孫逸潔，馬蕾

（鄭州鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南鄭州，450000）

0 引言

本文設(shè)計(jì)一輛具有發(fā)電功能的智能小車，小車以法拉電容為唯一儲(chǔ)能元件，一次完整的充電過程限定在5m之內(nèi)?；静糠忠笮≤嚲哂谐潆娭甘?、一鍵啟動(dòng)、沿直線行駛、實(shí)時(shí)顯示行駛距離等功能。發(fā)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(shù)量，且要求行駛距離越遠(yuǎn)越好。根據(jù)以上分析可知，小車需要液晶屏、信號采集電路、驅(qū)動(dòng)電路等，題目要求充電電容作為唯一的儲(chǔ)能元件，且限定了發(fā)電距離。想要完成基本部分和發(fā)揮部分的各項(xiàng)功能，低功耗設(shè)計(jì)將是系統(tǒng)方案的重點(diǎn)部分。

1 原理與設(shè)計(jì)

為提高發(fā)電單元的儲(chǔ)能，可采用高齒輪比的直流電機(jī)，然而，齒輪數(shù)量的增多，勢必會(huì)引入較大的摩擦力，降低系統(tǒng)效率。因此，本方案選用高齒輪比的直流電動(dòng)機(jī)作為發(fā)電機(jī)，獨(dú)立于小車的驅(qū)動(dòng)電機(jī)?？紤]到空心杯電動(dòng)機(jī)具有轉(zhuǎn)換效率高、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量低、便于控制等特點(diǎn)，本方案選用空心杯直流電動(dòng)機(jī)為小車的驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)。

手動(dòng)發(fā)電時(shí)，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速不均勻、電容電壓不恒定，為滿足控制器、驅(qū)動(dòng)等單元對電壓穩(wěn)定性的要求，本方案采用同步升、降壓變換器相結(jié)合的方式，分為給驅(qū)動(dòng)電機(jī)、單片機(jī)最小系統(tǒng)供電。為進(jìn)一步降低系統(tǒng)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?fù)浜偷凸钠骷?/p>

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

圖1 系統(tǒng)整體框圖

1.1 耗能分析

(1)驅(qū)動(dòng)電機(jī)：低功耗、低慣量；

(2)開關(guān)管：低電壓、低導(dǎo)通電阻Ron;

(3)超級電容：低串聯(lián)阻抗（ESR）。

1.2 系統(tǒng)提高效率的方法

1.2.1 發(fā)電機(jī)選擇

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

1.2.2 行駛距離要求

直流電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型等效于一階電路，當(dāng)電機(jī)型號確定、參數(shù)已知時(shí)，通過實(shí)測，尋求轉(zhuǎn)速和效率的最佳匹配值，提高效率。

1.2.3 驅(qū)動(dòng)電路選擇

本文選用由MOSFET構(gòu)成的直流斬波電路，由彌勒效應(yīng)可知，MOSFET損耗主要包含開通、關(guān)斷損耗兩部分，提高開關(guān)速度、優(yōu)化開關(guān)頻率可有效降低開關(guān)損耗，通常情況下，亦選用低導(dǎo)通電阻的MOSFET。

1.2.4 最小系統(tǒng)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(shù)量，為降低功耗，系統(tǒng)選用STM32L系列低功率MCU，待機(jī)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(wěn)態(tài)觸發(fā)器組成，穩(wěn)態(tài)、暫穩(wěn)態(tài)維持時(shí)間取決于小車的機(jī)械常數(shù)。

1.4 系統(tǒng)控制原理分析與設(shè)計(jì)

為提高系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，本文采用滯回比較器控制雙輪差速模式，實(shí)現(xiàn)小車的轉(zhuǎn)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(zhuǎn)矩矢量，由差速原理可知，轉(zhuǎn)矩矢量越大，小車的轉(zhuǎn)彎半徑越小，轉(zhuǎn)彎速度越大；反之，轉(zhuǎn)變半徑越小，轉(zhuǎn)彎速度越大。當(dāng)轉(zhuǎn)矩方向反向時(shí)，可實(shí)現(xiàn)反向循跡。根據(jù)題目要求，本文將循跡誤差帶控制在2cm之內(nèi)，循跡效果如圖3所示。當(dāng)轉(zhuǎn)矩矢量使小車偏離循跡線時(shí)，施加相反方向的轉(zhuǎn)矩即可動(dòng)態(tài)調(diào)整小車姿態(tài)。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(qū)動(dòng)電機(jī)的控制電路上。

圖3 滯環(huán)循跡示意圖

理想情況下，系統(tǒng)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(huán)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(zhuǎn)矩矢量，用來控制PWM斬波電路。為進(jìn)一步提高小車的循跡速度，差速實(shí)現(xiàn)過程中，始終將外輪初始速度設(shè)定為恒定值，實(shí)時(shí)調(diào)整內(nèi)輪的速度即可，如果要實(shí)現(xiàn)反向循跡，只需調(diào)換內(nèi)、外輪的控制邏輯即可。系統(tǒng)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(shè)計(jì)

1.5.1 發(fā)電電路設(shè)計(jì)

發(fā)電機(jī)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(lián)組成充電指標(biāo)電路和電壓采集電路。充電時(shí)，為防止電流倒灌，回路中串聯(lián)一支二極管，實(shí)現(xiàn)電流的單向流動(dòng)。

圖5 發(fā)電機(jī)電路設(shè)計(jì)

超級電容不同于傳統(tǒng)的電化學(xué)電容，超級電容在儲(chǔ)能時(shí)不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，且儲(chǔ)能過程是可逆的，充電電容有重量輕、充放電次數(shù)多、儲(chǔ)能效率高等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于電動(dòng)汽車、軌道交通等領(lǐng)域。

超級電容的儲(chǔ)能，一部分供給最小系統(tǒng)，另一部分供給小車驅(qū)動(dòng)電路。最小系統(tǒng)要求電壓穩(wěn)定在3.3V左右，當(dāng)電壓降低至2.2V后，進(jìn)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(zhuǎn)換器電路，對超級電容電壓進(jìn)行轉(zhuǎn)換。在發(fā)電過程中，為了減小安倍力，要及時(shí)轉(zhuǎn)移超級電容上的儲(chǔ)能，本文選用兩級超級電容串聯(lián)結(jié)構(gòu)，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(dāng)電壓低于5V時(shí)，升壓電路BOOST使其保持5V，如圖6所示。

圖6 發(fā)電機(jī)升壓電路設(shè)計(jì)

同步升壓變換器可將低電壓轉(zhuǎn)換成高電壓，為提高轉(zhuǎn)換效率，通常選取同步整流結(jié)構(gòu)對后級電流進(jìn)行整流，現(xiàn)有專用的集成芯片如MT3608等可實(shí)現(xiàn)高效率電壓轉(zhuǎn)換。同步降壓變換器與之相反，可將高壓轉(zhuǎn)換成低壓，同理，為了提高轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換至2V左右。

1.5.2 驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

如前所述，當(dāng)小車的兩個(gè)驅(qū)動(dòng)輪速度差為零時(shí)，小車可沿直線行駛；當(dāng)小車驅(qū)動(dòng)輪子有速度差時(shí)，小車將沿著轉(zhuǎn)矩矢量和的方向偏轉(zhuǎn)。為了提高循跡速度，本文將外輪（逆時(shí)針循跡時(shí)，右側(cè)輪為外輪，順時(shí)針循跡時(shí)，左側(cè)輪為外輪）速度設(shè)定為恒定轉(zhuǎn)速，同時(shí)，以斬波形式控制內(nèi)輪直流電動(dòng)機(jī)的電樞電壓，即可動(dòng)態(tài)調(diào)整小車轉(zhuǎn)向。斬波電路如圖7所示，當(dāng)斬波頻率為f，占空比為D，母線電壓為U時(shí)，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(dāng)母線電壓和占空比為定值時(shí)，電樞電桿即恒定不變。根據(jù)直流電動(dòng)機(jī)電壓平衡方程和轉(zhuǎn)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(shè)計(jì)過程中，需要合理選取母線電壓和開關(guān)周期，匹配小車的機(jī)械常數(shù)。值得注意的是，驅(qū)動(dòng)電路也可以選用H橋。功率開關(guān)管選用低壓低導(dǎo)通電阻的MOSFET。為進(jìn)一步加速功率管的開、關(guān)速度，需要設(shè)計(jì)合理的MOSFET驅(qū)動(dòng)電路。本文選用N溝道MOSFET，電機(jī)安裝在MOSFET的漏極，如圖7所示。MOSFET驅(qū)動(dòng)電路，如圖8所示，由單片機(jī)I/O口控制三極管的基極，三極管飽和導(dǎo)通時(shí)集電極-發(fā)射極導(dǎo)通，此時(shí)，P溝道MOSFET的柵極被拉低，進(jìn)而使P-MOSFET導(dǎo)通，最終使PWM輸出電平與IO口輸出一致。例如當(dāng)IO口輸出高電平邏輯1時(shí)，Qn導(dǎo)通，從而使P-MOSFET管Qm導(dǎo)通，PWM輸出高電平。

圖7 斬波電路

圖8 斬波驅(qū)動(dòng)電路

本系統(tǒng)選用的直流電動(dòng)機(jī)集成有測速碼盤，小車輪子轉(zhuǎn)到一周，碼盤上的柵格轉(zhuǎn)動(dòng)10次，程序設(shè)計(jì)中，啟用單片機(jī)定時(shí)計(jì)數(shù)器計(jì)算柵格數(shù)量，然后根據(jù)輪子直徑即可換算出小車的行駛距離。

1.5.3 單片機(jī)最小系統(tǒng)

綜合考慮題目中一鍵啟動(dòng)、硬幣檢測及數(shù)量顯示、行駛距離計(jì)量等功能，本文需要設(shè)計(jì)單片機(jī)最小系統(tǒng)，主要完成人機(jī)交互，A/D采集，PWM驅(qū)動(dòng)等功能，為提高系統(tǒng)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(jī)最小系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)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(fā)送器、接收器和檢測電路三部分構(gòu)成。循跡區(qū)域?yàn)榘咨珪r(shí)，紅外線被反射到接收管，把光信號轉(zhuǎn)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(yīng)的金屬探測傳感器，當(dāng)傳感器探頭接近、或處于金屬正上面時(shí)，電感電流增大，反之，電感電流減小。為進(jìn)一步降低系統(tǒng)功耗，提升行駛距離，當(dāng)小車完成一圈循跡后，關(guān)門金屬探測器檢測功能，因此，液晶屏上只顯示的硬幣數(shù)量為循跡線下方的硬件數(shù)量，而不是最終檢測到的硬件數(shù)量。調(diào)試過程中，可根據(jù)硬件與探頭的距離，適當(dāng)調(diào)整電感電流，以提高傳感器靈敏度。

2 實(shí)驗(yàn)

2.1 測試條件與儀器

根據(jù)題目，測試條件如圖9所示。

圖9 小車發(fā)電及循區(qū)示意圖

采用的測試工具及儀器有：秒表、卷尺。

2.2 測量內(nèi)容及分析

電容壓到3V時(shí)，比較不同的轉(zhuǎn)速的實(shí)際距離，和理論計(jì)算距離，可計(jì)算能量損耗。

表1 測試數(shù)據(jù)

經(jīng)過測試可知，電機(jī)的最佳轉(zhuǎn)速為20轉(zhuǎn)/秒，再由空心杯減速機(jī)構(gòu)減速后帶動(dòng)輪子。

3 結(jié)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(jìn)而借用滯回控制原理，將小車循跡誤差控制在一定范圍內(nèi)。為進(jìn)一步降低系統(tǒng)功耗，本文選用低壓、低導(dǎo)通阻抗MOSFET，并采用加速驅(qū)動(dòng)電路，進(jìn)一步降低MOSFET的開關(guān)損耗。電能變換方面，本文選用同步整流BOOST、BUCK拓?fù)?，對超級電容的電能進(jìn)行升、降壓變換，分別借給單片機(jī)最小系統(tǒng)、直流驅(qū)動(dòng)電機(jī)。結(jié)合低功耗單片機(jī)的休眠模式，空心杯電機(jī)的超低轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、輕量化車身結(jié)構(gòu)、以及直流驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速-效率優(yōu)化等，小車綜合循跡圈數(shù)可超過60圈。測試表明，小車能夠較好的完成實(shí)驗(yàn)的基本要求和發(fā)揮部分。

本文選用同步整流BOOST、BUCK拓?fù)?，對超級電容的電能進(jìn)行升、降壓變換，分別借給單片機(jī)最小系統(tǒng)、直流驅(qū)動(dòng)電機(jī)。結(jié)合低功耗單片機(jī)的休眠模式、直流驅(qū)動(dòng)電機(jī)。結(jié)合低功耗單片機(jī)的休眠模式，空心杯電機(jī)的超低轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、輕量化車身結(jié)構(gòu)、以及直流驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速-效率優(yōu)化等，小車綜合循跡圈數(shù)可超過60圈。