无刷直流电机控制技术在淡水养殖割草船中的应用

王琢 张俊峰 高星星 肖进 罗友谊 田满洲 彭桂元

摘要：在农业淡水养殖中，适量的水草有利于鱼类的呼吸作用，并能够净化水质，但过量的水草会影响鱼类的成活和生长。机械割草是目前应用最广泛的除草方式，割草船推进系统是机械割草重要的一个环节，无刷直流电机是一种典型的机电一体化设备。利用嵌入式技术、电力电子技术、模拟电子技术、数字电子技术，设计了基于无刷直流电机的割草船控制系统，通过硬件设计和软件设计，实现了航向控制、航速控制、割草控制。通过样机测试，控制系统具有较高的实用性、稳定性，对比传统的有刷直流电机，采用无刷直流电机的机械割草船拥有更长的使用寿命。

关键词：机械割草;淡水养殖;无刷直流电机;航行控制

中图分类号：S969.38

文献标识码：A

文章编号：0439-8114（ 2020） 12-0159-05

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

开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

水草是池塘生态系统中不可缺少的一部分，在光照下能持续地产生氧气，并将氧溶解于水中，有利于鱼、虾、蟹的呼吸作用。然而，由于水体富营养化，氮含量上升，导致很多池塘出现了水草疯长的现象。过多的水草吸收水中营养物质，降低水体肥度，减少鱼类的活动空间，严重影响鱼苗的成活和生长，如果不及时处理，会对整个池塘的生态平衡造成破坏[1-3]。常见的除草方法有除草剂除草、生物除草、人工割草以及机械割草等。除草剂分为化学除草剂和生物除草剂，化学除草剂存在危害环境、有毒性残留的问题，已逐渐被生物除草剂替代。生物除草剂是指利用自然界中的生物（包括微生物、植物和动物）或其组织、代谢物生产的用于除草的生物制剂，可以有效减少化学除草剂残留，消除二次污染，改善农业生态，有利于实现环境安全和农业可持续发展[4-6]。生物除草是针对需要除去的草类来放养生物，在池塘中喂养食草性的鱼类来去除多余的水草。人工割草是指人直接进入池塘，拔掉多余的水草，费时、费力且效率低下。机械割草是利用可以在水面航行的机组进行割草作业，劳动强度低、作业效率高。目前，割草船在淡水鱼养殖、虾蟹养殖中得到了广泛的应用，许多电力推进的割草船采用普通的有刷直流电机。有刷直流电机中电刷和换向器的滑动接触造成了机械磨损和火花，存在故障多、可靠性低、寿命短、保养维护工作量大等缺点。本研究将无刷直流电机及其控制技术应用到农业淡水养殖割草船上，开发了一套硬件和软件系统。

1 无刷直流电机控制技术

无刷直流电机克服了有刷直流電机的缺陷，以电子换向器取代了机械换向器，无刷直流电机既具有直流电机良好的调速性能，又具有交流电机结构简单、无换向火花、运行可靠和易于维护等优点。无刷直流电机的实质是直流电源输入，采用电子逆变器将直流电转换为交流电，有转子位置反馈的三相交流永磁同步电机。无刷直流电机主要由用永磁材料制造的转子、带有线圈绕组的定子和位置传感器组成。无刷直流电机的定子是线圈绕组电枢，转子是永磁体。控制器实时检测电机转子的位置，再根据转子的位置给电机的不同相通以对应的电流，使定子产生方向均匀变化的旋转磁场，电机就跟着磁场转动起来。目前，无刷电机控制技术广泛地应用在计算机外设、电子数码、工业控制、医疗设备、汽车、家用电器等领域[7-9]。

2 淡水养殖割草船

淡水养殖割草船由船体、割草机构、无刷直流电机、传动机构、叶轮、控制器组成（图1）。该淡水养殖割草船采用了双侧推进叶轮，取代了传统的单推进器和舵机的模式，使得割草船拥有更大的动力输出。当两侧叶轮同方向旋转时，可以推进割草船前后运动;当某一侧叶轮旋转时，可以使割草船转弯。因此，只要实现无刷直流电机的旋转方向和转速控制，就能够实现割草船的航行状态控制。割草船航向与两侧电机的运行状态如表1所示。

3 硬件系统设计

3.1 硬件总体设计

淡水养殖割草船控制系统由单片机微控制单元、航向控制单元、航速控制单元、割草控制单元、前级驱动单元、电子换向器单元、霍尔信号检测单元、过流检测单元、欠压检测单元、无刷直流电机、割草机构、电量报警单元组成（图2）。

3.2霍尔信号检测单元

霍尔信号检测电路见图3，其作用是对电机内部霍尔传感器输出的电平进行低通滤波，将平稳的信号波形送人单片机外部中断。电机的额定转速为280 r/min，空载转速为3 100 r/min，因此，霍尔传感器信号的最大输出频率为310 Hz。R24和C11构成一阶RC低通滤波器，截止频率设计为4.8 kHz。

3.3 电子换向单元

电子换向单元是无刷直流电机控制系统的核心单元，控制系统根据霍尔信号检测单元得到的电机转子所在位置，然后依照定子绕线决定电子换向器中功率晶体管的开启顺序，使电流依序流经电机线圈，产生顺向或逆向的旋转磁场，并与转子的磁铁相互作用，使电机转动[10.11]。当电机转子转动到霍尔信号检测单元得到另一组位置信号时，控制系统再开启下一组功率晶体管，循环电机按同一方向继续转动。若关闭功率晶体管，则电机停止转动;若按照相反顺序开启功率晶体管，则电机反方向转动。

电子换向器是由12个N沟道场效应功率晶体管CS48N88组成的全桥型控制电路，电路分为A、B、C三相，每相由上臂和下臂功率晶体管组成（图4）。Ql、Q2为A相上臂功率晶体管，Q7、Q8为A相下臂功率晶体管，Q5、Q6为B相上臂功率晶体管，QIl、Q12为B相下臂功率晶体管，Q9、QlO为C相上臂功率晶体管，Q3、Q4为C相下臂功率晶体管，同相同臂的两只功率晶体管同时开启，以增大额定电流。同一组上臂功率晶体管和下臂功率晶体管不能同时开启，否则会造成电源短路，电路损坏。系统根据霍尔信号检测电路输出的电平，得到电机内转子的位置，再根据电机需要的转动方向，控制功率晶体管的状态，从而使电机带动叶轮转动，推进割草船行驶，并通过调整PWM占空比实现转速的调节[12]。功率晶体管开启的顺序如表2所示。

3.4 前级驱动单元

前级驱动单元包括3个相同的三态输出电路，分别驱动3相的功率晶体管，图5为A相功率晶体管的前级驱动电路。AH和AL接单片机的GPIO，分别用于控制A相上臂和下臂功率晶体管的导通或截止。当AH为高电平时，Q17、Q15、D2导通，从而Q1和Q2导通;当AH为低电平时，Q17、Q15截止，Q16导通，从而Q1和Q2截止。当AL为低电平时，Q21、Q20導通，从而Q7、Q8导通;当AL为高电平时，Q21、Q20截止，Q22导通，从而Q7、Q8截止。CS48N88为N沟道MOS管，其栅极电压高于源级电压10 V以上的情况下，才能完全导通。C2为自举电容，通过D1接到+15 V DC电源，当所有MOS管关闭的情况下，C2通过D1和R8充电到13V。当Q1、Q2导通，其源级电压为48 V DC，此时C2充满电，电压仍为13 V，可以维持Q15导通并使Q1、Q2的栅极电压在61 V DC，Q1、Q2完全导通。RT为康铜丝电阻，作用是采样实时工作电流，当电流超过17 A时，强制对电机限速。功率晶体管状态控制逻辑如表3所示。

4 软件系统设计

软件系统主要包括航行控制程序和割草控制程序，本研究主要针对航行控制。系统上电后，循环检测操作者发出的航行方向和航行速度信号，控制系统根据该指令实时调整两侧电机的转动方向和速度，从而使得割草船按照操作者意图航行。当航行方向改变时，电机转动方向可能会出现改变，也可能不变。当割草船由前行向后退切换时，两侧电机的转动方向同时反向，这时系统会控制电机先减速到停机状态，再反向加速到设定速度;而当割草船由前行向左转切换时，右侧电机始终保持反转，这时控制系统不会对右侧电机进行调整。

4.1 航行控制程序设计

以割草船前进时左侧电机为例，控制流程如图6所示。在任何情况下，电机的运行状态只可能为停机、正转、反转，而割草船前进时，左侧电机必须正转。当电机为停机状态时，则电机加速正转至设定速度，直接进入加速正转的子程序;当电状态为正转时，则调速至设定航速;当电机为反转状态时，电机先减速到电机停机状态，然后进入加速正转的子程序。

4.2航向控制子程序设计

在硬件上，将霍尔信号检测单元输出接到单片机的外部中断引脚上，当转子位置更新时，程序进入中断服务子程序，为了防止外界干扰和传感器自身故障，会对信号进行两次鉴别。第一次鉴别采用连续读取5次霍尔传感器输出电平，如果5次信号电平一致就认为是有效信号。第二次鉴别是将本次电平和上次电平比较，若两次信号变化确定是连续的两拍，则认为本次信号是有效信号。在接收到有效信号后，根据主程序置位的转动方向标志，来控制相应的功率晶体管导通、截止或输出PWM信号，从而使两侧电机动作。航向控制流程如图7所示。

4.3 航速控制子程序设计

在硬件上，采用旋钮式电位器来进行调速，再用单片机的ADC来检测电位器给定电压，电压范围为0-10 V，对应输出PWM占空比0%～100%。程序在定时器中断时对PWM占空比进行调节，程序间隔50 ms进入一次中断服务子程序。调速必须在满足电流在17 A以下时进行，当电流大于17 A时，强制将PWM占空比减小。当电流小于17 A时，根据主程序置位的速度控制标志来改变占空比，从而使电机加速、减速到设定值或O。航速控制与程序流程如图8所示。

5 小结

本研究将无刷直流电机及其控制技术应用到了淡水养殖割草船上，研究了双侧电机组成了航行推进系统的控制逻辑，通过硬件电路设计和软件程序编写，实现了割草船的航向控制、航速控制、割草控制。相比传统有刷直流电机构成的推进系统，该系统动力输出更大，割草效率更高，输出功率达到350W，输出电流达到28 A。

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作者简介：王琢（1988-），男，湖北武汉人，T程师，硕士，主要从事农业信息化与智能控制研究，（电话）18627932448（电子信箱）wang_zuo@163.com;通信作者，张俊峰（1984-），男，湖北天门人，高级工程师，博士，主要从事农业智能装备研究，（电话）15972934959（电子信箱）zjf@whiam.cn。