4.13作业

因内容缺失,无法提炼关键信息形成摘要。

4 作业车控制系统设计 近年来随着新能源技术的发展,电池驱动技术在各类农业机械中得到了广泛应用,采用 电池作为动力源具备环保、节能和低噪音等诸多优点,能够更好地满足现代农业绿色生产的 需求[106]。因此,本研究所设计的履带式玉米行间作业车选用了电池驱动方式。相较于传统 驱动方式,其噪音和污染程度大幅降低,并对环境影响较小。 4.1 控制系统组成及工作原理 为确保作业车运行稳定性,电控系统成为作业车设计的核心[107-108]。作业车的电控系统 主要包括:履带底盘驱动控制电路设计、扎穴施肥装置驱动控制电路设计、喷雾装置驱动电 路设计和远程遥控系统设计,作业车电控系统原理图如图 4.1 所示。 图 4.1 作业车电控系统原理图 Fig.4.1 Schematic Diagram of Sample Electro-control System 履带底盘行驶电动机额定工作电压为 48 V,为保证电动机正常工作,结合实际安装尺 寸和蓄电池实际大小设计选择超威牌 48V 20 A 的石墨烯蓄电池,单块电池尺寸为 181×77 ×170 mm,设计电池安装座,安装于履带作业车下端。 综合考虑控制系统的稳定性、研究周期、成本等因素,本设计的作业车主控制系统采用 模块化设计,以 STM32 单片机为控制核心,主要包括:单片机 STM32F103RE 芯片、电 源模块、驱动模块、RS-485 通讯模块、 2.4 GHz 遥控器通信模块等组成。在系统运行期间, 操作人员可以通过遥控器的速度推杆来调整作业车的前进速度。遥控器输出速度信号,并通 过 2.4 GHz 通信模块发送到控制器中。然后,驱动模块将速度信号转化为模拟电压量,以实 现远程控制,从而减少田间作业劳动强度。 4.2 控制系统硬件设计 4.2.1 主控芯片电路设计 采用 STM32F103RE 芯片为控制器主控芯片。该芯片采用主流增强型 ARM Cortex-M3 内核,内核大小为 32 位,CPU 最高速度可达 72 MHz,芯片集成 USB 和 CAN 等多种外设 功能,一般多用于电机控制。单片机芯片电路原理图如图 4.2 所示。 图 4.2 单片机电路原理图 Fig.4.2 Schematic Diagram of MCU Circuit 4.2.2 电源模块设计 电源模块。设计的驱动电机额定工作电压为 48 V,为保证电动机正常工作和简化电路, 设计电压转化模块给主控制器供电。采用 DC-DC 降压模块将 48 V 转为 5 V 作为控制器供 电电源。控制器驱动电路图如图 4.3 所示。 图 4.3 控制器驱动电路图 Fig.4.3 Controller Drive Circuit Diagram 55 4.2.3 远程遥控系统设计 遥控器模块。采用 MC6C 2.4 G 遥控器和接收器套装,如图 4.4 所示。遥控器具备内置 天线,左侧操纵杆为速度油门控制,推杆带阻尼可定速,设计推杆位于最大位置时,行驶电 机输出最大转速。遥控器右侧操纵杆为转向控制摇杆。信号接收器型号为 MC7RB,具备 7 个 PWM 信号通道和 1 个 MBUS 信号通道,频段为 2401 MHz-2478 MHz,供电电压为 4.5-6 V,最大遥控距离可达 800 m。遥控器通信模块电路原理图如图 4.5 所示。 1.电源开关 2.转向控制摇杆 3.作业装置控制开关 4.遥控器信号接收器 5.内置信号天线 6.前进/后退开关 7.速度推杆 图 4.4 遥控器实物图 Fig.4.4 Remote control unit 图 4.5 遥控器通信模块电路图 Fig.4.5 Circuit diagram of remote control communication module 4.2.4 单侧履带行驶电机驱动电路设计 单侧履带行驶电机为 86BL130S78-430TK9 型 0.785 kW 直流无刷电机,采用的电机驱动 器为 ZM-6630 A 直流无刷电机正弦驱动器,如图 4.6 所示。该驱动器采用集成电路,具有 较好的抗干扰性,控制响应较快,多用于控制低压正弦波带有霍尔的三相直流无刷电机,通 过控制端子 EN 高、低电平的转换,可以控制电机的停止和运行,当 EN 为低电平时,电机 56 57 正常运行,当 EN 为高电平或者不接时,电机停止工作。此外,带有电压保护功能,当驱动 器欠压保护时,将电压调至正常工作电压后,驱动器自动解除保护,电机才会正常工作。该 驱动器控制信号端功能如表 4.1 所示。 图 4.6 ZM-6630 A 直流无刷电机正弦驱动器 Fig.4.6 ZM-6630A DC brushless motor sine driver 图 4.7 TLC5615 10 位 SPI 串行 DAC 模块 Fig.4.7 TLC5615 10-bit SPI serial DAC module 表 4.1 ZM-6630 A 直流无刷电机正弦驱动器控制信号端功能 Table 4.1 Control Signal Ends and Functions of ZM-6630 A DC Brushless Motor Sine Driver 端口名称 功能 V+ 控制信号电源正(内置电源输出)。 Ve 改变 VSP 端电压来实现 0~100%的转速调节,范围 0~5V。 BK 电机刹车控制, BK 悬空或接 V+电机正常转动; BK 接 COM,电机刹车停止,红灯常灭。 FG 电机速度脉冲输出,可通过测量此信号的频率换算电机实际转速。 DIR 电机正、反转控制,DIR 接 COM,电机反转; DIR 悬空或接 V+,电机正转。 EN 1.电机使能控制,EN 短接 COM,电机转(运行状态);EN 悬空或接 V+, 电机不转(待机状态),红灯常亮。 2.解除保护。当驱动器发生保护时,故障排除后,将 EN 地断后再次接通, 即可解除保护。 ER 告警输出,正常工作时 ER 输出高电平 5V, 当有故障时 ER 输出低电平 0V。 COM 控制信号电源接地 单片机通过 TLC5615 10 位 SPI 串行 DAC 模块,采用单 5V 供电,精度为 0.1%,电压 基准为 2.048V,可输出 0 ~ 4.096 V 模拟电压,如图 4.7 所示。TLC5615 10 位 SPI 串行 DAC 模块接线端口定义如表 4.2 所示,该模块可直接输出模拟电压调速信号输入到驱动器中,进 而驱动行驶电机工作,单侧履带电机驱动电路原理图如图 4.8 所示。 58 表 4.2 TLC5615 10 位 SPI 串行 DAC 模块接线端口定义表 Table 4.2 TLC5615 10-bit SPI serial DAC module wiring port definition table 端口名称 功能 VCC 单 5V 电源正极输入。 GND 单 5V 电源负极输入。 SCK 时钟输入。 DI 数据输入。 CS 器片选择。 AO DAC 转换输出,0 ~ 4.096 V (电压基准的两倍)。 图 4.8 单侧履带电机驱动电路图 Fig.4.8 Circuit diagram of unilateral crawler motor drive 施肥装置驱动电路设计 施肥装置动力源为 48V 1.5 kW 低压直流无刷电机,型号为 110BL168S100-430TKA, 其参数如表 4.3 所示,施肥电机驱驱动器型号为 ZM-6750A,该型号驱动器为正弦波控制, 可实现 PWM 无级调速,具有大电流工作时温度低,抗干扰性强和响应快速等特点,驱动器 和电机实物图如图 4.9 所示。 表 4.3 110BL168S100-430TKA 直流无刷驱动电机参数 Table 4.3 Parameters of 110BL168S100-430TKA DC brushless drive motor 项目 参数 型号 110BL168S100-430TKA 工作电压/v 48 额定功率/kW 1.5 转矩/(N·m) 4.8 额定转速/(r/min) 3000±10% 重量/kg 5.5 4.2.5 施肥电机调速方式为 PWM 调速,将 PWM 信号正端接到驱动器 PWM 接口,负端接到 COM 端口,可通过设定频率 100 Hz-1000 Hz 幅值的+5 V 的 PWM 信号,改变 PWM 占空比 0~100 %,实现电机的转速调节,并通过 FG 端输出电机速度脉冲信号频率,可换算成电机 的实际转速。施肥装置驱动电机驱动电路图如图 4.10 所示。 在施肥驱动电机电路中应用 FOD817AS 光耦隔离器,其由一个发光二极管和光敏三极 管组成。当输入端施加电流时,发光二极管会发出光线,这些光线会被光敏三极管接收并产 生相应的电流,通过光的转换作用可实现了输入和输出之间的电气隔离,避免了输入信号对 输出信号产生干扰,提高了电机驱动系统的稳定性和安全性。 图 4.9 ZM-6750A 驱动器和 48V 1.5kW 无刷电机实物图 Fig.4.9 ZM-6750A driver and 48V 1.5kW brushless motor physical drawing 图 4.10 施肥电机驱动电路原理图 Fig.4.10 Schematic diagram of fertilizer motor drive circuit 59 4.2.6 图像传输模块设计 为了便于操作作业车在田间行驶,在作业车前端上方安装 KS-P6 型广角摄像头,通过 4G 信号传输,可以实时将作业车前端路况传送到手机显示界面,可以让操作者实时了解作 业车在田间的行进状态,例如,当操作者发现前方的道路有障碍物或者有其他突发状况时, 可及时调整作业车行进速度或行驶方向,以避免可能的事故发生。 4.2.7 控制器加工制作 控制器硬件利用 Altium Designer 软件对控制器电路图设计和 PCB 绘制编辑,并对主 控制器电路板进行封装、打印和制作,作业车控制器实物图如图 4.11 所示。 1.SPI 串行 DAC 模块 2.电源模块 3.单片机芯片 4.控制器主板 5.遥控器信号接收器 6.PWM 模块 图 4.11 作业车控制器实物图 Fig.4.11 Controller physical picture of operation vehicle 4.3 主控制器软件设计 根据整车控制器的设计需求,整车控制器需要实现向直流无刷电机驱动器发送动作指令 的功能,所以整车控制器软件系统主要分无线信号处理子程序、驱动电机控制以及调速子程 序。本文设计的控制程序采用 C 语言编写,运用 KeiluVision5 软件上进行软件开发,此软 件具备编译器、编译器、安装包和调试跟踪,支持 LWIP,并提供多种型号单片机的开发环 境,例如:STM 系列、51 系列 ARM 系列。在新建工程时,要选择具体单片机型号,本文选 用 STM32F103VET6 单片机,操作界面如图 4.12 所示。 作业车控制程序运行时首先检测各个模块是否运行正常,为保证远程遥控作业的可靠 性,程序运行前先检测遥控器是否连接成功,遥控器连接成功程序才会运行,当作业车行驶 出有效遥控距离,由于无法接收速度信号,行驶电机不会工作,作业车会在田间停止,以保 证田间作业安全性。然后操作遥控器选择前进或后退开关,再拨动速度推杆遥控器发送速度 信号,再由单片机接收读取并计算出电机理论转速,通过模拟电压调速利用电机驱动器控制 行驶电机运转,通过 USR-DR 502 数传终端将作业车运行参数发送到人机交互界面,便于操 作者实时掌握作业车行驶状态,保证作业质量[109]。全网通 USR-DR 502 型数传终端,工作 电压 12 V,工作温度-25 ℃~+75 ℃,可实现串口设备网络之间的数据传输,可将作业车 60 运行状态参数传送到显示器中实时显示,显示器采用 FE3043H 4.3 寸工业电阻触摸屏,可 显示电池组电量、工作时间、行驶速度和行驶电机转速等参数。当电池组电量不足、行驶电 机转速异常或故障时,可遥控使作业车停止,作业车行驶系统控制流程图如图 4.13 所示。 图 4.12 Keil 5 软件操作界面 Fig.4.12 Keil 5 software operation interface 图 4.13 作业车行驶控制系统流程图 Fig.4.13 Flow chart of the job car control system 61 4.4 本章小结 本章设计了以 STM32 单片机为核心的控制系统,主要包括:单片机 STM32F103RE 芯 片、电源模块、驱动模块、RS-485 通讯模块、2.4 GHz 遥控器通信模块等组成。利用 Altium Designer 软件对控制器电路图设计和 PCB 绘制编辑,并对主控制器电路板进行封装、打印 和制作。利用 Keil5 软件编写控制程序,实现遥控器发送速度信号进而控制行驶电机速度。 为便于作业车远程操作设计了图像传输模块,可远程掌握作业车行驶前端田间作业环境。原文是这样的,若只需要实现开环行走功能代码应该怎样修改
05-27
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