基于嵌入式的機器人雙向電源控制系統設計

譚潔TAN Jie；黃浩HUANG Hao；劉震LIU Zhen

（銅仁職業技術學院，銅仁554300）

0 引言

隨著城市化進程的加快，以機器人為代表的智能化控制裝置在工業、農業、服務業中扮演著重要的角色，為人們的生產生活提供了便利。但是，目前市面上機器人的電源控制器是單向的，其轉換效率不高，能量損耗大，所以，開發一種高效率、低能耗、易于操控的機器人雙向電源控制器是必要的[1]。雙向電源控制器實現了能量的雙向傳輸和變換，功能上相當于兩個單向電源控制器，可以大幅度減輕機器人電源系統的體積、重量及成本，具有重要的研究價值[2]。

1 系統總體方案設計

1.1 DC-DC 模塊方案選擇

DC-DC 模塊是實現雙向電源控制器的核心，其主要功能是將一種直流電壓轉換成另一種直流電壓，進行能量的傳遞與轉換[3]，一般使用升降壓電路實現。本文提出三種方案對DC-DC 模塊進行論證。

方案一：MC34063 可以通過單片機輸出的PWM 來控制其升降壓功能，輸入輸出電壓范圍寬，且同時具有升降壓功能。但是其效率低，功耗高，抗輻射干擾弱，穩定性不夠，其輸出電流的上限為僅為1.5A，不滿足本設計輸出2A的要求，且該芯片易受環境因素的改變而變化，同時，不同批次生產的MC34063 的控制參數不一致，不利于控制。

方案二：SG3525 升降壓斬波電路和IR2110 驅動電路組成DC-DC 模塊，SG3525 輸出不同占空比的PWM 來驅動IR2110，從而控制電路是升壓還是降壓。但是SG3525和IR2110 均為16 腳芯片，接線復雜，不容易調試，且IR2110 對PWM 的精度要求高，不易控制，若控制不當，將會導致整個電路燒毀。

方案三：LM2576 降壓模塊和XL6009 升壓模塊組成DC-DC 模塊，實現雙向電源控制器的充放電功能。其具有輸入輸出電壓范圍寬，易于控制，且受環境因素影響較小，耐溫性高，輸出電流上限均達到了本設計的要求，且自帶限流保護功能。

綜上所述，本文選擇方案三作為DC-DC 模塊。

1.2 方案的確定

如圖1 所示為雙向電源變換電路。電池的正極與單刀雙擲開關K1 的控制端連接，單刀雙擲開關K1 的1 端與XL6009 升壓模塊輸入端的正極連接，XL6009 升壓模塊的輸出端的正極與二極管D2 的陽極連接，二極管D2 的陰極與單刀雙擲開關K2 的1 端連接，單刀雙擲開關K1 的2 端與二極管D1 的陰極連接，二極管D1 的陽極與LM2576 降壓模塊的正電源端連接，LM2576 降壓模塊的輸出端與單刀雙擲開關K2 的2 端連接。當同時把單刀雙擲開關K1、K2 撥到2 腳時，LM2576 降壓模塊被接通；當同時把單刀雙擲開關K1、K2 撥到1 腳時，XL6009 升壓模塊被接通。

圖1 雙向電源變換電路

2 硬件電路設計

2.1 LM2576 降壓電路

LM2576 開關穩壓集成電路是降壓電路的核心控制芯片，共有5 個管腳，可調電壓輸出系列可以在1.23～40V 范圍內調節輸出電壓，如圖2 所示為LM2576 降壓電路的原理圖，輸入電壓Ui 經過電容C1 濾波后作為LM2576 開關穩壓集成電路的輸入電壓，通過電位器Rw調節所需輸出電壓Uo。輸出電壓Uo的計算公式如下：

圖2 LM2576 降壓電路原理圖

2.2 XL6009 升壓電路

XL6009 升壓型直流電源變換器芯片是升壓電路的主控核心，其具有5 個管腳，引腳2 是使能端，高電平有效，使用時可以懸空。如圖3 所示為XL6009 升壓電路的原理圖，電容C1、C2 的作用分別是在濾除電源輸入端和輸出端的雜波。可以通過調節電位器調節輸出電壓Uo，其計算公式如下：

圖3 XL6009 降壓電路原理圖

2.3 電流檢測電路

電流檢測的方法很多，通常情況下，可以將萬用表的電流檔串聯接進電路即可讀出電流值。但是，本文在進行控制器設計時，需要通過STM32 嵌入式系統檢測讀出電流值，且輸出電流值可以通過按鍵設定。使用STM32 嵌入式系統檢測電流實質上是電壓的檢測，通過A/D 電壓采樣，再根據轉換公式轉換成電流值。

本文采用ACS712 電流傳感器對輸出電流進行采樣。將ACS712 電流傳感器的輸入端串接在輸出電路中，其輸出端連接STM32 嵌入式系統的A/D 采樣端口，通過STM32 嵌入式系統編程計算，便可將電流值在液晶顯示屏顯示。A/D 采樣到的信號是經ACS712 電流傳感器放大后的信號，所以需要的程序內進行計算，才可得到實測的電流值。其計算公式如下：

VOUT為電流檢測模塊輸出的電壓值。

3 系統軟件設計

程序處理是整個系統的關鍵，在本系統中，通過按鍵設定輸出的電流、電壓值，STM32 嵌入式系統對電壓電流的變化情況進行實時檢測，并通過LCD 液晶顯示屏顯示出來。

在系統程序的設計過程中，為了方便調試與查找錯誤，并修改程序，采用了模塊化設計。整個系統程序分為了A/D 采樣模塊、顯示模塊、按鍵輸入模塊、PWM 輸出模塊、D/A 轉換模塊。被測量的電壓、電流信號通過A/D 轉換后，進入STM32 嵌入式系統內部，通過顯示器顯示出來；STM32 嵌入式系統根據按鍵設定的電壓、電流值進行反復比較后輸出控制信號，經D/A 轉換后送給控制器，進而控制外圍硬件電路。

在本設計程序中，將STM32 嵌入式系統工作部分分為兩個狀態：自然測量狀態、設定輸出電流狀態。自然測量狀態中包含A/D 采樣和液晶顯示功能，設定輸出電流狀態中包含按鍵輸入、液晶顯示、PWM 輸出、D/A 轉換功能。

4 測試結果

4.1 降壓電路參數測試

保持20Ω 的恒定負載，通過按鍵調節PWM 的占空比來改變輸出電流值，然后根據液晶顯示屏的測量數據與萬用表的測量數據進行比對，計算出顯示誤差和電路的效率如表1 所示，其最大顯示誤差絕對值為0.03V，效率為88%以上，說明系統穩定，轉換效率高。

表1 降壓電路參數測試

4.2 升壓電路參數測試

設定按鍵調節PWM 設定輸出電壓為30V，從5V 到30V 范圍內改變輸入電壓，用萬用表測量輸出電壓恒為30V，根據液晶顯示屏上輸出電壓的值與萬用表測量的值進行比較，計算出顯示絕對誤差。如表2 所示為升壓電路參數測試。顯示絕對誤差在0.1V 范圍內。

表2 升壓電路參數測試

5 總結

基于嵌入式的機器人雙向電源控制器的設計，將雙向電源的設計分為降壓電路和升壓電路兩大模塊，每個模塊又包含若干個功能子模塊；同時，應用STM32 嵌入式系統完成輸出電流、電壓步進可調、數值顯示等功能，達到了輸出電流顯示誤差為±0.03A，輸出電壓顯示誤差為±0.1V，且在輸入電壓為30V，輸出電流恒定為2A 的條件下，轉換效率大于88%的效果，解決了機器人電源控制系統效率低、功耗大的問題。