馬建偉，魯民巧

（邢臺職業(yè)技術(shù)學(xué)院汽車工程系，河北 邢臺 054000）

引言

電動(dòng)路面清掃車是環(huán)衛(wèi)設(shè)備之一，是一種集路面清掃、垃圾回收和運(yùn)輸為一體的新型高效清掃設(shè)備，能夠提高勞動(dòng)效率，降低工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，它在保證城市衛(wèi)生質(zhì)量中發(fā)揮著不可或缺的作用，然而針對目前空氣污染的加劇，采用電驅(qū)動(dòng)是降低清掃車對環(huán)境污染的主要途徑[1]。電動(dòng)清掃車清掃刷是依靠電動(dòng)機(jī)來帶動(dòng)的，然而目前的電動(dòng)清掃車清掃刷的轉(zhuǎn)速是固定不變的，由于轉(zhuǎn)速不能夠調(diào)節(jié)，當(dāng)車速快時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)轉(zhuǎn)速慢而引起的清掃不徹底，當(dāng)車速慢時(shí)，會(huì)出現(xiàn)過度的揚(yáng)塵。因此設(shè)計(jì)一套能夠根據(jù)車速調(diào)節(jié)清掃刷轉(zhuǎn)速的控制系統(tǒng)十分必要。

1 清掃車隨速清掃控制系統(tǒng)的組成和原理

道路清掃車隨速清掃控制系統(tǒng)，包括主控芯片，帶動(dòng)清掃刷旋轉(zhuǎn)的清掃直流串勵(lì)電動(dòng)機(jī)，用于檢測汽車行駛速度的測速模塊、控制直流串勵(lì)電機(jī)轉(zhuǎn)速的脈寬調(diào)制調(diào)速模塊，驅(qū)動(dòng)電路和電源模塊。如圖1所示。測速模塊采集車速傳感器發(fā)出的車速信號將將車速信號轉(zhuǎn)化為主控芯片所需的信號并傳遞給主控芯片，主控芯片根據(jù)測速模塊提供的信號輸出給脈寬調(diào)制調(diào)速模塊信號，脈寬調(diào)制調(diào)速模塊接收主控芯片的信號，并輸出給驅(qū)動(dòng)電路，驅(qū)動(dòng)電路接收脈寬調(diào)制模塊的信號，并根據(jù)脈寬調(diào)制模塊的信號改變輸入清掃直流串勵(lì)電動(dòng)機(jī)的平均電流，以控制清掃電機(jī)的轉(zhuǎn)速。該系統(tǒng)可以自動(dòng)的根據(jù)電動(dòng)道路清潔車的行駛速度，改變清掃直流串勵(lì)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，從而改變清掃刷的旋轉(zhuǎn)速度，實(shí)現(xiàn)對道路的有效清掃。

圖1 道路清掃車隨速清掃控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

整個(gè)系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)，硬件結(jié)構(gòu)由主控芯片、直流串勵(lì)電動(dòng)機(jī)、測速模塊、脈寬調(diào)制調(diào)速模塊、驅(qū)動(dòng)電路等模塊組成。

2.1 電源模塊設(shè)計(jì)

道路清掃車的電源系統(tǒng)為傳統(tǒng)的12V直流電源，而系統(tǒng)所需要的電壓為＋5V，因而需要通過DC-DC電源模塊將12V電源變?yōu)?V。DC/DC轉(zhuǎn)換器分為三類：升壓型DC/DC轉(zhuǎn)換器、降壓型DC/DC轉(zhuǎn)換器以及升降壓型DC/DC轉(zhuǎn)換器。根據(jù)需求可采用三類控制。PWM 控制型效率高并具有良好的輸出電壓紋波和噪聲。PFM控制型即使長時(shí)間使用，尤其小負(fù)載時(shí)具有耗電小的優(yōu)點(diǎn)。PWM/PFM轉(zhuǎn)換型小負(fù)載時(shí)實(shí)行PFM控制，且在重負(fù)載時(shí)自動(dòng)轉(zhuǎn)換到PWM控制[2]。由于道路清掃車的清掃系統(tǒng)是一種長時(shí)間工作的，因此本系統(tǒng)中選用降壓、PFM 控制型 DC/DC轉(zhuǎn)換器。型號為 ACT4088，ACT4088是一個(gè)電流模式降壓型DC/DC轉(zhuǎn)換器，可提供高達(dá)1.5A的成從5V至 12V輸入。1.4MHz的開關(guān)頻率允許使用小型外部元件，內(nèi)部循環(huán)補(bǔ)償提供簡單，穩(wěn)定的電力電力供應(yīng)用最少的外部元件供應(yīng)用最少的外部元件。ACT4088接線原理圖如圖2所示。

圖2 ACT4088接線原理圖

2.2 主控芯片設(shè)計(jì)

系統(tǒng)主控芯片選用單片機(jī)AT89S52為中心控制器[3]，控制系統(tǒng)采用5V 電源供電，單片機(jī)核心控制模塊主要實(shí)現(xiàn)以下功能：①獲取測速模塊輸入的車速信號；②給脈寬調(diào)制調(diào)速模塊提供調(diào)速信號。AT89S52單片機(jī)的引腳如圖3所示。

圖3 AT89S52單片機(jī)引腳

2.3 脈寬調(diào)制調(diào)速模塊

本設(shè)計(jì)采用集成芯片 L293D 及其外部輔助電路和電機(jī)構(gòu)成驅(qū)動(dòng)電路。通過單片機(jī)的接口，利用PWM控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速及其加減速[4]。電路原理如圖4 所示。

圖4 PWM調(diào)速模塊設(shè)計(jì)原理

2.4 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路

由于清掃車的清掃電機(jī)是大功率的直流串勵(lì)電機(jī)，因此，需要加入驅(qū)動(dòng)電路以承受大的電流，驅(qū)動(dòng)電路如圖5所示，Q1、Q2為 NPN 型三極管，Q3、Q4、為 PN P 型三極管。POLE1連接脈寬調(diào)制調(diào)速模塊，當(dāng) POLE1 輸入高電平，Q1、Q2、Q3、Q4同時(shí)導(dǎo)通，此時(shí)直流串勵(lì)電機(jī)工作，電機(jī)的轉(zhuǎn)速由POLE1輸入的高電平占空比決定[5]。

2.5 測速模塊設(shè)計(jì)

測速模塊將車速傳感器發(fā)出的連續(xù)的模擬信號變成單片機(jī)芯片所需要的離散的數(shù)字信號，并且進(jìn)行相應(yīng)的處理，將經(jīng)處理的信號準(zhǔn)確及時(shí)的傳遞給單片機(jī)。該測速模塊采用A/D轉(zhuǎn)換模塊主芯片為LM331[6]。電路原理圖如圖6所示。

圖6 測速模塊電路原理圖

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

為節(jié)省微處理器程序存儲(chǔ)器空間, 本系統(tǒng)采用多層嵌入、多層相互使用精簡程系統(tǒng)，程序設(shè)計(jì)主要采用C 語言編程。整個(gè)程序設(shè)計(jì)包括：主程序設(shè)計(jì)、速度采集子程序設(shè)計(jì)、轉(zhuǎn)速控制子程序設(shè)計(jì)。速度采集子程序保證每秒測速一次。其主程序設(shè)計(jì)流程框圖如圖7所示。

圖7 主程序流程

4 系統(tǒng)測試

根據(jù)設(shè)計(jì)的軟硬件，搭建測試平臺，模擬不同的車速，對系統(tǒng)進(jìn)行測試，測試結(jié)果如表1所示。

表1 不同車速下的電機(jī)轉(zhuǎn)速

通過以上的實(shí)驗(yàn)數(shù)可知，當(dāng)車速增加時(shí)，對應(yīng)清掃電機(jī)也相應(yīng)的轉(zhuǎn)速提高，基本實(shí)現(xiàn)了清掃刷的隨速控制。

5 結(jié)束語

本系統(tǒng)用單片機(jī) AT89S52 作為直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的控制核心，來實(shí)現(xiàn)對道路清掃車清掃電機(jī)的隨速智能控制，利用A/D轉(zhuǎn)換模塊實(shí)現(xiàn)車速采集，用PWM 調(diào)速方式控制直流電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的速度，并可以自動(dòng)調(diào)節(jié)速度至程序預(yù)先設(shè)定的速度，可以通過不同車速進(jìn)行道路試驗(yàn)，修改程序參數(shù)，實(shí)現(xiàn)高效徹底的道路清掃，方便實(shí)用。整個(gè)系統(tǒng)的電路邏輯結(jié)構(gòu)簡單，可靠性能高，實(shí)現(xiàn)功能強(qiáng)。

[1] 劉姣娣.清潔車研究的技術(shù)難點(diǎn)與對策分析[J].機(jī)械管理開發(fā).2012(2).

[2] 王兆安.電力電子技術(shù)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2009.

[3] 魯倫文,孟鳳果.單片機(jī)原理與應(yīng)用[ M] .北京:北京科學(xué)技術(shù)出版社,2010.

[4] 許曉峰.電機(jī)及拖動(dòng)[ M].北京:高等教育出版社,2005.

[5] 劉桂蘭,蔡翰志.基于 ST C12C2052 的直流電機(jī)調(diào)速及控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用[J].甘肅聯(lián)合大學(xué)學(xué)報(bào).2011,( 25)2.

[6] 何獻(xiàn)忠,凌云.基于 LM331和單片機(jī)的數(shù)據(jù)采集控制[J].機(jī)電產(chǎn)品開發(fā)與創(chuàng)新.2006(6).