具有發電功能的儲能小車

孫逸潔，馬蕾

（鄭州鐵路職業技術學院，河南鄭州，450000）

0 引言

本文設計一輛具有發電功能的智能小車，小車以法拉電容為唯一儲能元件，一次完整的充電過程限定在5m之內。基本部分要求小車具有充電指示、一鍵啟動、沿直線行駛、實時顯示行駛距離等功能。發揮部分要求小車可沿直徑為60cm的圓循跡，且能探測車下方的硬幣數量，且要求行駛距離越遠越好。根據以上分析可知，小車需要液晶屏、信號采集電路、驅動電路等，題目要求充電電容作為唯一的儲能元件，且限定了發電距離。想要完成基本部分和發揮部分的各項功能，低功耗設計將是系統方案的重點部分。

1 原理與設計

為提高發電單元的儲能，可采用高齒輪比的直流電機，然而，齒輪數量的增多，勢必會引入較大的摩擦力，降低系統效率。因此，本方案選用高齒輪比的直流電動機作為發電機，獨立于小車的驅動電機。考慮到空心杯電動機具有轉換效率高、轉動慣量低、便于控制等特點，本方案選用空心杯直流電動機為小車的驅動電動機。

手動發電時，發電機轉速不均勻、電容電壓不恒定，為滿足控制器、驅動等單元對電壓穩定性的要求，本方案采用同步升、降壓變換器相結合的方式，分為給驅動電機、單片機最小系統供電。為進一步降低系統功耗，小車的控制器、信號采集電路、電壓變換電路等均選用低功耗拓撲和低功耗器件。

循跡部分可通過雙輪差速原理實現。為了提高循跡精度，通常情況下，采用多路紅外對管進行循跡，對管數量越多，循跡精度越高，同時，系統功耗也越大。因此，本系統選用一對紅外對管，獲取小車方向信號。結合滯回原理，可將循跡誤差控制在有限范圍內，并實現順時針、逆時針等循跡功能。系統整體框圖如圖1所示。

圖1 系統整體框圖

1.1 耗能分析

(1)驅動電機：低功耗、低慣量；

(2)開關管：低電壓、低導通電阻Ron;

(3)超級電容：低串聯阻抗（ESR）。

1.2 系統提高效率的方法

1.2.1 發電機選擇

有效發電區域限定在5m內，總的發電量等于人在此區域內克服電機摩擦力做的功。顯然，摩擦力（安培力）越大，做功越多，小車儲能越大。為提高發電量，本文選用47：1變比的直流發電機。為防止電流倒流，發電機和超級電容之間串聯低壓二極管。

1.2.2 行駛距離要求

直流電動機的數學模型等效于一階電路，當電機型號確定、參數已知時，通過實測，尋求轉速和效率的最佳匹配值，提高效率。

1.2.3 驅動電路選擇

本文選用由MOSFET構成的直流斬波電路，由彌勒效應可知，MOSFET損耗主要包含開通、關斷損耗兩部分，提高開關速度、優化開關頻率可有效降低開關損耗，通常情況下，亦選用低導通電阻的MOSFET。

1.2.4 最小系統低功耗

題目要求用液晶屏顯示行駛距離和檢測到的硬幣數量，為降低功耗，系統選用STM32L系列低功率MCU，待機電流為4mA。選用OLED作為顯示器件。

1.3 尋跡電路選擇

尋跡電路由光電傳感器控制的單穩態觸發器組成，穩態、暫穩態維持時間取決于小車的機械常數。

1.4 系統控制原理分析與設計

為提高系統的動態響應，本文采用滯回比較器控制雙輪差速模式，實現小車的轉向控制，其示意圖如圖2所示。

圖2 差速滯回比較器

圖中橫軸代表小車的等效轉矩矢量，由差速原理可知，轉矩矢量越大，小車的轉彎半徑越小，轉彎速度越大；反之，轉變半徑越小，轉彎速度越大。當轉矩方向反向時，可實現反向循跡。根據題目要求，本文將循跡誤差帶控制在2cm之內，循跡效果如圖3所示。當轉矩矢量使小車偏離循跡線時，施加相反方向的轉矩即可動態調整小車姿態。因此選用差速信號vdif作為滯回比較器的輸出信號，作用在直流驅動電機的控制電路上。

圖3 滯環循跡示意圖

理想情況下，系統的循跡誤差為零，即，小車中軸線始終在循跡線的正上方。借鑒鎖相環PLL控制原理，本文通過對比紅外循跡的反饋值和循跡方向邏輯值，得到差速邏輯值，此值表征雙輪的轉矩矢量，用來控制PWM斬波電路。為進一步提高小車的循跡速度，差速實現過程中，始終將外輪初始速度設定為恒定值，實時調整內輪的速度即可，如果要實現反向循跡，只需調換內、外輪的控制邏輯即可。系統控制原理如圖4差速循跡控制原理示意圖所示。

圖4 差速循跡控制原理示意圖

1.5 電路與程序設計

1.5.1 發電電路設計

發電機電路如圖5所示，D3、C5組成超級電容充電電路，其與R1、D1,以及R2、R3串聯組成充電指標電路和電壓采集電路。充電時，為防止電流倒灌，回路中串聯一支二極管，實現電流的單向流動。

圖5 發電機電路設計

超級電容不同于傳統的電化學電容，超級電容在儲能時不發生化學反應，且儲能過程是可逆的，充電電容有重量輕、充放電次數多、儲能效率高等優點，已經廣泛應用于電動汽車、軌道交通等領域。

超級電容的儲能，一部分供給最小系統，另一部分供給小車驅動電路。最小系統要求電壓穩定在3.3V左右，當電壓降低至2.2V后，進入掉電休眠模式。為保證小車勻速循跡，本文選用同步BUCK、同步BOOST轉換器電路，對超級電容電壓進行轉換。在發電過程中，為了減小安倍力，要及時轉移超級電容上的儲能，本文選用兩級超級電容串聯結構，第一級超級電容C5對第二級超級電容C6充電，使其保持在5V。當電壓低于5V時，升壓電路BOOST使其保持5V，如圖6所示。

圖6 發電機升壓電路設計

同步升壓變換器可將低電壓轉換成高電壓，為提高轉換效率，通常選取同步整流結構對后級電流進行整流，現有專用的集成芯片如MT3608等可實現高效率電壓轉換。同步降壓變換器與之相反，可將高壓轉換成低壓，同理，為了提高轉換效率，后級多采用同步整流模式，本文選用M3410系列高效率同步降壓芯片，只需要簡單的外圍電路即可將5V電壓轉換至2V左右。

1.5.2 驅動電路設計

如前所述，當小車的兩個驅動輪速度差為零時，小車可沿直線行駛；當小車驅動輪子有速度差時，小車將沿著轉矩矢量和的方向偏轉。為了提高循跡速度，本文將外輪（逆時針循跡時，右側輪為外輪，順時針循跡時，左側輪為外輪）速度設定為恒定轉速，同時，以斬波形式控制內輪直流電動機的電樞電壓，即可動態調整小車轉向。斬波電路如圖7所示，當斬波頻率為f，占空比為D，母線電壓為U時，電樞等效電壓為：

由上式可知，電樞等效電壓Ueq為兩自由度變量，當母線電壓和占空比為定值時，電樞電桿即恒定不變。根據直流電動機電壓平衡方程和轉矩平衡方程可知，速度與電樞電壓呈正比，因此，通過控制電樞電壓，即可線性控制小車速度。需要注意的是，斬波電路設計過程中，需要合理選取母線電壓和開關周期，匹配小車的機械常數。值得注意的是，驅動電路也可以選用H橋。功率開關管選用低壓低導通電阻的MOSFET。為進一步加速功率管的開、關速度，需要設計合理的MOSFET驅動電路。本文選用N溝道MOSFET，電機安裝在MOSFET的漏極，如圖7所示。MOSFET驅動電路，如圖8所示，由單片機I/O口控制三極管的基極，三極管飽和導通時集電極-發射極導通，此時，P溝道MOSFET的柵極被拉低，進而使P-MOSFET導通，最終使PWM輸出電平與IO口輸出一致。例如當IO口輸出高電平邏輯1時，Qn導通，從而使P-MOSFET管Qm導通，PWM輸出高電平。

圖7 斬波電路

圖8 斬波驅動電路

本系統選用的直流電動機集成有測速碼盤，小車輪子轉到一周，碼盤上的柵格轉動10次，程序設計中，啟用單片機定時計數器計算柵格數量，然后根據輪子直徑即可換算出小車的行駛距離。

1.5.3 單片機最小系統

綜合考慮題目中一鍵啟動、硬幣檢測及數量顯示、行駛距離計量等功能，本文需要設計單片機最小系統，主要完成人機交互，A/D采集，PWM驅動等功能，為提高系統集成度，本文選配合適的低功耗傳感器，以總線形式與單片機最小系統進行數據交互。

1.5.4 尋跡與硬件探測電路

循跡模塊采用一體化紅外對管，它由發送器、接收器和檢測電路三部分構成。循跡區域為白色時，紅外線被反射到接收管，把光信號轉換成電信號，作為小車的方向信號。

硬幣探測電路選用基于電渦流效應的金屬探測傳感器，當傳感器探頭接近、或處于金屬正上面時，電感電流增大，反之，電感電流減小。為進一步降低系統功耗，提升行駛距離，當小車完成一圈循跡后，關門金屬探測器檢測功能，因此，液晶屏上只顯示的硬幣數量為循跡線下方的硬件數量，而不是最終檢測到的硬件數量。調試過程中，可根據硬件與探頭的距離，適當調整電感電流，以提高傳感器靈敏度。

2 實驗

2.1 測試條件與儀器

根據題目，測試條件如圖9所示。

圖9 小車發電及循區示意圖

采用的測試工具及儀器有：秒表、卷尺。

2.2 測量內容及分析

電容壓到3V時，比較不同的轉速的實際距離，和理論計算距離，可計算能量損耗。

表1 測試數據

經過測試可知，電機的最佳轉速為20轉/秒，再由空心杯減速機構減速后帶動輪子。

3 結論

本文綜合考慮題目的功能要求，理論上采用單只紅外對管判斷小車的方位信號，進而借用滯回控制原理，將小車循跡誤差控制在一定范圍內。為進一步降低系統功耗，本文選用低壓、低導通阻抗MOSFET，并采用加速驅動電路，進一步降低MOSFET的開關損耗。電能變換方面，本文選用同步整流BOOST、BUCK拓撲，對超級電容的電能進行升、降壓變換，分別借給單片機最小系統、直流驅動電機。結合低功耗單片機的休眠模式，空心杯電機的超低轉動慣量、輕量化車身結構、以及直流驅動電機的轉速-效率優化等，小車綜合循跡圈數可超過60圈。測試表明，小車能夠較好的完成實驗的基本要求和發揮部分。

本文選用同步整流BOOST、BUCK拓撲，對超級電容的電能進行升、降壓變換，分別借給單片機最小系統、直流驅動電機。結合低功耗單片機的休眠模式、直流驅動電機。結合低功耗單片機的休眠模式，空心杯電機的超低轉動慣量、輕量化車身結構、以及直流驅動電機的轉速-效率優化等，小車綜合循跡圈數可超過60圈。