基于四足機(jī)器人的電控預(yù)充電系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究

方 略,王春雷,楊 亞,范春輝,芮岳峰

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第二十一研究所，上海 200233)

0 引言

電控預(yù)充電系統(tǒng)的主要作用是對(duì)電機(jī)控制器(逆變器)的大電容進(jìn)行充電，以減少接觸器動(dòng)作時(shí)的火花拉弧，降低沖擊、增加安全性。當(dāng)電容并聯(lián)在電源兩端時(shí)，在電源接通瞬間，電容兩端的電壓不會(huì)突變，而電容兩端的電流會(huì)突變。如果沒有預(yù)充電路，那么接觸器會(huì)因?yàn)榇箅娏鞫l(fā)生粘連或損壞，影響電機(jī)控制器的安全性和可靠性。

國(guó)外對(duì)電控預(yù)充電系統(tǒng)的研究已有多年。德國(guó)的B.Hauck設(shè)計(jì)的BATTMAN系統(tǒng)，強(qiáng)調(diào)了整個(gè)管理對(duì)于動(dòng)力電池型號(hào)的普遍應(yīng)用性，通過改變硬件跳線和在軟件上增減參數(shù)的方法，管理不同型號(hào)的電池組。該系統(tǒng)主要基于不同電池組所擁有的共同特點(diǎn)：決定電池組存儲(chǔ)時(shí)間的電流能量、最弱電池單元的剩余容量、電池組運(yùn)行的參數(shù)測(cè)量和數(shù)據(jù)記錄[1]。美國(guó)Aerovironmevt公司開發(fā)了SmartGuard系統(tǒng)，其主要特點(diǎn)是采用了分布式結(jié)構(gòu)。該系統(tǒng)的主要功能有過充電保護(hù)、存儲(chǔ)電池?cái)?shù)據(jù)和指示狀態(tài)最差單體電池信息等[2]。美國(guó)AC Propulsion公司開發(fā)了名為BatOpt的高性能電池管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用分布式結(jié)構(gòu)，由一個(gè)主控單元和多個(gè)單體電池監(jiān)控單元所組成。此外，本田、西門子等公司也都推出了各自的電池管理系統(tǒng)[3-4]。

國(guó)內(nèi)針對(duì)電池預(yù)充電系統(tǒng)的研究起步較晚，目前研究單位主要是一些高校。清華大學(xué)研發(fā)的EV-6580輕型電動(dòng)客車配套的電池管理系統(tǒng)，可以在行駛過程中對(duì)電池的充放電電流、電壓等參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量和監(jiān)控，防止過充電、過放電，提高了電池壽命和效率。同時(shí)，清華大學(xué)還開發(fā)了與該系統(tǒng)相匹配的充電系統(tǒng)[5]。同濟(jì)大學(xué)和北京星恒電池有限公司的鋰離子電池管理系統(tǒng)的主要功能有電流、電壓及電池模塊溫度的采集，電池電荷狀態(tài)(state of charge,SOC)估計(jì)，自動(dòng)均衡和事故處理與記錄等[6]。北京航空航天大學(xué)研制的鎳氫電池管理系統(tǒng)主要有電流電壓及電池箱溫度的采集、SOC估計(jì)、運(yùn)行狀態(tài)判斷和保護(hù)等功能[7]。

電機(jī)控制器負(fù)載前端有較大的電容，直接上電會(huì)產(chǎn)生超大瞬時(shí)電流，對(duì)電機(jī)控制器造成損害。合理設(shè)計(jì)預(yù)充電電路，是四足機(jī)器人平臺(tái)必不可少的重要環(huán)節(jié)，能夠避免超大瞬時(shí)電流[8]。本文對(duì)四足機(jī)器人電控預(yù)充電電路進(jìn)行了研究，設(shè)計(jì)了一種新型的預(yù)充電電路。通過電阻、電容和電壓比較器實(shí)現(xiàn)時(shí)間延遲，完成了基于四足機(jī)器人的電控預(yù)充電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

基于四足機(jī)器人的電控預(yù)充電系統(tǒng)的系統(tǒng)總體框架如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體框架圖

該系統(tǒng)主要由預(yù)充電延時(shí)電路、STM32F103C8T6、CAN通信模塊、電流采集模塊這四個(gè)部分組成。

ST官方推出的STM32F103C8T6芯片內(nèi)部集成有豐富的外設(shè)資源[9]。基于四足機(jī)器人的電控預(yù)充電系統(tǒng)設(shè)計(jì)中應(yīng)用到的外設(shè)主要有12位精度的模數(shù)轉(zhuǎn)換(analog to digital converter,ADC)模塊和CAN通信模塊。電流信號(hào)輸入到STM32F103C8T6內(nèi)置的12位ADC電路進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，實(shí)時(shí)得到預(yù)充電過程中的電流數(shù)字量信號(hào)，并通過CAN通信接口電路將電流信號(hào)值發(fā)送給上層控制器。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 預(yù)充電電路分析

預(yù)充電電路如圖2所示。

圖2 預(yù)充電電路

2.2 預(yù)充電電阻選擇

整個(gè)預(yù)充電過程與RC電路充電類似[11]。由RC的基本電路知識(shí)可知，預(yù)充電過程中電壓方程如式(1)所示。

(1)

預(yù)充電過程中，電流方程如式(2)所示。

(2)

式中：u(t)為預(yù)充電過程中t時(shí)刻電機(jī)控制器負(fù)載兩端電壓；U0為動(dòng)力電源電壓；t為充電時(shí)間；R為預(yù)充電電阻；C為等效電容。

考慮到實(shí)際情況，設(shè)計(jì)參考負(fù)載電容C上的電壓UB達(dá)到UA電壓90%時(shí)預(yù)充電動(dòng)作完成。四足機(jī)器人的4條腿部一共有12個(gè)永磁同步電機(jī)。將電機(jī)控制器的電容等效為一個(gè)C=0.01 F的電容。通過MATLAB的仿真計(jì)算，選擇預(yù)充電電阻為25 Ω。預(yù)充電時(shí)間曲線如圖3所示。

圖3 預(yù)充電時(shí)間曲線圖

四足機(jī)器人平臺(tái)動(dòng)力電源電壓為24 V，即U0=24 V。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，選擇預(yù)充電電阻25 Ω(即R=25 Ω)，電機(jī)控制器電容C=0.01 F，u(t)=21.6 V。將上述參數(shù)代入式(1)，得到t=0.6 s。在MATLAB中進(jìn)行仿真計(jì)算，電壓到達(dá)90%×24 V=21.6 V時(shí)，t=0.6 s。經(jīng)過0.6 s后，電機(jī)控制器負(fù)載充電電壓達(dá)到動(dòng)力電源電壓的90%，充電電流為0.1 A。此時(shí)接通主回路，電機(jī)控制器負(fù)載不會(huì)有大的沖擊電流，電路安全、可靠。

2.3 預(yù)充電延時(shí)電路

基于預(yù)充電電阻R=25 Ω和充電時(shí)間t=0.6 s，設(shè)計(jì)預(yù)充電硬件電路。

2.3.1 電壓比較器延時(shí)電路

基于電壓比較器LM311、電阻、電容，設(shè)計(jì)電壓比較器延時(shí)電路，如圖4所示。

圖4 電壓比較器延時(shí)電路

圖5 延時(shí)電路仿真結(jié)果

由圖5可知，經(jīng)過約0.6 s后，電壓比較器LM311發(fā)射極引腳MOT_PWDLY輸出的信號(hào)為高電平。

2.3.2 預(yù)充電硬件電路

基于N溝道功率場(chǎng)效應(yīng)管IRL40T209和預(yù)充電功率電阻搭建預(yù)充電硬件電路，如圖6所示。

圖6 預(yù)充電硬件電路

如圖6所示，預(yù)充電工作原理如下：電源在+5 V工作時(shí)，N溝道功率場(chǎng)效應(yīng)管Q1柵極接通，此時(shí)N溝道功率場(chǎng)效應(yīng)管Q2和Q3截止。通過功率電阻R18，開始對(duì)電機(jī)控制器負(fù)載充電。待延時(shí)電路的輸出信號(hào)MOT_PWDLY變?yōu)楦唠娖叫盘?hào)后，N溝道功率場(chǎng)效應(yīng)管Q2和Q3導(dǎo)通，使充電電阻R18被短路，完成對(duì)電機(jī)負(fù)載的預(yù)充電工作。

2.4 電流采集模塊

為了確保預(yù)充電過程的安全性，需要實(shí)時(shí)地對(duì)充電過程中的電流進(jìn)行采樣。基于電流傳感器ACS758，設(shè)計(jì)了電流采樣硬件電路[12-13]，并將采樣到的電流信號(hào)傳送給控制芯片STM32F103C8T6。控制芯片對(duì)電流信號(hào)的大小進(jìn)行判斷：當(dāng)電流信號(hào)超過上限閾值時(shí)，控制芯片會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的動(dòng)作來切斷對(duì)電機(jī)控制器負(fù)載的供電，以防止對(duì)電源和電機(jī)控制器造成損害[14]。電流采樣硬件電路如圖7所示。

圖7 電流采樣硬件電路原理圖

2.5 CAN通信模塊

為了將電流采樣信號(hào)傳遞給上層控制器，基于雙通道數(shù)字隔離器芯片ADUM1201和CAN總線芯片SN65HVD232設(shè)計(jì)了CAN通信電路[15]，如圖8所示。

圖8 CAN通信電路

在STM32CubeIDE軟件中，對(duì)控制器的ADC采樣和CAN進(jìn)行配置。配置完成后，編寫電流信號(hào)采樣和電流信號(hào)發(fā)送程序。程序代碼如下。

MX_ADC1_Init();

MX_CAN_Init();

HAL_CAN_Init(&hcan);

HAL_CAN_Start(&hcan);

while (1) {

HAL_ADC_PollForConversion(&hadc1,100);

txBuf.half[0]=HAL_ADC_GetValue(&hadc1);

HAL_CAN_AddTxMessage(&hcan,&_gTxHeader,__canTxData,&txMailBox);}

3 試驗(yàn)結(jié)果

電源板硬件電路焊接步驟如下。首先，用導(dǎo)線將電源芯片TPS54202的使能引腳和GND信號(hào)短接，用信號(hào)線引出MOT和MOT_PWDLY輸出信號(hào)。然后，給電源板提供24 V的電壓信號(hào)，通過示波器去觀察MOT和MOT_PWDLY輸出信號(hào)的時(shí)序圖。試驗(yàn)結(jié)果如圖9所示。

圖9 試驗(yàn)結(jié)果

由圖9可知，MOT信號(hào)在0 s時(shí)刻被觸發(fā)，經(jīng)過0.6 s后MOT_PWDLY信號(hào)變成了高電平信號(hào)，預(yù)充電完成。試驗(yàn)結(jié)果與Multisim14.1中搭建的延時(shí)電路仿真結(jié)果(圖5)一致。

4 結(jié)論

在無預(yù)充電電路的情況下直接給電機(jī)控制器供電，產(chǎn)生的超大瞬時(shí)電流會(huì)對(duì)電機(jī)造成損壞。針對(duì)這一問題，通過合理選擇LM311、N溝道功率場(chǎng)效應(yīng)管IRL40T209和預(yù)充電功率電阻等元器件構(gòu)建了預(yù)充電電路，并且在MATLAB和Multisim14.1中進(jìn)行了仿真。在完成硬件電路焊接后，在硬件電路上進(jìn)行了試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果與電路仿真結(jié)果一致，驗(yàn)證了基于四足機(jī)器人的電控預(yù)充電系統(tǒng)的安全性、可靠性。