空闊橫行隊(duì)技術(shù)報(bào)告*

智能車電路部分主要的電路有：充電電路、穩(wěn)壓電源電路、傳感器電路、隔離電路、雙全全橋驅(qū)動電路、運(yùn)放電路以及其他周邊調(diào)試模塊。各電路之間為滿足不同功能設(shè)計(jì)，穩(wěn)壓提供CPU，常規(guī)芯片供電，傳感器為CPU 提供外部參考數(shù)據(jù)，隔離電路保證單片機(jī)在正常驅(qū)動全橋同時(shí)不受電機(jī)產(chǎn)生的反電動勢影響，雙全橋電機(jī)驅(qū)動保證高效的電動勢轉(zhuǎn)換效率。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

1   電源模塊設(shè)計(jì)

采用超級電容供電，由于超級電容放電特性，和穩(wěn)壓電路，單片機(jī)工作電壓最低閾值的限制，我們采用的是兩節(jié)2.7 V、50 F 電容串聯(lián)，當(dāng)法拉電容組電壓在5 V 以下時(shí)，實(shí)際上，電容組電量=1/2×C×U2。為了充分利用電容組電量，在電容組和主控穩(wěn)壓之間增加一級升壓穩(wěn)壓電路，使得電容組在2.5~6 V 之間時(shí)穩(wěn)壓電源兩端始終輸出為8 V[1-2]。

1.1 電壓需求

整個(gè)電路中需要三個(gè)基準(zhǔn)供電電壓：①為STC8A、隔離芯片、CCD、運(yùn)放、編碼器供電的5 V；②為全橋驅(qū)動電路供電的12 V 電壓；③為全橋輸入供電的8 V。

1.2 電源電路

根據(jù)電路設(shè)計(jì)要求，我們選擇TPS61088 作為電容組升壓芯片，該芯片工作電壓范圍在2.7~7 V 輸入，3~12 V 輸出，可調(diào)開關(guān)頻率200 kHz~2.2 MHz，計(jì)算公式為

我們選擇600 kHz 工作頻率，輸出設(shè)定8 V，在15 W 工作下效率達(dá)到97%。系統(tǒng)5 V 供電。我們采用的外圍電路最簡單AMS117-5LDO 電源管理芯片，考慮到整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行不需要大功率LDO 芯片，并且AMS117-5 在電壓差輸出時(shí)具有良好的輸出穩(wěn)定特性，低紋波對CPU 的運(yùn)算性能、ADC 采集的精準(zhǔn)提供保障。在對運(yùn)放供電時(shí)，我們采用單獨(dú)一路的5 V 供電，以確保CPU、隔離、CCD、編碼器的供電不會受到運(yùn)放的影響（如圖2）。

圖2 電源電路

在電機(jī)驅(qū)動電路（圖3）中，由于我們采用的是IR2104 驅(qū)動MOS 雙全橋的方案，由于MOS 管導(dǎo)通條件的限制和IR2104 驅(qū)動供電，要求整個(gè)驅(qū)動供電應(yīng)該在8~12 V。LM2577 是TI 公司生產(chǎn)的一款集成MOS外置電感異步式升壓控制芯片，輸入范圍3~40 V?；隍?qū)動電路本身并不消耗功率，且LM2577 外圍電路簡單，所以選擇LM2577 作為驅(qū)動升壓控制器8 V 輸入、12 輸出。

圖3 電機(jī)驅(qū)動電路

2   驅(qū)動電路設(shè)計(jì)

驅(qū)動電路為智能車驅(qū)動電機(jī)提供控制和驅(qū)動，這部分電路的設(shè)計(jì)要求以能夠通過大電流為主要指標(biāo)。驅(qū)動電路的基本原理是H 橋驅(qū)動原理，目前流行的H 橋驅(qū)動電路有：H 橋集成電路，如MC33886；集成半橋電路，如BTN7971 等；MOS 管搭建的H 橋電路，如圖4^[3-4]。

圖4 驅(qū)動模塊電路

對于節(jié)能組，采用集成全橋芯片的效率雖然電路簡單，能夠滿足電機(jī)轉(zhuǎn)動的電流需求。但實(shí)際上采用集成全橋方式的效率是較低的。由于我們采用的D 車車模+380 電機(jī)測試時(shí)，在電機(jī)兩端施加5 V 空轉(zhuǎn)情況下, 電流0.7 A、功率3.5 W。當(dāng)車模在賽道上運(yùn)動時(shí)，由于車身重量帶來的摩擦力，會導(dǎo)致原本扭力不高的電機(jī)在5 V 相同電壓供電時(shí)電流會增加30%，實(shí)際測試中，在限壓5 V 供電全橋時(shí)，兩個(gè)電機(jī)同時(shí)工作全橋電流達(dá)到2 A。如果采用集成全橋，在大電流工作時(shí)效率80%~90%，加上以直立差速度過彎道調(diào)節(jié)姿勢時(shí)，瞬時(shí)電流會更高，集成全橋效率就會更低。最終我們采用半橋驅(qū)動器IR2104 驅(qū)動雙全橋，MOS 采用導(dǎo)通電阻極低的IRF3205，在5 A 電流持續(xù)工作下，全橋效率可達(dá)99%。

參考文獻(xiàn)：

[1] 童詩白,華成英.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)[Ｍ].４版.北京:高等教育出版社,2006:330-331.

[2] 藍(lán)東浩,王強(qiáng),吳司林.基于 STM32 平衡車控制算法的研究[J].科技風(fēng),2018(17):25.

[3] 全國大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競賽組委會.第五屆全國大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競賽獲獎(jiǎng)作品選編[M].北京:理工大學(xué)出版社,2003.

[4] 史繼翠.磁耦合諧振式無線電能傳輸系統(tǒng)建模及優(yōu)化分析[Ｄ].湘潭:湘潭大學(xué),2013.

（本文來源于《電子產(chǎn)品世界》雜志社2021年3月期）