關(guān)于智能車電源管理模塊設(shè)計(jì)

李闖

摘 要 本文以全國(guó)大學(xué)生“飛思卡爾杯”智能汽車競(jìng)賽為背景。設(shè)計(jì)、控制平臺(tái)主要包括電源管理模塊和電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，并提出一套可行的設(shè)計(jì)方案。

關(guān)鍵詞 智能汽車競(jìng)賽；電源管理模塊；電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊

中圖分類號(hào) TP2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 2095-6363（2015）09-0032-02

全國(guó)大學(xué)生“飛思卡爾”杯智能汽車競(jìng)賽是以“立足培養(yǎng)、重在參與、鼓勵(lì)探索、追求卓越”為宗旨，鼓勵(lì)創(chuàng)新的一項(xiàng)科技競(jìng)賽。以飛思卡爾半導(dǎo)體公司的微處理器為核心，通過(guò)自主設(shè)計(jì)傳感器、電源管理模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊和編寫控制程序，制作一個(gè)能按照比賽規(guī)則自動(dòng)識(shí)別賽道完成比賽的模型汽車。

硬件是智能車的基礎(chǔ)，其影響著車模系統(tǒng)穩(wěn)定性?；诖?，本文主要提出一套電源管理模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊的可行設(shè)計(jì)方案。

1 電源管理模塊

根據(jù)調(diào)整管的工作狀態(tài)，直流穩(wěn)壓電源分為線性穩(wěn)壓電源和開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源。線性穩(wěn)壓電源通過(guò)采樣、反饋等方式來(lái)控制調(diào)整管的導(dǎo)通程度，其輸出電壓文波比較小、工作噪聲小、反應(yīng)速度快；調(diào)整管工作在放大狀態(tài)，效率比較低，發(fā)熱量大。在開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源中，開(kāi)關(guān)管工作飽和或者截止?fàn)顟B(tài)，對(duì)應(yīng)開(kāi)、關(guān)兩個(gè)狀態(tài)；效率高，功耗小，存在比較嚴(yán)重的開(kāi)關(guān)干擾。

電源管理模塊為車模系統(tǒng)的各個(gè)模塊供電，其供電穩(wěn)定性是車模穩(wěn)定運(yùn)行的基礎(chǔ)。在設(shè)計(jì)中，不僅要考慮各個(gè)模塊的正常工作電壓、電流，還要做好各個(gè)模塊的隔離，減小模塊之間的噪聲干擾?？偟膩?lái)說(shuō)，通過(guò)三端集成穩(wěn)壓芯片來(lái)給各個(gè)模塊來(lái)供電。競(jìng)賽中，常用的電源有串聯(lián)型線性穩(wěn)壓電源（LM2941、TPS系列等）和開(kāi)關(guān)型穩(wěn)壓電源（LM2596、LM2575、AS1015等）兩大類。

車模電源是7.2V2000mAh的鎳鎘可充電電池，其對(duì)車模的各個(gè)模塊供電。系統(tǒng)的供電示意圖如圖1所示，7.2V電壓給不同電壓的模塊供電，主要的模塊電壓有12V、5.5V、5V和3.3V。用電池給電機(jī)供電，將電源電壓經(jīng)升、降壓再給其他模塊供電。電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片IR2104的供電電壓為12V，S-D5舵機(jī)的供電電壓為5.5V，線性CCD的供電電壓為5V，單片機(jī)的供電電壓為5V，調(diào)參模塊等供電電壓為5V和3.3V。

MC9S12XS128單片機(jī)是系統(tǒng)的控制中心，其工作的穩(wěn)定性直接影響車模運(yùn)行。為了減少其他模塊對(duì)其干擾，采用低壓差線性穩(wěn)壓電源供電。TPS7350具有過(guò)流、過(guò)壓和電壓反接保護(hù)電路，可以有效地保護(hù)單片機(jī)；最大輸出電流500mA，大于單片機(jī)工作電流；穩(wěn)壓線度相對(duì)比較好。所以選用TPS7350對(duì)其單獨(dú)供電。線性CCD工作條件電源電壓為-0.3V-6V，考慮到單片機(jī)的AD采樣轉(zhuǎn)化精度和線性CCD推薦工作條件等原因，選其最佳工作電壓5V。VDD最大連續(xù)電流為40mA，在比賽中一般需要用到2-4個(gè)線性CCD，最大電流一般不超過(guò)200mA。線性CCD是模擬傳感器，其供電電源的波動(dòng)將影響其性能， TPS7350穩(wěn)壓后電壓波動(dòng)較小，用其對(duì)線性CCD單獨(dú)供電。

S-D5是數(shù)字舵機(jī)，工作電壓4.5V-5.5V，正常工作電流200mA，堵轉(zhuǎn)電流是800mA；工作電壓在5.5V下，帶有堵轉(zhuǎn)保護(hù)功能。舵機(jī)在實(shí)時(shí)控制時(shí)存在滯后性，滯后時(shí)間的大小主要由舵機(jī)的響應(yīng)時(shí)間和轉(zhuǎn)向傳動(dòng)比決定。在轉(zhuǎn)向傳動(dòng)比不變時(shí)，舵機(jī)的響應(yīng)時(shí)間與供電電壓有關(guān)；舵機(jī)的工作電壓越高，響應(yīng)越快，同時(shí)扭矩力越大。選擇5.5V供電，既可提高舵機(jī)響應(yīng)速度，又可以保護(hù)舵機(jī)。LM2941S是低壓差線性穩(wěn)壓芯片，原理圖如其輸出電壓，在輸出電流時(shí)，。選用為，為，計(jì)算得。

常用的調(diào)參模塊主要有藍(lán)牙、SD卡、OLED顯示屏和按鍵等。不同調(diào)參模塊的電壓不同，SD卡供電電壓為3.3V，藍(lán)牙、OLED顯示屏可以接3.3V或者5V，按鍵一般接5V。測(cè)速模塊一般供電5V。這些模塊電流一般較小，可以根據(jù)PCB設(shè)計(jì)的需要調(diào)整各模塊的電壓分配。

2 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊

在競(jìng)賽中，電機(jī)驅(qū)動(dòng)的方式一般有兩種方式：集成芯片、柵極驅(qū)動(dòng)芯片和N溝道MOSFET。常用的集成驅(qū)動(dòng)芯片有BTN7970、BTN7971等；常用的柵極驅(qū)動(dòng)芯片有IR系列的IR2104、IR2184等；常用N溝道MOSFET型號(hào)多樣。

集成驅(qū)動(dòng)芯片在過(guò)流、短路、過(guò)溫和欠壓時(shí)，芯片自動(dòng)關(guān)斷輸入。為了防止車模在運(yùn)行過(guò)程中因?yàn)樾酒Ｗo(hù)而停止工作，在設(shè)計(jì)時(shí)要考慮過(guò)流保護(hù)、散熱等情況并采取措施。而B(niǎo)型車模電機(jī)功率比較大，正常工作電流都要大于1A，在啟動(dòng)或者堵轉(zhuǎn)的情況下，電流會(huì)更大，很容易造成驅(qū)動(dòng)芯片發(fā)熱；如若散熱不好，會(huì)影響芯片正常工作，進(jìn)而影響車模運(yùn)行。所以采用半橋驅(qū)動(dòng)芯片IR2104驅(qū)動(dòng)4個(gè)LR7843型N溝道MOSFET H橋的方式來(lái)驅(qū)動(dòng)電機(jī)。

首先了解一下H橋驅(qū)動(dòng)原理，電機(jī)和4個(gè)N溝道MOSFET共同構(gòu)成一個(gè)類似于字母H的驅(qū)動(dòng)橋，如圖4所示。當(dāng)Q1、Q4導(dǎo)通時(shí)，直流電機(jī)中通過(guò)從左到右的電流；當(dāng)Q2、Q3導(dǎo)通時(shí)，直流電機(jī)中通過(guò)從右到左的電流；流經(jīng)電機(jī)電流方向的改變就可以實(shí)現(xiàn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)。但是，在控制4個(gè)N溝道MOSFET導(dǎo)通時(shí)，同一橋臂的Q1和Q2、Q3和Q4不能同時(shí)導(dǎo)通，導(dǎo)通會(huì)造成源地的短路；在兩次狀態(tài)轉(zhuǎn)換過(guò)程中可能出現(xiàn)瞬時(shí)短路，需要在轉(zhuǎn)換時(shí)插入“死區(qū)”。在這里，采用一片柵極驅(qū)動(dòng)芯片IR2104來(lái)驅(qū)動(dòng)同一橋臂上下兩個(gè)NMOS管導(dǎo)通。IR2104內(nèi)部集成升壓電路，一個(gè)自舉二極管和—個(gè)自舉電容便可完成自舉升壓。IR2104內(nèi)部設(shè)置死區(qū)時(shí)間，存在于在每次狀態(tài)轉(zhuǎn)換時(shí)，可以保證同一橋臂上、下兩管的狀態(tài)相反。

NMOS管是電壓驅(qū)動(dòng)型器件，柵極電壓高于源極電壓即可實(shí)現(xiàn)NMOS的飽和導(dǎo)通。電壓通斷MOS管時(shí)，要比大10V以上，而且開(kāi)通時(shí)必須工作在飽和導(dǎo)通狀態(tài)。IR2104工作電壓為10-20V，采用B0512S隔離電源升壓模塊來(lái)供電，IR2104輸出達(dá)到15V左右，可以驅(qū)動(dòng)NMOS管。NMOS管柵源極之間是容性結(jié)構(gòu)，柵極回路存在寄生電感，合適的柵極電阻可以迅速衰減柵極回路在驅(qū)動(dòng)芯片驅(qū)動(dòng)脈沖的激勵(lì)下要產(chǎn)生很強(qiáng)的振蕩。LR7843型N溝道MOSFET，。電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊設(shè)計(jì)電路圖如圖4。

3 結(jié)論

本文的電路方案經(jīng)過(guò)測(cè)試，證明了其可行性與可靠性。在車模系統(tǒng)中，各個(gè)模塊能穩(wěn)定可靠地運(yùn)行。

參考文獻(xiàn)

[1]汪華章，宰文姣，馬亞寧，等.較大功率直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].西南民族大學(xué)：自然科學(xué)版，2010，36（4）.