一種新型中小型AGV控制系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)

珠海科技學(xué)院 謝梓烊 張 昊 林嘉俊 周永寧 周子鴻

隨著電子工業(yè)設(shè)計(jì)的發(fā)展，AGV小車控制系統(tǒng)電路進(jìn)行設(shè)計(jì)，并探討現(xiàn)有AGV電路設(shè)計(jì)的問(wèn)題及優(yōu)勢(shì)，提出了一種基于新型中小型AGV控制系統(tǒng)的電路設(shè)計(jì)。該電路采用了主要的四個(gè)部分及電源部分、H橋驅(qū)動(dòng)部分、H橋部分、電流反饋部分，實(shí)現(xiàn)對(duì)輪胎電機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)向和剎車，所設(shè)計(jì)的電路基本滿足AGV輪胎運(yùn)動(dòng)控制功能，可作為AGV設(shè)計(jì)參考。

1 介紹和背景

隨著智能物流行業(yè)中的中小型自動(dòng)導(dǎo)引運(yùn)輸車（AGV，Automated Guided Vehicle）的發(fā)展，直流電機(jī)控制系統(tǒng)因?yàn)槠漭^好的啟動(dòng)及調(diào)速性能得到了廣泛地應(yīng)用，但存在著啟動(dòng)響應(yīng)速度較慢、精度較差等缺點(diǎn)。由于AGV的車載動(dòng)力源多為24V和48V的鉛酸電池和鎘鎳電池，并且在AGV電機(jī)驅(qū)動(dòng)扭矩和功率的限制下要求電機(jī)驅(qū)動(dòng)器輸出的電流較大。因此，前人針對(duì)直流有刷電機(jī)在電源電壓較低輸出電流較大的場(chǎng)景設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)器時(shí)，主要從電機(jī)調(diào)速平穩(wěn)性、驅(qū)動(dòng)器輸出電流和電壓等方面改進(jìn)。陳曦和隋龍（2009）基于大功率脈寬調(diào)制（PWM）設(shè)計(jì)了H型全橋驅(qū)動(dòng)電路并引入了死區(qū)邏輯可以有效減少PWM輸入路數(shù)；紀(jì)玉亮等（2015）提出了雙邊延單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器啟動(dòng)延時(shí)可調(diào)電路，其本質(zhì)是在電路外圍接入限位開關(guān)與開關(guān)延時(shí)的截流反饋電路；但在升壓為IC供電過(guò)程中一直存在升壓損耗問(wèn)題使電機(jī)驅(qū)動(dòng)效率較低，由于電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路大多數(shù)采用的是H橋驅(qū)動(dòng)電路，導(dǎo)致對(duì)于電壓要求較高，也就是要采用線性調(diào)節(jié)器進(jìn)行增壓，因此，許多公司針對(duì)這種情況設(shè)計(jì)了開關(guān)電源（Switch Mode Power Supply，SMPS），如急速微電子(Allegro MicroSystems，Allegro)推出了電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片A3908EEETR-T，其峰值輸出電流高達(dá)500mA，峰值輸出電壓高達(dá)4.8V。盡管該芯片功能靈活，但其輸出電流和輸出電壓較低，并且輸出接口數(shù)較少，不能控制多個(gè)電機(jī)，因此不能滿足小型直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中。

針對(duì)上述問(wèn)題，本文選用了意法半導(dǎo)體（ST）公司的MC34063芯片，該芯片輸入電壓谷值低至2.5V，具有短路電流限制功能，低靜態(tài)工作電流。本文提出了一種AGV控制系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)，對(duì)現(xiàn)有驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，利用直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路，提供穩(wěn)定、高效的的動(dòng)力輸出，以便適應(yīng)各種復(fù)雜狀況。

2 AGV小車供電電路設(shè)計(jì)

由于平臺(tái)式分揀系統(tǒng)對(duì)于AGV小車尺寸有一定限制，所以大部分的AGV小車因此不得不選擇相對(duì)體積小、電壓低的電源，如5V直流電源。如果電源提供的電壓與電機(jī)要求的電壓不匹配，就應(yīng)該引入升壓或降壓電路。本文中AGV小車的電機(jī)驅(qū)動(dòng)需要5V電壓，電源電壓大于5V，因此需要降壓處理。如圖1，一開始電源輸入，經(jīng)過(guò)大電容。目的是因?yàn)檩斎氲氖墙涣麟姡?jīng)過(guò)帶有極性的大電解電容后，對(duì)不平滑的直流電進(jìn)行濾波，且對(duì)交流電不起作用，然后采用深圳市華之美半導(dǎo)體有限公司（H&M Semiconductor)的HM78M05芯片進(jìn)行降壓并為后面的IC供電和電機(jī)編碼器供電起到關(guān)鍵作用。

圖1 HM78M05降壓模塊電路

3 AGV小車車輪電機(jī)電路驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)

3.1 升壓電路

由圖2所示，該電路的14V電源使用5V升壓獲得，升壓部分采用意法半導(dǎo)體（ST）的MC34063單片機(jī)BOOST DC-DC解決方案，而MC34063是一單片雙極型線性集成電路，專用于控制直流-直流變換器部分。它由具有溫度自動(dòng)補(bǔ)償功能的基準(zhǔn)電壓發(fā)生器、比較器、占空比可控的振蕩器，R—S觸發(fā)器和大電流輸出開關(guān)電路等組成，而大電流輸出開關(guān)，能輸出1.5A的開關(guān)電流。它能使用最少的外接元件構(gòu)成開關(guān)式升壓變換器、降壓式變換器和電源反向器。

圖2 MC34063升壓模塊電路

圖5 RC導(dǎo)通延時(shí)產(chǎn)生死區(qū)時(shí)間的波形

R31為輸入電流采樣電阻，當(dāng)R31上的電壓超過(guò)300mv時(shí)，將會(huì)觸發(fā)MC34063的過(guò)流保護(hù)功能，輸出將會(huì)終止。R32為內(nèi)部集電極供電電阻，L1為儲(chǔ)能電感，D5為續(xù)流二極管，R34和R35組成分壓器，負(fù)責(zé)將輸出電壓縮小到1/13反饋至電壓采樣端（5），C18為輸出儲(chǔ)能電容，C19為高頻濾波電容。R33和LED1組成LED指示燈電路，R33為L(zhǎng)ED的限流電阻。通過(guò)MC34063設(shè)計(jì)升壓電路，令輸出端為14V后面的IC供電。

3.2 H橋驅(qū)動(dòng)電路

H橋驅(qū)動(dòng)電路由兩部分組成，分別為圖3電壓轉(zhuǎn)換部分和圖4H橋懸浮驅(qū)動(dòng)部分組成，由于單片機(jī)只能輸出3.3V-5V，無(wú)法直接驅(qū)動(dòng)懸浮驅(qū)動(dòng)芯片，故使用美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體公司（National Semiconductor，NS）的LM393芯片搭建電壓比較器，來(lái)完成電壓轉(zhuǎn)換的任務(wù)（3.3V至14V）。通過(guò)比較電壓的高低來(lái)控制輪胎電機(jī)的轉(zhuǎn)向。

圖3 LM393電壓轉(zhuǎn)換電路

圖4 H橋懸浮驅(qū)動(dòng)電路

R21、R25，C9組成電壓基準(zhǔn)電路，負(fù)責(zé)輸出一個(gè)約1.65V（3.3V/2）的電壓，用來(lái)和單片機(jī)輸出的3.3V作比較。R20、R29為保護(hù)電阻，防止單片機(jī)意外斷開導(dǎo)致比較器輸出高電壓，燒壞全橋。由于LM393為開漏輸出，故使用R17和R26將輸出電壓拉升至14V，也就是說(shuō)，當(dāng)INPUT輸入電壓低于1.65V，電路IN1輸出為0V，當(dāng)輸入電壓高于1.65V，電路輸出14V。

由于H橋的上部分NMOS的源級(jí)不接地，故需要懸浮驅(qū)動(dòng)來(lái)驅(qū)動(dòng)H橋的G極。EN_1端的電阻R3為下拉電阻，防止與單片機(jī)意外斷開連接時(shí)端口被意外拉高導(dǎo)致H橋意外導(dǎo)通。

對(duì)于兩個(gè)電機(jī)的AGV小車，在進(jìn)行直線行駛時(shí)，應(yīng)保持兩個(gè)電機(jī)的PWM協(xié)調(diào)工作。但是由于許多擁有兩個(gè)電機(jī)卻沒(méi)有差速器的AGV小車，轉(zhuǎn)彎的力矩將會(huì)導(dǎo)致AGV小車難以轉(zhuǎn)彎。通過(guò)兩個(gè)電機(jī)差速控制的方法，能使AGV小車轉(zhuǎn)向更加平穩(wěn)，大有效的降低了轉(zhuǎn)彎半徑，甚至可以實(shí)現(xiàn)原地轉(zhuǎn)向的功能。

懸浮驅(qū)動(dòng)電路原理：

當(dāng)IN1_1輸入低電平時(shí)，LVG輸出高電平，由于Q4導(dǎo)通，導(dǎo)致6腳被拉低，這時(shí)自舉電容C2將通過(guò)自舉二極管D1被充電至12.3v左右。當(dāng)IN1_1輸入高電平時(shí)，Q4截至，Q2導(dǎo)通，導(dǎo)致6腳電壓被抬升至VCC_IN，此時(shí)由于二極管的單向?qū)щ娦裕珼1截至，電容上端8腳電壓為VCC_IN+12.7V，這時(shí)8腳電壓通過(guò)7腳輸出至H橋上管的G極，驅(qū)動(dòng)上管繼續(xù)開啟。

3.3 H橋部分電路

R1、R2、R4、R5為G極驅(qū)動(dòng)電阻，用以提高驅(qū)動(dòng)阻抗，降低G極振鈴。Q1-Q4為四個(gè)NMOS，C1為輸出高濾波電容，J1為連接器，用以連接電機(jī)。通過(guò)搭配NMOS管，最大電流能達(dá)80A。漏源電壓（Vdss）30V，連續(xù)漏極電流（Id）（25°C 時(shí)）86A。

圖6 H橋部分電路

3.4 電流采集部分電路

所有流過(guò)H橋的電流均會(huì)流過(guò)R6并在R6上產(chǎn)生壓降，但是由于該電阻只有0.5ohm，導(dǎo)致該壓降很小，難以用ADC進(jìn)行測(cè)量，故對(duì)該電壓進(jìn)行放大，原理是利用一個(gè)NS公司的LM258搭建一個(gè)同相比例放大器，用于控制AGV小車的剎車制動(dòng)，其中C8和C7為高頻濾波電容，R11為輸入緩沖電阻。R7和R12為反饋網(wǎng)絡(luò)，用以提供31倍的電壓放大效果。R10為輸出緩沖電阻。

圖7 H橋部分電路輸出電壓

圖8 電流采集部分電路

圖9 經(jīng)過(guò)放大的負(fù)載電流波形

通過(guò)本文對(duì)驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)，詳細(xì)展示了電路的各個(gè)部分的功能，使用LM258芯片，即雙運(yùn)算放大器。用于控制輪胎電機(jī)剎車制動(dòng)。使用LM393芯片，即電壓雙比較器通過(guò)比較電壓的高低來(lái)控制電機(jī)的轉(zhuǎn)向。且自主設(shè)計(jì)的H橋驅(qū)動(dòng)電路有較高的靈活度，優(yōu)化了布線方式，提高了更換元器件的效率。將設(shè)計(jì)的電路驅(qū)動(dòng)安裝在AGV小車上可應(yīng)用物流、無(wú)人工廠等領(lǐng)域。