基于AVR的電源管理系統的設計

0 引言

當今， 由于在民用及國防等諸多領域中的廣泛應用， 空中機器人技術已經越來越被人們所重視， 并吸引了各國專家學者的注意。小型旋翼機器人是以模型直升機為載體， 裝備上傳感器單元， 控制單元和伺服機構等裝置以實現自主飛行。而為了提高飛機的安全性， 需要設計一套設備監測系統， 實時的監測飛機的姿態信息， 機載設備的狀況以及電源的情況等。

該平臺所使用的電源是兩節鋰電池串聯組成的電池組， 利用鋰離子電池的充放電特性， 設計了一套以mega16l 為核心的充放電管理系統。鋰電池具有體積小、能量密度高、無記憶效應、循環壽命高、高電壓電池和自放電率低等優點， 與鎳鎘電池、鎳氫電池不太一樣的是必須考慮充電、放電時的安全性，以防止特性劣化。因此在系統運行過程中， 為了保護鋰電池的安全， 設計了一套欠壓保護電路， 以防止電源管理系統因過用而發生電池特性和耐久性特性劣化。

1 電源管理系統總體框架

無人機電源管理系統是飛機實現自主飛行的重要組成部分， 其大致框架如圖1 所示。在該系統中， 利用AXI 公司生產的2212/ 34 型號發電機將動能轉換為220V 交流電， 再經過整流穩壓后輸出11.6V 的直流電壓， 可由該輸出電壓為兩節鋰電池充電。電源管理系統的控制器是meg a161 單片機， 該控制器通過檢測兩節鋰電池的電壓大小從而控制繼電器開關來對電池進行充放電管理。

圖1 電源管理系統框架

控制器采集到電源系統中的信息后， 通過無線傳輸設備將該數據實時傳輸給地面。地面監控平臺還可以發送一些指令給mega16l, 通過控制繼電器開關來控制電池充放電， 從而實現監測和控制飛機的目的。

機上電源模塊由兩節英特曼電池有限公司生產的鋰電池組成， 電池組電量充足時電壓為8?? 4V.電池的荷電量與整個供電系統的可靠性密切相關， 電池剩余電量越多， 系統的可靠性越高， 因此飛行時能實時獲得電池的剩余電量， 這將大大提高飛機的可靠性。

2 電源監控系統的實現

直升機能順利完成飛行任務， 充足的電源供應不可或缺。

由鋰電池的特性可知， 在過度放電的情況下， 電解液因分解而導致電池特性劣化并造成充電次數降低。因此為了保護電池的安全， 電源系統在給控制系統供電前要經過欠壓保護模塊和穩壓模塊。為了預測電源系統中剩余的電量， 這里采用檢測電源系統電壓的方法， 在測得系統的電源電壓后， 查找由放電曲線建立的數據庫， 就能估計出電源系統中所剩余的電量。

單片機所需要的電源電壓是2. 7 ~ 5.5V, 因此可為meg a16l 設計外部基準電壓為2.5V, 該基準穩壓電路如圖2所示。所以系統要檢測電池的電壓， 需要將電池用電阻進行分壓且最大分得的電壓值不能超過2.5V.控制器測得的電壓值乘上電壓分壓縮小的倍數后， 就能得到電源系統中的實時電壓。時刻監測鋰電池的用電情況， 防止電池過用現象出現， 就能達到有效使用電池容量和延長壽命的目的。

圖2 基準電壓電路

2.1 硬件設計

2.1.1 直流無刷電機電路

無刷直流電機是由電動機主體和驅動器組成， 是一種典型的機電一體化產品。直流無刷電機與一般直流電機具有相同的工作原理和應用特性， 而其組成是不一樣的， 除了電機本身外， 前者還多一個換向電路， 直流無刷電動機的電機本身是機電能量轉換部分， 它除了電機電樞、永磁勵磁兩部分外， 還帶有傳感器。該發電機的部分AC-DC 電路如圖3 所示。

圖3 無刷電機AC-DC 電路