空闊橫行隊技術報告*

智能車電路部分主要的電路有：充電電路、穩壓電源電路、傳感器電路、隔離電路、雙全全橋驅動電路、運放電路以及其他周邊調試模塊。各電路之間為滿足不同功能設計，穩壓提供CPU，常規芯片供電，傳感器為CPU 提供外部參考數據，隔離電路保證單片機在正常驅動全橋同時不受電機產生的反電動勢影響，雙全橋電機驅動保證高效的電動勢轉換效率。

圖1 系統結構框圖

1   電源模塊設計

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

1.1 電壓需求

整個電路中需要三個基準供電電壓：①為STC8A、隔離芯片、CCD、運放、編碼器供電的5 V；②為全橋驅動電路供電的12 V 電壓；③為全橋輸入供電的8 V。

1.2 電源電路

根據電路設計要求，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，可調開關頻率200 kHz~2.2 MHz，計算公式為

我們選擇600 kHz 工作頻率，輸出設定8 V，在15 W 工作下效率達到97%。系統5 V 供電。我們采用的外圍電路最簡單AMS117-5LDO 電源管理芯片，考慮到整個系統運行不需要大功率LDO 芯片，并且AMS117-5 在電壓差輸出時具有良好的輸出穩定特性，低紋波對CPU 的運算性能、ADC 采集的精準提供保障。在對運放供電時，我們采用單獨一路的5 V 供電，以確保CPU、隔離、CCD、編碼器的供電不會受到運放的影響（如圖2）。

圖2 電源電路

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

圖3 電機驅動電路

2   驅動電路設計

驅動電路為智能車驅動電機提供控制和驅動，這部分電路的設計要求以能夠通過大電流為主要指標。驅動電路的基本原理是H 橋驅動原理，目前流行的H 橋驅動電路有：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 驅動模塊電路

對于節能組，采用集成全橋芯片的效率雖然電路簡單，能夠滿足電機轉動的電流需求。但實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 電機測試時，在電機兩端施加5 V 空轉情況下, 電流0.7 A、功率3.5 W。當車模在賽道上運動時，由于車身重量帶來的摩擦力，會導致原本扭力不高的電機在5 V 相同電壓供電時電流會增加30%，實際測試中，在限壓5 V 供電全橋時，兩個電機同時工作全橋電流達到2 A。如果采用集成全橋，在大電流工作時效率80%~90%，加上以直立差速度過彎道調節姿勢時，瞬時電流會更高，集成全橋效率就會更低。最終我們采用半橋驅動器IR2104 驅動雙全橋，MOS 采用導通電阻極低的IRF3205，在5 A 電流持續工作下，全橋效率可達99%。

參考文獻：

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

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

[3] 全國大學生電子設計競賽組委會.第五屆全國大學生電子設計競賽獲獎作品選編[M].北京:理工大學出版社,2003.

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

（本文來源于《電子產品世界》雜志社2021年3月期）