī)組進(jìn)行割草作業(yè)，勞動(dòng)強(qiáng)度低、作業(yè)效率高。目前，割草船在淡水魚養(yǎng)殖、蝦蟹養(yǎng)殖中得到了廣泛的應(yīng)用，許多電力推進(jìn)的割草船采用普通的有刷直流電機(jī)。有刷直流電機(jī)中電刷和換向器的滑動(dòng)接觸造成了機(jī)械磨損和火花，存在故障多、可靠性低、壽命短、保養(yǎng)維護(hù)工作量大等缺點(diǎn)。本研究將無(wú)刷直流電機(jī)及其控制技術(shù)應(yīng)用到農(nóng)業(yè)淡水養(yǎng)殖割草船上，開發(fā)了一套硬件和軟件系統(tǒng)。

1 無(wú)刷直流電機(jī)控制技術(shù)

無(wú)刷直流電機(jī)克服了有刷直流電機(jī)的缺陷，以電子換向器取代了機(jī)械換向器，無(wú)刷直流電機(jī)既具有直流電機(jī)良好的調(diào)速性能，又具有交流電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、無(wú)換向火花、運(yùn)行可靠和易于維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)。無(wú)刷直流電機(jī)的實(shí)質(zhì)是直流電源輸入，采用電子逆變器將直流電轉(zhuǎn)換為交流電，有轉(zhuǎn)子位置反饋的三相交流永磁同步電機(jī)。無(wú)刷直流電機(jī)主要由用永磁材料制造的轉(zhuǎn)子、帶有線圈繞組的定子和位置傳感器組成。無(wú)刷直流電機(jī)的定子是線圈繞組電樞，轉(zhuǎn)子是永磁體。控制器實(shí)時(shí)檢測(cè)電機(jī)轉(zhuǎn)子的位置，再根據(jù)轉(zhuǎn)子的位置給電機(jī)的不同相通以對(duì)應(yīng)的電流，使定子產(chǎn)生方向均勻變化的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，電機(jī)就跟著磁場(chǎng)轉(zhuǎn)動(dòng)起來(lái)。目前，無(wú)刷電機(jī)控制技術(shù)廣泛地應(yīng)用在計(jì)算機(jī)外設(shè)、電子數(shù)碼、工業(yè)控制、醫(yī)療設(shè)備、汽車、家用電器等領(lǐng)域[7-9]。

2 淡水養(yǎng)殖割草船

淡水養(yǎng)殖割草船由船體、割草機(jī)構(gòu)、無(wú)刷直流電機(jī)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、葉輪、控制器組成（圖1）。該淡水養(yǎng)殖割草船采用了雙側(cè)推進(jìn)葉輪，取代了傳統(tǒng)的單推進(jìn)器和舵機(jī)的模式，使得割草船擁有更大的動(dòng)力輸出。當(dāng)兩側(cè)葉輪同方向旋轉(zhuǎn)時(shí)，可以推進(jìn)割草船前后運(yùn)動(dòng);當(dāng)某一側(cè)葉輪旋轉(zhuǎn)時(shí)，可以使割草船轉(zhuǎn)彎。因此，只要實(shí)現(xiàn)無(wú)刷直流電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向和轉(zhuǎn)速控制，就能夠?qū)崿F(xiàn)割草船的航行狀態(tài)控制。割草船航向與兩側(cè)電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)如表1所示。

3 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 硬件總體設(shè)計(jì)

淡水養(yǎng)殖割草船控制系統(tǒng)由單片機(jī)微控制單元、航向控制單元、航速控制單元、割草控制單元、前級(jí)驅(qū)動(dòng)單元、電子換向器單元、霍爾信號(hào)檢測(cè)單元、過(guò)流檢測(cè)單元、欠壓檢測(cè)單元、無(wú)刷直流電機(jī)、割草機(jī)構(gòu)、電量報(bào)警單元組成（圖2）。

3.2霍爾信號(hào)檢測(cè)單元

霍爾信號(hào)檢測(cè)電路見(jiàn)圖3，其作用是對(duì)電機(jī)內(nèi)部霍爾傳感器輸出的電平進(jìn)行低通濾波，將平穩(wěn)的信號(hào)波形送人單片機(jī)外部中斷。電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速為280 r/min，空載轉(zhuǎn)速為3 100 r/min，因此，霍爾傳感器信號(hào)的最大輸出頻率為310 Hz。R24和C11構(gòu)成一階RC低通濾波器，截止頻率設(shè)計(jì)為4.8 kHz。

3.3 電子換向單元

電子換向單元是無(wú)刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)的核心單元，控制系統(tǒng)根據(jù)霍爾信號(hào)檢測(cè)單元得到的電機(jī)轉(zhuǎn)子所在位置，然后依照定子繞線決定電子換向器中功率晶體管的開啟順序，使電流依序流經(jīng)電機(jī)線圈，產(chǎn)生順向或逆向的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，并與轉(zhuǎn)子的磁鐵相互作用，使電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)[10.11]。當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)到霍爾信號(hào)檢測(cè)單元得到另一組位置信號(hào)時(shí)，控制系統(tǒng)再開啟下一組功率晶體管，循環(huán)電機(jī)按同一方向繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)。若關(guān)閉功率晶體管，則電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng);若按照相反順序開啟功率晶體管，則電機(jī)反方向轉(zhuǎn)動(dòng)。

電子換向器是由12個(gè)N溝道場(chǎng)效應(yīng)功率晶體管CS48N88組成的全橋型控制電路，電路分為A、B、C三相，每相由上臂和下臂功率晶體管組成（圖4）。Ql、Q2為A相上臂功率晶體管，Q7、Q8為A相下臂功率晶體管，Q5、Q6為B相上臂功率晶體管，QIl、Q12為B相下臂功率晶體管，Q9、QlO為C相上臂功率晶體管，Q3、Q4為C相下臂功率晶體管，同相同臂的兩只功率晶體管同時(shí)開啟，以增大額定電流。同一組上臂功率晶體管和下臂功率晶體管不能同時(shí)開啟，否則會(huì)造成電源短路，電路損壞。系統(tǒng)根據(jù)霍爾信號(hào)檢測(cè)電路輸出的電平，得到電機(jī)內(nèi)轉(zhuǎn)子的位置，再根據(jù)電機(jī)需要的轉(zhuǎn)動(dòng)方向，控制功率晶體管的狀態(tài)，從而使電機(jī)帶動(dòng)葉輪轉(zhuǎn)動(dòng)，推進(jìn)割草船行駛，并通過(guò)調(diào)整PWM占空比實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)[12]。功率晶體管開啟的順序如表2所示。

3.4 前級(jí)驅(qū)動(dòng)單元

前級(jí)驅(qū)動(dòng)單元包括3個(gè)相同的三態(tài)輸出電路，分別驅(qū)動(dòng)3相的功率晶體管，圖5為A相功率晶體管的前級(jí)驅(qū)動(dòng)電路。AH和AL接單片機(jī)的GPIO，分別用于控制A相上臂和下臂功率晶體管的導(dǎo)通或截止。當(dāng)AH為高電平時(shí)，Q17、Q15、D2導(dǎo)通，從而Q1和Q2導(dǎo)通;當(dāng)AH為低電平時(shí)，Q17、Q15截止，Q16導(dǎo)通，從而Q1和Q2截止。當(dāng)AL為低電平時(shí)，Q21、Q20導(dǎo)通，從而Q7、Q8導(dǎo)通;當(dāng)AL為高電平時(shí)，Q21、Q20截止，Q22導(dǎo)通，從而Q7、Q8截止。CS48N88為N溝道MOS管，其柵極電壓高于源級(jí)電壓10 V以上的情況下，才能完全導(dǎo)通。C2為自舉電容，通過(guò)D1接到+15 V DC電源，當(dāng)所有MOS管關(guān)閉的情況下，C2通過(guò)D1和R8充電到13V。當(dāng)Q1、Q2導(dǎo)通，其源級(jí)電壓為48 V DC，此時(shí)C2充滿電，電壓仍為13 V，可以維持Q15導(dǎo)通并使Q1、Q2的柵極電壓在61 V DC，Q1、Q2完全導(dǎo)通。RT為康銅絲電阻，作用是采樣實(shí)時(shí)工作電流，當(dāng)電流超過(guò)17 A時(shí)，強(qiáng)制對(duì)電機(jī)限速。功率晶體管狀態(tài)控制邏輯如表3所示。

4 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

軟件系統(tǒng)主要包括航行控制程序和割草控制程序，本研究主要針對(duì)航行控制。系統(tǒng)上電后，循環(huán)檢測(cè)操作者發(fā)出的航行方向和航行速度信號(hào)，控制系統(tǒng)根據(jù)該指令實(shí)時(shí)調(diào)整兩側(cè)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向和速度，從而使得割草船按照操作者意圖航行。當(dāng)航行方向改變時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)方向可能會(huì)出現(xiàn)改變，也可能不變。當(dāng)割草船由前行向后退切換時(shí)，兩側(cè)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向同時(shí)反向，這時(shí)系統(tǒng)會(huì)控制電機(jī)先減速到停機(jī)狀態(tài)，再反向加速到設(shè)定速度;而當(dāng)割草船由前行向左轉(zhuǎn)切換時(shí)，右側(cè)電機(jī)始終保持反轉(zhuǎn)，這時(shí)控制系統(tǒng)不會(huì)對(duì)右側(cè)電機(jī)進(jìn)行調(diào)整。

4.1 航行控制程序設(shè)計(jì)

以割草船前進(jìn)時(shí)左側(cè)電機(jī)為例，控制流程如圖6所示。在任何情況下，電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)只可能為停機(jī)、正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)，而割草船前進(jìn)時(shí)，左側(cè)電機(jī)必須正轉(zhuǎn)。當(dāng)電機(jī)為停機(jī)狀態(tài)時(shí)，則電機(jī)加速正轉(zhuǎn)至設(shè)定速度，直接進(jìn)入加速正轉(zhuǎn)的子程序;當(dāng)電狀態(tài)為正轉(zhuǎn)時(shí)，則調(diào)速至設(shè)定航速;當(dāng)電機(jī)為反轉(zhuǎn)狀態(tài)時(shí)，電機(jī)先減速到電機(jī)停機(jī)狀態(tài)，然后進(jìn)入加速正轉(zhuǎn)的子程序。

4.2航向控制子程序設(shè)計(jì)

在硬件上，將霍爾信號(hào)檢測(cè)單元輸出接到單片機(jī)的外部中斷引腳上，當(dāng)轉(zhuǎn)子位置更新時(shí)，程序進(jìn)入中斷服務(wù)子程序，為了防止外界干擾和傳感器自身故障，會(huì)對(duì)信號(hào)進(jìn)行兩次鑒別。第一次鑒別采用連續(xù)讀取5次霍爾傳感器輸出電平，如果5次信號(hào)電平一致就認(rèn)為是有效信號(hào)。第二次鑒別是將本次電平和上次電平比較，若兩次信號(hào)變化確定是連續(xù)的兩拍，則認(rèn)為本次信號(hào)是有效信號(hào)。在接收到有效信號(hào)后，根據(jù)主程序置位的轉(zhuǎn)動(dòng)方向標(biāo)志，來(lái)控制相應(yīng)的功率晶體管導(dǎo)通、截止或輸出PWM信號(hào)，從而使兩側(cè)電機(jī)動(dòng)作。航向控制流程如圖7所示。

4.3 航速控制子程序設(shè)計(jì)

在硬件上，采用旋鈕式電位器來(lái)進(jìn)行調(diào)速，再用單片機(jī)的ADC來(lái)檢測(cè)電位器給定電壓，電壓范圍為0-10 V，對(duì)應(yīng)輸出PWM占空比0%～100%。程序在定時(shí)器中斷時(shí)對(duì)PWM占空比進(jìn)行調(diào)節(jié)，程序間隔50 ms進(jìn)入一次中斷服務(wù)子程序。調(diào)速必須在滿足電流在17 A以下時(shí)進(jìn)行，當(dāng)電流大于17 A時(shí)，強(qiáng)制將PWM占空比減小。當(dāng)電流小于17 A時(shí)，根據(jù)主程序置位的速度控制標(biāo)志來(lái)改變占空比，從而使電機(jī)加速、減速到設(shè)定值或O。航速控制與程序流程如圖8所示。

5 小結(jié)

本研究將無(wú)刷直流電機(jī)及其控制技術(shù)應(yīng)用到了淡水養(yǎng)殖割草船上，研究了雙側(cè)電機(jī)組成了航行推進(jìn)系統(tǒng)的控制邏輯，通過(guò)硬件電路設(shè)計(jì)和軟件程序編寫，實(shí)現(xiàn)了割草船的航向控制、航速控制、割草控制。相比傳統(tǒng)有刷直流電機(jī)構(gòu)成的推進(jìn)系統(tǒng)，該系統(tǒng)動(dòng)力輸出更大，割草效率更高，輸出功率達(dá)到350W，輸出電流達(dá)到28 A。

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作者簡(jiǎn)介：王琢（1988-），男，湖北武漢人，T程師，碩士，主要從事農(nóng)業(yè)信息化與智能控制研究，（電話）18627932448（電子信箱）wang_zuo@163.com;通信作者，張俊峰（1984-），男，湖北天門人，高級(jí)工程師，博士，主要從事農(nóng)業(yè)智能裝備研究，（電話）15972934959（電子信箱）zjf@whiam.cn。