方 略,王春雷,楊 亞,范春輝,芮岳峰

(中國電子科技集團公司第二十一研究所，上海 200233)

0 引言

電控預(yù)充電系統(tǒng)的主要作用是對電機控制器(逆變器)的大電容進行充電，以減少接觸器動作時的火花拉弧，降低沖擊、增加安全性。當電容并聯(lián)在電源兩端時，在電源接通瞬間，電容兩端的電壓不會突變，而電容兩端的電流會突變。如果沒有預(yù)充電路，那么接觸器會因為大電流而發(fā)生粘連或損壞，影響電機控制器的安全性和可靠性。

國外對電控預(yù)充電系統(tǒng)的研究已有多年。德國的B.Hauck設(shè)計的BATTMAN系統(tǒng)，強調(diào)了整個管理對于動力電池型號的普遍應(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：決定電池組存儲時間的電流能量、最弱電池單元的剩余容量、電池組運行的參數(shù)測量和數(shù)據(jù)記錄[1]。美國Aerovironmevt公司開發(fā)了SmartGuard系統(tǒng)，其主要特點是采用了分布式結(jié)構(gòu)。該系統(tǒng)的主要功能有過充電保護、存儲電池數(shù)據(jù)和指示狀態(tài)最差單體電池信息等[2]。美國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)，由一個主控單元和多個單體電池監(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]。

國內(nèi)針對電池預(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輕型電動客車配套的電池管理系統(tǒng)，可以在行駛過程中對電池的充放電電流、電壓等參數(shù)進行實時測量和監(jiān)控，防止過充電、過放電，提高了電池壽命和效率。同時，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，自動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、運行狀態(tài)判斷和保護等功能[7]。

電機控制器負載前端有較大的電容，直接上電會產(chǎn)生超大瞬時電流，對電機控制器造成損害。合理設(shè)計預(yù)充電電路，是四足機器人平臺必不可少的重要環(huán)節(jié)，能夠避免超大瞬時電流[8]。本文對四足機器人電控預(yù)充電電路進行了研究，設(shè)計了一種新型的預(yù)充電電路。通過電阻、電容和電壓比較器實現(xiàn)時間延遲，完成了基于四足機器人的電控預(yù)充電系統(tǒng)的設(shè)計。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

基于四足機器人的電控預(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)充電延時電路、STM32F103C8T6、CAN通信模塊、電流采集模塊這四個部分組成。

ST官方推出的STM32F103C8T6芯片內(nèi)部集成有豐富的外設(shè)資源[9]?；谒淖銠C器人的電控預(yù)充電系統(tǒng)設(shè)計中應(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。電流信號輸入到STM32F103C8T6內(nèi)置的12位ADC電路進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，實時得到預(yù)充電過程中的電流數(shù)字量信號，并通過CAN通信接口電路將電流信號值發(fā)送給上層控制器。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

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

整個預(yù)充電過程與RC電路充電類似[11]。由RC的基本電路知識可知，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時刻電機控制器負載兩端電壓；U0為動力電源電壓；t為充電時間；R為預(yù)充電電阻；C為等效電容。

考慮到實際情況，設(shè)計參考負載電容C上的電壓UB達到UA電壓90%時預(yù)充電動作完成。四足機器人的4條腿部一共有12個永磁同步電機。將電機控制器的電容等效為一個C=0.01 F的電容。通過MATLAB的仿真計算，選擇預(yù)充電電阻為25 Ω。預(yù)充電時間曲線如圖3所示。

圖3 預(yù)充電時間曲線圖

四足機器人平臺動力電源電壓為24 V，即U0=24 V。根據(jù)經(jīng)驗，選擇預(yù)充電電阻25 Ω(即R=25 Ω)，電機控制器電容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中進行仿真計算，電壓到達90%×24 V=21.6 V時，t=0.6 s。經(jīng)過0.6 s后，電機控制器負載充電電壓達到動力電源電壓的90%，充電電流為0.1 A。此時接通主回路，電機控制器負載不會有大的沖擊電流，電路安全、可靠。

2.3 預(yù)充電延時電路

基于預(yù)充電電阻R=25 Ω和充電時間t=0.6 s，設(shè)計預(yù)充電硬件電路。

2.3.1 電壓比較器延時電路

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

圖4 電壓比較器延時電路

圖5 延時電路仿真結(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輸出的信號為高電平。

2.3.2 預(yù)充電硬件電路

基于N溝道功率場效應(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，N溝道功率場效應(yīng)管Q1柵極接通，此時N溝道功率場效應(yīng)管Q2和Q3截止。通過功率電阻R18，開始對電機控制器負載充電。待延時電路的輸出信號MOT_PWDLY變?yōu)楦唠娖叫盘柡螅琋溝道功率場效應(yīng)管Q2和Q3導(dǎo)通，使充電電阻R18被短路，完成對電機負載的預(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，需要實時地對充電過程中的電流進行采樣?；陔娏鱾鞲衅鰽CS758，設(shè)計了電流采樣硬件電路[12-13]，并將采樣到的電流信號傳送給控制芯片STM32F103C8T6?？刂菩酒瑢﹄娏餍盘柕拇笮∵M行判斷：當電流信號超過上限閾值時，控制芯片會產(chǎn)生相應(yīng)的動作來切斷對電機控制器負載的供電，以防止對電源和電機控制器造成損害[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，對控制器的ADC采樣和CAN進行配置。配置完成后，編寫電流信號采樣和電流信號發(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信號短接，用信號線引出MOT和MOT_PWDLY輸出信號。然后，給電源板提供24 V的電壓信號，通過示波器去觀察MOT和MOT_PWDLY輸出信號的時序圖。試驗結(jié)果如圖9所示。

圖9 試驗結(jié)果

由圖9可知，MOT信號在0 s時刻被觸發(fā)，經(jīng)過0.6 s后MOT_PWDLY信號變成了高電平信號，預(yù)充電完成。試驗結(jié)果與Multisim14.1中搭建的延時電路仿真結(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控制器供電，產(chǎn)生的超大瞬時電流會對電機造成損壞。針對這一問題，通過合理選擇LM311、N溝道功率場效應(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中進行了仿真。在完成硬件電路焊接后，在硬件電路上進行了試驗。試驗結(jié)果與電路仿真結(jié)果一致，驗證了基于四足機器人的電控預(yù)充電系統(tǒng)的安全性、可靠性。