圆盘切割器性能测试系统的设计

吴明涛 昆明船舶设备研究实验中心 云南昆明 650051

【文章摘要】

随着社会的发展以及科学的进步，农业机械在农业生产的作用越来越大，圆盘切割器必将越来越多的应用到农业中。本文主要研究圆盘切割器性能测试装置的设计，本系统是为了测试和控制圆盘切割器在工作时

的电压、电流、转速、扭矩。

【关键词】

圆盘切割器；单片机；测试中图分类号：S126;S233.9文献标识码：A

0 引言

随着社会的发展以及科学的进步，农业机械在农业生产的作用越来越大，农产品的收获机械已经从最原始的的人力、畜力收获工具发展到机械收获。随着收获机械性能的不断提高，对收获机械所使用的切割器性能的要求越不断提高。以往收获机械的切割器一般都采用形式简单的往复式切割器，现在圆盘切割器越来越多的应用到各种农产品的收割。圆盘式切割器具有结构简单、运作平稳、工作可靠等特点，在牧草和玉米、油菜等多种农作物的收获机械上广泛应用。将来圆盘切割器会应用到联合收获机的收割装置上。那么圆盘切割器的性能就很重要。

随着工业技术的不断发展，越来越多的场合需要用到精确的转速测量，它们不仅要求转速测量装置能够对不同频率范围内的电流、电压、转速均能够进行精确的测量，在许多情况下，还要求能够对所测装置的转速进行控制。现代电子技术的飞速发展，使我们的测试装置更具有便捷性、低成本与实时性。本文主要研究圆盘切割器性能测试系统的设计，这个系统是为了测试和控制圆盘切割器在工作时的电压、电流、转速、功率、扭矩，以及它们的变化情况。系统示意图如图1 所示。

1 系统的总体设计

本系统采用Microchip 公司生产的PIC16F877 单片机为核心芯片，由单片机实时监测圆盘切割器的工作电压、工作电流、转速、扭矩等工作状态，根据研究需要调节控圆盘切割器的转速，并把测得的数据通讯到PC 机上显示出来，从而实现了圆盘切割器功率和转速的测试及控制，以及对测试数据的显示和储存功能，本测试系统的框图如图1 所示：

本测试系统为了试验方便，采用通用了无刷直流电机驱动圆盘切割器，通过电机控制模块可以很方便的改变电机的转速，从而调节圆盘切割器的转速。本系统通过测试圆盘切割器的电流和电压，间接测量出其功率。为了使测试系统更加简洁化，本系统采用霍尔传感器测量圆盘切割器的电流和转速，采用分压的方式测量电压。对控制圆盘切割器的转速，只需控制直流电机的转速，而通过控制电机控制模块就能实现对电机转速的控制。

1.1 电压检测模块

本系统采用交流变直流再分压的方法检测电压。本电路采用二极管桥式整流电路把交流电整流为直流电。再选用两个阻值何时的电子分压整流后的直流电，保证分压后的电压在在单片机能稳定、安全测量的范围之内。最后输入到单片机，检测圆盘切割器的工作电压，具体电压测电路图如图2 所示。

如图2 所示，1、2 两根线是交流电两根电线，选用对交流电整流的二极管时，要注意二极管的性能是否符合该整流电路的的要求。在选择R1 和 R2 时要先计算其阻值，保证分压后输入到单片机的电压为安全电压。

1.2 电流检测模块

霍尔传感器检测电流有方便、简单的特点，是检测交流电流最常用的方法，经试验测试，圆盘切割器工作是电流最大在10A 以内，因此本系统中选择的电流传感器是南京中旭电子科技有限公司生产的HNC025A 霍尔电流传感器。HNC025A霍尔电流传感器是一款测量相对较小电流的传感器，根据其管脚接法的不同可以测量5 个大小不同的电流：25A、12A、8A、6A、5A。本系统的额定电流为6A，测量电路图如图3 所示.在该电流测量电路中，要注意的是输入到单片机的电压不能大于5V。由于HNC025A 霍尔电流传感器输出的是25mA 的直流电流信号，因此我们要保证传感器输出最大电流时输入到单片机的电压信号小于5V。所以通过计算选择RM=200Ω。在使用霍尔电流传感器时还要注意量程的选择，本系统的额定电流为__6A, 因此选择比6A 大且最接近6A 的量程8A, 这样可以最大限度的提高电流的测量精度。另外，在安装电流传感器时要注意管脚的接法是否正确，不要选择错误的量程。在正式测量之前要对电流传感器进行检查、标定以及注意环境是否影响传感器的正常工作。

1.3 转速检测模块

圆盘切割器切转速的控制也是采用的霍尔传感器，本测试系统选用的是国产的HZL201 霍尔齿轮传感器，其检测和电路图和电流检测电路图相似。该霍尔传感器是一种用于测量速度、角度、转速、长度等的新型传感器。由传感黑色金属齿轮或齿条的齿数转换成电压脉冲信号来测量物体的速度、转速等参量。传感器红色端接电源正极，黑色端接地，绿色端为输出端。而它的特点在于传感黑色金属目标、输出幅度与齿轮转速无关，低速性能优异，工作频率高达20 kHz。

1.4 扭矩检测模块

本系统中，扭矩的测量采用应变片，应变片是安装在电机转动轴上的，因为电机一直在转动，所以不可能从应变片上引出数据传输线，因此只能采用无线传输。先采用应变片采集到扭矩的变化量，再经过放大电路放大信号。把放大后的信号通过A/D 转换器ADS8320 转换后经过单片机RIC18F13K22 输送到扭矩发送器RFMO2，通过无线传送传到扭矩接收器RFMO1，然后经过单片机PIC16F877 处理，最后通过MAX487 输送到PC 机上。

1.5 电机控制模块

本系统的电机控制模块采用的是集成芯片UCC3626。UCC3626 是TI 公司生产的三相无刷直流电机控制器集成芯片，它可为无刷直流电机提供高性能的三相、两象限或四象限控制器所需的设计功能，并可从转子位置输入信号解码。同时控制模块还可以方便的控制电机的停止、转动以及变数，可以提供圆盘切割器多个不同的工作状态，实现对圆盘切割器转速的控制。

2 系统软件设计

首先单片机PIC16F877 系统初始化，单片机内部集成了很多模块（因此共用管脚）, 每个模块在不同情况也有不一样的用法，先对单片机初始化，关掉不用的模块。然后电机控制器开始工作，，驱动直流电机转动以及改变电机转速。电机运转起来后根据需要，用不同的方法采集电流、电压、转速、扭矩等信号，单片机对他们进行处理后输入PC 机，就很直观的显示在PC 机上了，便于研究人员对圆盘割刀进行各方面的研究。

本系统前面电流、电压、转速的的测量都比较简单，都是通过传感器采集信号经过单片机A/D 转换，只有射频模块对扭矩的测量的时候发送和接收比较复杂需要流程图说明，具体流程图如图4 所示。如上图所示，发送数据时RFO2 先进行系统初始化，然后要等等待nRIQ 信号下降沿，就是等待系统有中断要求才开始发送数据。执行发送命令时保持片选信号为低，发完命令后再恢复为高。然后检查是否发送完毕，发送完毕就返回，没发送完就返回发送数据循环发，直到发完为止。

3 结论

系统由于PIC16F877 单片机强大的自带功能： A/D 与D/A 转换器，使得系统在无需附加模数转换和数模转换外围电路的情况下，测量出圆盘切割器的电流、电压、转速以及扭矩。电机控制模块实现了对圆盘切割器转速的控制，可以很方便的控制其转动、停止以及变速，改变圆盘切割器的工作状况。在节约了成本的同时，也大大的简化了系统电路。本系统为本人第一次设计实验装置，其中可能有很多地方需要更进一步的研究与琢磨，还有待今后进一步的完善。

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