差速AGV無刷直流電機驅(qū)動器的硬件電路設(shè)計

I方案設(shè)計與制作項目名稱：差速AGV無刷直流電機硬件電路差速AGV無刷直流電機驅(qū)動器的硬件電路設(shè)計摘要 本設(shè)計硬件主要采用單片機STM32F103ZET6、開關(guān)電源芯片XL1509、穩(wěn)壓器TL431、AMS1117、驅(qū)動芯片IR2101、電流檢測芯片ACS712、保護器AOD4185、BTS640和雙繼電器；外部器件采用2臺無刷直流電機、磁導(dǎo)航傳感器、霍爾搖桿、顯示屏、蓄電池及小車支架，由AltiumDesigner軟件設(shè)計原理圖及參數(shù)、PCB走線及布局；利用芯片采集磁導(dǎo)航傳感器或霍爾搖桿的信號位置點，經(jīng)芯片處理輸出一定占空比的6路PWM，再經(jīng)驅(qū)動模塊驅(qū)動2臺無刷電機的運轉(zhuǎn)，實現(xiàn)差速AGV無刷直流電機的運作，從而實現(xiàn)AGV小車前進、后退、轉(zhuǎn)彎等運動。其硬件電路具有功耗低、抗干擾能力強、可靠性高、過流過壓及充放電等保護的優(yōu)勢，非常適用于工廠運輸、巡航操作等方面。關(guān)鍵詞:STM32F103ZET6，PWM，無刷直流電機，AGV

AbstractThehardwaredesignmainlyadoptssingle-chipmicrocomputerSTM32F103ZET6,switchingpowersupplychipXL1509,TL431,AMS1117,voltageregulatordriverchipIR2101andcurrentdetectionchipACS712,AOD4185,BTS640anddoubleprotectionrelay;theexternaldeviceadopts2brushlessDCmotor,magneticnavigationsensor,Holzerrocker,display,batteryandcarframe,byAltiumDesignerthesoftwaredesignprinciplediagramandparameters,PCBroutingandlayout;usingthesignalpointacquisitionchipmagneticnavigationsensororHolzerrocker,thechipprocessingoutputacertaindutycycleof6PWM,thedrivermoduledrives2brushlessmotortoachievedifferentialAGVbrushlessDCmotoroftheoperation.InordertoachievetheAGVcarforward,backward,turningmotion.Thehardwarecircuithastheadvantagesoflowpowerconsumption,stronganti-interferenceability,highreliability,overflowvoltageandchargeanddischargeprotectionKeywords:STM32F103ZET6,PWM,brushlessDCmotor,AGV

目錄1前言 11.1選題背景 11.2相關(guān)研究現(xiàn)狀及前景 11.3內(nèi)容章節(jié)概述 12功能與結(jié)構(gòu)概述 22.1差速AGV外部機械結(jié)構(gòu)概述 22.2差速AGV功能概述 22.3差速AGV系統(tǒng)結(jié)構(gòu)總框圖 32.4差速AGV系統(tǒng)原理概述 43電路參數(shù)設(shè)計 53.1差速AGV所用器件概述 53.2主控模塊 53.2.1下載口電路 53.2.2主控芯片電路 63.2.3CAN通信電路 73.3內(nèi)部供電模塊 73.3.112V供電電路 83.3.25V供電電路 93.3.33.3V供電電路 93.4外部供電模塊 103.4.15V供電電路 103.4.212V供電電路 113.4.33.3V供電電路 113.5總電源輸入模塊 123.5.1電源輸入電路電路 133.5.2電源充電電路 133.6電機驅(qū)動模塊 143.6.1電機主輸出電路 143.6.2過流保護電路 153.6.3驅(qū)動電路 163.7輸出接口模塊 163.7.1電機接口電路 173.7.2顯示屏接口電路 173.7.3霍爾搖桿接口電路 173.7.4IO輸入輸出電路 183.8擴展模塊 184PCB布局設(shè)計 194.1總體結(jié)構(gòu)布局 194.2主電源走線 194.3信號走線 204.4散熱處理 205 焊接及調(diào)試 215.1焊接步驟 215.2調(diào)試所需的工具 215.3調(diào)試方法 215.4數(shù)據(jù)記錄 225.5測試結(jié)果 236總結(jié) 24附錄 25參考文獻 291前言1.1選題背景 AGV是一種基于芯片處理多種功能來實現(xiàn)路程規(guī)劃及作業(yè)要求，它以蓄電池/鋰電池為動力能量供給，以某一傳感器（磁導(dǎo)航/視覺導(dǎo)航）的方式自動導(dǎo)航，實現(xiàn)取貨、送貨、充電及入庫等一系列任務(wù)且功能類似于工廠叉車的無人駕駛自動化車輛，其技術(shù)從20世紀初的歐美開始，一直不斷更新與發(fā)展，到如今已越來越多樣化、新型化、實用化、功能化，但是在國內(nèi)其發(fā)展起步較晚，而且如今工業(yè)對其所適用的環(huán)境、工序、功能、操作等技術(shù)要求較高，特別是差速AGV與其對應(yīng)的模糊算法應(yīng)用更為廣泛，市場對其有著很大的需求量，另外，近年來無刷直流電機替代有刷直流電機的應(yīng)用興起，適用性、效率性、損耗性別具一格。因此，本次設(shè)計是基于研究性和探討性為目的對差速AGV無刷直流電機驅(qū)動器硬件電路進行設(shè)計。1.2相關(guān)研究現(xiàn)狀及前景目前，在歐美、日韓等工業(yè)發(fā)達國家，其AGV的技術(shù)運用已相當成熟，他們采用先進的芯片處理、高端的算法控制系統(tǒng)及精密的機械結(jié)構(gòu)，來制造運輸量更快，更大，功能更強，穩(wěn)定性和控制可靠性更高的運輸車。其不僅應(yīng)用于倉儲領(lǐng)域及企業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域，而且應(yīng)用于柔性加工生產(chǎn)系統(tǒng)及其他更為復(fù)雜的系統(tǒng)領(lǐng)域，并在不斷更新研究高難度、高精密、高效率等的新型AGV技術(shù)。在國內(nèi)，AGV發(fā)展始于“863”計劃，起步較晚，應(yīng)用技術(shù)開發(fā)及其系統(tǒng)技術(shù)等相對落后，但是我國在這方面大量投入，不斷研究和發(fā)展，相信能很快趕上歐美的腳步。另外，市場對AGV的需求量特別大，是向全自動化轉(zhuǎn)型的重要技術(shù)。1.3內(nèi)容章節(jié)概述本文主要從功能與結(jié)構(gòu)概述、電路參數(shù)設(shè)計、PCB布局設(shè)計、焊接與調(diào)試四個方面闡述“差速AGV無刷直流電機驅(qū)動器硬件電路設(shè)計”。其中功能與結(jié)構(gòu)概述包括主要結(jié)構(gòu)概述、AGV控制器功能概述、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)總框圖、系統(tǒng)框圖原理概述；電路參數(shù)設(shè)計主要介紹本次設(shè)計的AGV器件概述、主控模塊、內(nèi)部供電模塊、外部供電模塊、總電源輸入模塊、電機驅(qū)動模塊、輸出接口模塊、擴展模塊；PCB布局設(shè)計主要介紹總體結(jié)構(gòu)布局、總電源走線、信號走線、散熱處理；焊接與調(diào)試主要介紹焊接步驟、調(diào)試所需工具、調(diào)試方法、數(shù)據(jù)記錄、數(shù)據(jù)分析；實現(xiàn)以電池為動力，無人駕駛自動導(dǎo)航，能完成前進、后退、轉(zhuǎn)彎等基本運動的AGV運輸車中的“差速AGV無刷直流電機驅(qū)動器硬件電路設(shè)計”。2功能與結(jié)構(gòu)概述2.1差速AGV外部機械結(jié)構(gòu)概述本次設(shè)計的差速AGV運輸車外部機械結(jié)構(gòu)及布局是：以120*90cm的手推車作為基本機械支架；以2臺直流電機作為動力輸出（位置在負重輪與萬向輪之間），通過動力傳輸鏈條連接負重輪（后部）；以2個負重輪的運轉(zhuǎn)差速及2個萬向輪（前部）作為運行方向控制；以24V蓄電池作為動力；以差速AGV驅(qū)動控制器進行運動控制。其控制是：芯片通過檢測2臺電機霍爾的位置及磁條信號參數(shù)，經(jīng)算法處理對應(yīng)輸出2*3路一定占空比的PWM，驅(qū)動2臺無刷直流電機同速/差速運轉(zhuǎn)，從而實現(xiàn)差速AGV的運行[[]潘運平,魯峰,王飛,陳輝振.工廠AGV的結(jié)構(gòu)設(shè)計與控制研究[J].現(xiàn)代機械,2014,(05):1-4.]。因此，本篇論本主要講述差速AGV驅(qū)動[]潘運平,魯峰,王飛,陳輝振.工廠AGV的結(jié)構(gòu)設(shè)計與控制研究[J].現(xiàn)代機械,2014,(05):1-4.2.2差速AGV功能概述 1.芯片處理功能：控制器的主控芯片采用STM32F103ZET6單片機，內(nèi)核是ARM32位的Cortex?-M3CPU，具有12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器，112個快速I/O端口，13個通信接口，具有2個16位帶死區(qū)控制和緊急剎車及用于電機控制的PWM高級控制定時器，以及6路互補高精度PWM驅(qū)動輸出，可用于驅(qū)動無刷直流電機的運行。2.觸屏顯示功能：控制器的顯示屏選用5寸電容觸摸屏，豎屏顯示，可編程顯示AGV各功能模塊的運行狀態(tài)、參數(shù)設(shè)置等，增強人機互動效果。3.自動尋軌導(dǎo)航功能：控制器的磁導(dǎo)航傳感器選用CNS-MGS-16，其分辨率為16點，數(shù)據(jù)通過CAN通信輸出至主控芯片。內(nèi)部控制板由STM32F103、PNI磁傳感器陣列及PNI磁傳感器驅(qū)動芯片等電路及電源通訊和并行接口組成。磁傳感器將小車軌跡的磁信號（50mm磁軌控制器可自動識別）轉(zhuǎn)化為可讀數(shù)字信號，經(jīng)內(nèi)部MCU處理后（-16~+16），將信息通過CAN電路將信息傳至總線上。主控芯片通過CAN通信讀取傳感器位置信息，并計算處理，對小車的運動控制進行調(diào)節(jié)，實現(xiàn)自動尋軌導(dǎo)航功能[[]周馳東.磁導(dǎo)航自動導(dǎo)向小車（AGV）關(guān)鍵技術(shù)與應(yīng)用研究[D].南京航空航天大學,2012.[]周馳東.磁導(dǎo)航自動導(dǎo)向小車（AGV）關(guān)鍵技術(shù)與應(yīng)用研究[D].南京航空航天大學,2012.4.手動控制功能：控制器的手動控制采用霍爾操縱桿，可對運動的方向進行調(diào)控（前進、后退、左右）以及運動的速度進行自由調(diào)節(jié)。5.輸入/輸出保護功能：對于控制器的信號輸入/輸出都采用了過壓（32V）和過流保護，對于控制器的電源充放電采用了防反接和過流（20A）保護，對于控制器大功率輸出采用了短路保護。6.電池組充放電檢測及電量顯示功能：主控芯片通過對蓄電池電路定期采集電池組的電壓，通過5寸電容屏將電池組電量顯示出來，并且當電池組電壓低于一定值時做一定報警提示。當充電接口接上時檢測是否需要充電以及是否充滿，若不需要充電或已經(jīng)充滿電將斷開充電電路。即當電池組電量不足時（20V），主控芯片打開充電繼電器，當電池組充滿后(28V)，主控芯片斷開充電繼電器[[]吳紅斌,顧緗,趙波,張雪松.蓄電池充放電管理的全過程仿真研究[J].電子測量與儀器學報,2014,(08):843-849.][]吳紅斌,顧緗,趙波,張雪松.蓄電池充放電管理的全過程仿真研究[J].電子測量與儀器學報,2014,(08):843-849.7.擴展功能：四路繼電器輸出：主控芯片可控制四路繼電器輸出，可帶四路100W電機。超聲波避障：手動控制/自動導(dǎo)航在行走/入庫時，超聲波避障可以進行避障警示。擴展接口：有多個IO、AD、DA及CAN通信口用于擴展功能。2.3差速AGV系統(tǒng)結(jié)構(gòu)總框圖 如圖2-3-1可見，差速AGV驅(qū)動控制器總框圖：圖2-3-1AGV驅(qū)動控制器總框圖如圖2-3-2可見，磁導(dǎo)航傳感器內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖：圖2-3-2磁導(dǎo)航傳感器結(jié)構(gòu)框圖2.4差速AGV系統(tǒng)原理概述 差速AGV驅(qū)動控制器的運作原理如下：自動模式下，通過磁導(dǎo)航傳感器PIN陣列感應(yīng)鋪設(shè)磁條所在位置磁場的強度變化，確定實際位置和方向，芯片以CAN通信的方式采集數(shù)據(jù)；手動模式下，通過檢測霍爾搖桿X-Y軸方向線性電壓值的變化，確定運動方向和速度，并以AD方式采集數(shù)據(jù)[[]閻石.數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)[M].北京：高等技術(shù)出版社2006.5[]閻石.數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)[M].北京：高等技術(shù)出版社2006.5采集數(shù)據(jù)后經(jīng)算法處理及檢測電機霍爾的位置輸出一定占空比的2*3路互補高精度PWM給IR2101驅(qū)動芯片電路處理，進而再驅(qū)動三相半橋MOS管電路，從而驅(qū)動2個電機差速/同速運轉(zhuǎn)。三相半橋電路中，上橋采用高邊功率集成保護器件，當過流/短路時，自動斷開保護，具有自動恢復(fù)功能；下橋采用ACS712電流霍爾，通過AD采集方式計算電流以及通過電壓比較器進行過流剎車保護；電源總電流和總電壓采用AD檢測方式對總電流/電壓保護，供電部分采用開關(guān)型芯片XL1509及穩(wěn)壓管、二極管對其保護，電池充電采用雙繼電器及AOD-4185保護，放電采用自恢復(fù)保險絲（40A）及AOD-4185保護；所有相關(guān)狀態(tài)參數(shù)及相關(guān)控制操作參數(shù)通過RS485通信在5寸觸摸屏上顯示。3電路參數(shù)設(shè)計3.1差速AGV所用器件概述 差速AGV驅(qū)動控制器主要分為內(nèi)部電路模塊和外接器件模塊，其中內(nèi)部電路模塊有：主控模塊、內(nèi)部供電模塊、外部供電模塊、電源輸入模塊、電機驅(qū)動模塊、輸出接口模塊、擴展模塊。外接器件模塊及參數(shù)有：無刷直流電機：2臺，24V240W，最大電流10A，霍爾檢測方式；磁導(dǎo)航傳感器：電源電壓10-18V，信號線5VCAN通信方式；霍爾搖桿：電源電壓3.3V，X-Y軸（3.3V）線性電壓方式；顯示屏：電源供電電壓5V，信號線5V高低電平方式；蓄電池：2臺12V（70AH）的免維護蓄電池；充電器：24V10A智能蓄電池充電器。3.2主控模塊主控模塊是芯片編程下載、程序仿真、總線通信及數(shù)據(jù)處理的單元，主要有主控芯片電路、CAN通信電路、下載口電路。如圖3-2-1可見，主控模塊的結(jié)構(gòu)總框圖。圖3-2-1主控模塊結(jié)構(gòu)總框圖3.2.1下載口電路 主控芯片的編程下載采用J-LINK仿真器，其下載口電路有：上拉端口TDI、TMS、TCK和端口TRST、TDO、RESET連接單片機，其上拉電阻是10K（R183-R185）1/10W，上拉電壓為3.3V。其中端口功能定義：端口TDI：J-LINK輸出給目標（CPU）的JTAG的數(shù)據(jù)；端口TMS：J-LINK輸出給目標（CPU）的JTAG模式設(shè)置信號；端口TCK：J-LINK輸出給目標（CPU）的時鐘信號；端口TRST：J-LINK輸出給目標（CPU）的復(fù)位信號；端口TDO：目標（CPU）返回給J-LINK的數(shù)據(jù)信號；端口RESET：目標（CPU）的復(fù)位信號。如圖3-2-2可見，下載口電路的原理圖。圖3-2-2下載口電路原理圖3.2.2主控芯片電路 主控芯片電路其實是STM32F103ZET6單片機的最小系統(tǒng)，即用最少的元件組成的、可以工作的系統(tǒng)，其主要有單片機、晶振電路和濾波電容，其中一個晶振是（Y2）8MHZ、其晶振電容一般?。–47-C48）10PF；另外一個晶振是（Y1）32.768MHZ，晶振電容取（C45-C46）10PF；濾波電容主要分布在單片機的四周，以保證單片機供給各個3.3V電壓引腳的穩(wěn)定和減少電壓波動帶來的干擾，通常電容采用無極性陶瓷電容（C38-C44），通常取100PF；其中PWM輸出端口為PA8-PA9-PA10和PB13-PB14-PB15、PC6-PC7-PC8和PA7-PB0-PB1，電機霍爾檢測端口為PA0-PA1-PA2和PF0-PF1-PF2。如圖3-2-3可見，主控芯片電路的原理圖。圖3-2-3主控芯片電路原理圖3.2.3CAN通信電路 CAN通信主要是通過TJA1050芯片轉(zhuǎn)換實現(xiàn)的，其中TJA1050芯片的供電電壓是5V，對外連接端口CANL、CANH最高承受電壓為40V，其并聯(lián)一個電阻（R182）120歐，起增強信號抗干擾能力，對內(nèi)連接端口R（接受數(shù)據(jù)輸出）、D（傳輸數(shù)據(jù)輸入）連接單片機的CAN通信接口。如圖3-2-4可見，CAN通信電路的原理圖。圖3-2-4CAN通信電路原理圖3.3內(nèi)部供電模塊內(nèi)部供電模塊是為內(nèi)部的各個模塊（芯片）提供相對獨立的供電電壓，減少內(nèi)部不同電壓系統(tǒng)之間和內(nèi)部供電與外部供電之間的干擾，以保證在某個模塊供電電壓異常時，其他的模塊的功能還能正常進行。其中主要有：12V供電電路：供給IR2101芯片、充電繼電器；5V供電電路：供給ACS712芯片、LM358芯片、BTS640芯片、TJA1050芯片；3.3V供電電路：STM單片機如圖3-3-1可見，內(nèi)部供電模塊設(shè)計的結(jié)構(gòu)總框圖。圖3-3-1內(nèi)部供電模塊結(jié)構(gòu)總框圖3.3.112V供電電路 12V供電電路選取XL1509-12V開關(guān)降壓型DC/DC轉(zhuǎn)換器芯片，其內(nèi)部有150KHz固定頻率脈寬調(diào)制，可以依據(jù)輸出電壓電流調(diào)節(jié)占空比（0-100%）；具有使能、頻率補償、短路（頻率降到50KHz，保護芯片）、限流等一系列的保護功能；最大輸出2A負載電流，最大40V電壓輸入，且輸出效率高、散熱較好、紋波較低、線性較好；具有所需元件少、體積小，成本低的優(yōu)勢。12V供電電路主要有：隔離器件：選取2A40V快恢復(fù)二極管SS24（D8），其最大壓降是0.2V，利用其具有單向?qū)ǖ奶匦?，將?nèi)部供電與外部電源隔離，減少兩者之間的干擾影響；前級濾波電路：選取330UF50V電解電容及100NF60V無極陶瓷電容對輸入電壓進行穩(wěn)壓和消除輸入噪聲，減少輸入電壓波動對芯片穩(wěn)壓輸出的影響，其電解電容的容值視輸出功率而定；XL1509芯片電路：VIN是電壓24V輸入，OUT是電壓12V輸出，F(xiàn)B是輸出電壓反饋引腳，PCB走線直接連在輸出電感后面（走線要粗短），ON/OFF是連接單片機的使能引腳，其中輸出電感（L3）選取33UH-2A，其電感值視輸出瞬時功率而定，續(xù)流二極管（D9）選取40V5A，其電流值一般是最輸大電流的2倍左右，下拉電阻（R53）選取10K，拉低端口電平，使其保持在正常工作狀態(tài)。后級濾波電路：選取470UF35V電解電容及100NF40V無極陶瓷電容對輸出電壓進行穩(wěn)壓和高頻濾波，其電解電容的容值理論上越大越好，無極陶瓷電容越多越好，一般滿足輸出功率即可；過壓保護器件：選取12.6V500MA的穩(wěn)壓二極管（D36），以防止XL1509輸出電壓波動過大或者是上電瞬間的脈沖損壞后級所需供電的芯片，一般芯片的供電電壓管控是±1%[]王兆安,陳橋梁.集成化開關(guān)電源的若干關(guān)鍵技術(shù)[J].電氣應(yīng)用,2007,(08):6-11.[]王兆安,陳橋梁.集成化開關(guān)電源的若干關(guān)鍵技術(shù)[J].電氣應(yīng)用,2007,(08):6-11.如圖3-3-2可見，12V供電電路的原理圖。圖3-3-212V供電電路原理圖3.3.25V供電電路 5V供電電路選取XL1509-5V開關(guān)降壓型芯片，其過壓保護器件選取5.4V500MA的穩(wěn)壓二極管（D38），其他電路參數(shù)基本與12V供電電路參數(shù)相似。如圖3-3-3可見，5V供電電路的原理圖。圖3-3-35V供電電路原理圖3.3.33.3V供電電路3.3V供電電路選取AMS11173.3V線性降壓型芯片，其是一個正向低壓降穩(wěn)壓器，最大輸入電壓為20V，而且壓差越小效率越高，電流越低壓降越小，在1A的電流下壓降為1.2V，具有輸出電壓精度較高（1%）、內(nèi)部集成過熱保護和限流功能的優(yōu)勢。3.3V供電電路主要有：AMS1117芯片電路：VIN是電壓5V輸入，OUT是電壓3.3V輸出，電壓級差??；后級濾波電路：選取220UF35V電解電容及100NF40V無極陶瓷電容對輸出電壓進行穩(wěn)壓和濾波；過壓保護器件：選取3.6V500MA的穩(wěn)壓二極管（D32），穩(wěn)定單片機供電電壓。指示燈電路：選取1.5V高亮發(fā)光二極管，電流取1MA，限流電阻取值2K[[]曾輝.電路分析[M].武漢：武漢理工大學出版社，2011.3[]曾輝.電路分析[M].武漢：武漢理工大學出版社，2011.3如圖3-3-4可見，反饋電路的組成。圖3-3-4反饋電路結(jié)構(gòu)3.4外部供電模塊外部供電模塊是為外部的器件提供相對獨立的供電電壓，減少外部電壓系統(tǒng)之間的影響，以保證在某個外部器件短路時，內(nèi)部的其他的工作器件不受影響。其中主要有：12V供電電路：供給CNS-MGS-16磁導(dǎo)航傳感器5V供電電路：供給5寸觸摸屏、無刷電機霍爾傳感器3.3V供電電路：供給霍爾搖桿如圖3-4-1可見，外部供電模塊設(shè)計的結(jié)構(gòu)總框圖。圖3-4-1外部供電模塊結(jié)構(gòu)總框圖3.4.15V供電電路5V供電電路選取XL1509-ADJ開關(guān)降壓型芯片，其性能參數(shù)與XL1509-12V芯片參數(shù)相似，唯一的區(qū)別是：反饋引腳（FB）是通過外部電阻來分割回路來檢測和調(diào)節(jié)輸出電壓，其反饋端電壓是1.23V；由于顯示屏所需功率較大，因此其輸出電感取值68UH3A。。供電電路主要有：隔離二極管、前級濾波電路、XL1509芯片電路、后級濾波電路（電路參數(shù)結(jié)構(gòu)與其他供電模塊對應(yīng)電路參數(shù)相似）及ADJ調(diào)節(jié)電路：電阻R80-R81-R130構(gòu)成電壓反饋網(wǎng)絡(luò)，R81取1K，R130為補償電阻。由于輸出電壓為5V，F(xiàn)B端電壓為1.23V，即有5V=1.23*（1+R80/R81），可計算出R80>3K，因此R80取3.3K，再依據(jù)各個芯片空載的輸出電壓特性，對輸出電壓進行補償，因此R130取56歐。其中CBB電容（C29）5.8NF是為了消除噪聲，以提高反饋電壓的穩(wěn)定性。短路保護電路：短路保護二極管（D31）1N40071A1000V，是當外部線路短路時，能把斷流電流由二極管承受，直到自恢復(fù)保險絲斷開；二極管（D6）是3A40V的快恢復(fù)二極管，具有極低的壓降，控制輸出電流單向流動，防止外邊電流倒灌損壞XL1509芯片；自恢復(fù)保險絲（F3）是16V2A，其自恢復(fù)性是利用熱效應(yīng)，需要一定反應(yīng)時間，當輸出過流時會自動斷開，非過流時會自動閉合。如圖3-4-2可見，5V供電電路的原理圖。圖3-4-25V供電電路原理圖3.4.212V供電電路12V供電電路選取XL1509-ADJ芯片，電路參數(shù)基本與其他供電模塊對于電路參數(shù)相似。其ADJ調(diào)節(jié)電路參數(shù)略有不同：ADJ調(diào)節(jié)電路：電阻R82-R83-R129構(gòu)成電壓反饋網(wǎng)絡(luò)，R83取1K，R129為補償電阻。由于輸出電壓為12V，F(xiàn)B端電壓為1.23V，即有12V=1.23*（1+R82/R83），可計算出R82>8.8K，因此R82取9.1K，再依據(jù)各個芯片空載的輸出電壓特性，對輸出電壓進行補償，因此R129取20歐。其中CBB電容（C29）1NF[[]童詩白[]童詩白.華成英.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)[M].北京：高等技術(shù)出版社2006.5短路保護電路：自恢復(fù)保險絲（F35）取36V1.5A。圖3-4-3可見，12V供電電路的原理圖。圖3-4-312V供電電路原理圖3.4.33.3V供電電路3.3V供電電路選取TL431-ADJ精密基準電壓芯片（可調(diào)電壓值的三端穩(wěn)壓器），具有低動態(tài)輸出阻抗（0.2歐姆）、很低的輸出噪聲電壓、可編程輸出電壓（最高40V，精度0.5%）、極快的導(dǎo)通速度及1-100MA的灌電流能力的特點，而且在整個額定工作溫度范圍內(nèi)可進行補償。其主要電路有：擴流電路：選取NPN三極管（Q43）80501A，驅(qū)動三極管電阻取1.2K。反饋電壓電路：電阻R75-R76構(gòu)成電壓反饋網(wǎng)絡(luò)，濾波電容（C67）取100NF，TL431的基準電壓是2.49V，R76取1K，即有3.3V=2.49*（1+R75/R76），可計算出R75>0.32K，因此電阻R75取0.33K。保護電路：快恢復(fù)二極管（D29）取40V1A，自恢復(fù)保險絲（F8）500MA。圖3-4-4可見，3.3V供電電路的原理圖。圖3-4-43.3V供電電路原理圖3.5總電源輸入模塊總電源輸入模塊主要是檢測蓄電池對各個模塊供電的電流、電壓等參數(shù)及檢測外部充電器對蓄電池充電的電流、電壓等參數(shù)和當電池組電量不足時，控制充電繼電器閉合，當電池組充滿后，控制充電繼電器斷開。其中，電源輸入電路：過流保護、浪涌抑制電路、電流檢測電路、防反接電路、濾波電路、AD采樣電路。充電電路：充電繼電器控制電路、防反接電路圖3-5-1可見，總電源輸入模塊設(shè)計的結(jié)構(gòu)框圖：圖3-5-1總電源輸入模塊結(jié)構(gòu)圖3.5.1電源輸入電路電路電源輸入電路中選取ACS712-20A為電流檢測芯片，其是一款適用電動機控制、載荷檢測的霍爾芯片，其電壓絕緣達2.1KVRMS、擁有低電阻電流導(dǎo)體，僅需5V的供電電壓，具有所需元件少、雙向電流檢測（基點電壓值2.5V）、噪聲低誤差小、、電源電壓按一定比例輸出（20A-100mV/A）的特點。其中，過流保護：總模塊輸出的最大消耗功率為480W（直流電機功率），因此選取36V20A的自恢復(fù)保險絲（FU1）；浪涌抑制電路：采用無極性電容（C49-C50）60V100NF串聯(lián)及雙向二極管（D10）36V來抑止電源上電瞬間產(chǎn)生的浪涌[[]莫付江,阮江軍,陳允平.浪涌抑制與電磁兼容[J].電網(wǎng)技術(shù),2004,(05):69-72.][]莫付江,阮江軍,陳允平.浪涌抑制與電磁兼容[J].電網(wǎng)技術(shù),2004,(05):69-72.電流檢測電路：采用ACS712芯片，其端口IP-IP+是電流輸入輸出；端口Vout是模擬電壓輸出，對應(yīng)公式為：I=|（2.5-Vout）|/0.1*K，其中K為實際補償系數(shù)，一般取值；端口Filter是內(nèi)部一級放大濾波，電容（C36）一般取值1NF；無極性電容（C37）100NF是消除芯片引腳噪音。防反接電路：采用PMOS管（Q13）AOD4185（導(dǎo)通內(nèi)阻15毫歐）40V40A；穩(wěn)壓二極管（D13）12V500MA，限流電阻（R56）18K，當電源正向接時，PMOS管驅(qū)動電壓正常，導(dǎo)通正常；當電源反向接時，PMOS管驅(qū)動電壓為12V，不導(dǎo)通。濾波電路：選取電解電容330UF50V及CBB電容1UF進行濾波AD采樣電路：采用電阻分壓（R48-R49），由于STM單片機的AD采集最高電壓是3.3V，R49取1K，蓄電池充滿電壓約為28.8V，即有28.8/（R48+R49）*R49的值要小于3.3V，因此R48取值9.1K。圖3-5-2可見，電源輸入電路的原理圖。圖3-5-2電源輸入電路原理圖3.5.2電源充電電路充電電路的繼電器采用宏發(fā)雙繼電器HFKA-012-2ZTC，12V30A，防反接MOS管采用AOD4185，其中，充電繼電器電路：二極管（D35-D36）選取1N4007，抑制繼電器斷開瞬間產(chǎn)生的浪涌，保護三極管；三極管選取80501A，基極限流電阻（R32）10K，單片機通過驅(qū)動三極管的導(dǎo)通，控制繼電器的閉合與斷開。防反接電路：采用AOD4185，防止充電正負接線接反，損壞蓄電池。圖3-5-3可見，充電繼電器電路的原理圖。圖3-5-3充電繼電器電路原理圖3.6電機驅(qū)動模塊電機驅(qū)動模塊分為A-B兩個模塊，參數(shù)相同，主要是控制無刷直流電機的運轉(zhuǎn)速度和檢測電機的電流參數(shù)及保護，防止電機短路；其中，電機主輸出電路：電機濾波電路、高邊功率保護電路、半橋驅(qū)動電路過流保護電路：電流采集電路、過流剎車電路驅(qū)動電路：IR2101驅(qū)動電路、驅(qū)動信號處理電路圖3-6-1可見，電機驅(qū)動模塊設(shè)計的結(jié)構(gòu)框圖：圖3-6-1電機驅(qū)動模塊結(jié)構(gòu)圖3.6.1電機主輸出電路電機主輸出電路中的高邊功率器件主要采用芯片BTS64034V12.6A，其是一款兼容電源開關(guān)的診斷反饋，適用各類電阻、電感和電容性負載，能取代機電繼電器，保險絲和分立電路的芯片，具有CMOS兼容輸入、開漏診斷輸出、欠壓和過壓關(guān)機、自動重啟和滯后、過載保護、熱關(guān)斷及過壓保護的特點；其中：電機濾波電路：選取3個電解電容330UF50V并聯(lián)（減小ESR）和3個CBB電容，增強濾波效果。高邊功率保護電路：選取BTS640，其端口IN是電源開關(guān)，由上拉電阻（R141）開啟；端口IS是限流輸出，正常是低電平，下拉電阻（R139）、基極電阻（R140）和三極管8050構(gòu)成觸發(fā)網(wǎng)絡(luò)，當當上橋短路/過流時，IS端高電平驅(qū)動三極管導(dǎo)通，IN端被拉低，電源開關(guān)關(guān)閉。半橋驅(qū)動電路：選取NMOS管IRF410440V42A，導(dǎo)通內(nèi)阻5.5毫歐，GS端補償電容（C1）為10NF，半橋兩端的吸收電容（C21）為CBB1UF。圖3-6-1可見，電機主輸出電路的原理圖。圖3-6-2電機主輸出電路原理圖3.6.2過流保護電路過流保護電路中采用電流檢測芯片ACS712-30A（參數(shù)相同）及電壓比較器LM358，其中LM358是一款有兩個獨立的、高增益、內(nèi)部頻率補償?shù)碾p運算放大器，同時適合于單雙電源工作，具有輸入電壓較寬（3-40V）、功耗較低的特點。其中，電流采集電路：采用ACS712，正向檢測電流對應(yīng)電壓為2.5-4.5V區(qū)間。過流剎車電路：設(shè)定過流值為15A，則ACS712對應(yīng)輸出電壓為3.5V，即放大器正端是3.5V，R28取值1K，負端電壓：5/（R28+R29）*R29=3.5，可得R29取2.4K；當過流時，比較器輸出高電平。指示燈（LED1）亮，同時單片機的剎車端口（PB12）觸發(fā)，停止一切輸出。圖3-6-3可見，過流保護電路的原理圖。圖3-6-3過流保護電路原理圖3.6.3驅(qū)動電路驅(qū)動電路中采用3個IR2101芯片（一個芯片對應(yīng)一路PWM），其是一款是雙通道的高壓高速功率驅(qū)動器，具有很好的可靠性、寬電壓輸入（10-20V）、獨立輸出及功耗較低，且采用自舉電容上電技術(shù)等特點。其中，IR2101驅(qū)動電路：自舉二極管（D1）采用快恢復(fù)二極管SS1440V1A，自舉電容采用電解電容25V10UF，保證自舉電壓的穩(wěn)定。驅(qū)動信號處理電路：選取NMOS管A2SHB20V500MA，上下橋MOS管關(guān)閉采用2個小MOS管的放電電路對其進行放電加快MOS管關(guān)閉的速度，減少噪音對輸出波形的干擾。比如：當IR2101的高端輸出低電平時，MOS管Q1導(dǎo)通，MOS管Q2截止，即上橋MOS管G端接地，MOS管截止；當IR2101的高端輸出高電平時，MOS管Q1截止，MOS管Q2導(dǎo)通，即MOS管導(dǎo)通[[]高元樓,劉連霞.一種PWM驅(qū)動電路的電磁兼容性研究[J].軟件,2012,(06):70-71+74.][]高元樓,劉連霞.一種PWM驅(qū)動電路的電磁兼容性研究[J].軟件,2012,(06):70-71+74.圖3-6-4可見，驅(qū)動電路的原理圖。圖3-6-4驅(qū)動電路原理圖3.7輸出接口模塊輸出接口模塊是內(nèi)部電路模塊與外部器件連接的通道，主要有電機接口電路、顯示屏接口電路、霍爾搖桿接口電路、CAN通信接口（見CAN通信電路）、電源充放電接口、四路直流電機接口、接口信號輸出/輸入電路。圖3-7-1可見，輸出接口模塊設(shè)計的結(jié)構(gòu)框圖：圖3-7-1輸出接口模塊結(jié)構(gòu)圖3.7.1電機接口電路 電機接口電路中主要是電機霍爾輸入保護電路，即當外部倒灌32V電壓是內(nèi)部電路模塊不受影響，其R36-R37-355-Q16構(gòu)成的保護網(wǎng)絡(luò)，當電機霍爾WA端高電平（5V）時，三極管導(dǎo)通，單片機WA_C端低電平，反之為高電平，即使外部短路WA端電壓高達32V，電阻R3711K兩端承受27V電壓，WA_C端電壓還是5V，起保護單片機作用。圖3-7-2可見，電機接口電路的原理圖。圖3-7-2電機接口電路原理圖3.7.2顯示屏接口電路 顯示屏接口電路中主要是顯示屏數(shù)據(jù)交換保護電路，即當外部倒灌32V電壓是內(nèi)部電路模塊不受影響，其輸入網(wǎng)絡(luò)由R63-R70-D16-D18構(gòu)成，其中限流電阻R633K，二極管及電阻對IN端進行上拉，5.1V穩(wěn)壓管保證IN端的電壓；同樣，輸出網(wǎng)絡(luò)由R62-R69-D16構(gòu)成，分壓電阻及穩(wěn)壓管保證OUT的電壓值不超過5.1V圖3-7-3可見，顯示屏接口的原理圖。圖3-7-3顯示屏接口電路原理圖3.7.3霍爾搖桿接口電路霍爾搖桿接口電路中主要是霍爾電壓輸入保護電路，即當外部倒灌32V電壓是內(nèi)部電路模塊不受影響，其X軸由R60-D14構(gòu)成，Y軸由R61-D15構(gòu)成，當XX端為32V時，穩(wěn)壓管為5.1V100MA，即限流電阻R60兩端電壓約為27V，限流取值1-2MA，由I=U/R可知，R取值30K，由焦耳定律W=I*I*R并留一定的余量，可知R60為1/10W的電阻。同樣，Y軸的參數(shù)也如此計算。圖3-7-4可見，霍爾搖桿接口電路的原理圖。圖3-7-4霍爾搖桿接口電路原理圖3.7.4IO輸入輸出電路I/O輸入輸出電路中主要是對單片機IO口的保護電路，即當外部倒灌32V電壓是單片機運行不受影響，其內(nèi)部輸入有R111-R113-R115-Q35構(gòu)成，內(nèi)部輸出由R110-R112-R114-Q34構(gòu)成，當IN/OUT端電壓為32V時，IO1保持原來狀態(tài)，IO2保持低電平，單片機不受影響。圖3-7-5可見，I/O輸入輸出電路的原理圖。圖3-7-5I/O輸入輸出電路原理圖3.8擴展模塊擴展模塊主要是方便功能的更新與測試，主要有四路直流電機電路、IO端的通信及控制和超聲波避障接口等。其中，四路直流電機電路：采用宏發(fā)雙繼電器HFKA-012-2ZTC控制直流電機的正反運轉(zhuǎn)，采用XL1509-12進行獨立供電。IO端的通信及控制：對外預(yù)留普通IO輸入輸出口、AD\DA口，CAN通信及RS485通信、電壓輸出口等超聲波避障接口：通過CAN通信與超聲波避障模塊進行數(shù)據(jù)交換及控制。4PCB布局設(shè)計4.1總體結(jié)構(gòu)布局 本次PCB是以模塊區(qū)域化進行設(shè)計，主要分為9個區(qū)域：輸入接口區(qū)：主要是蓄電池電源輸入，從PCB板的左邊進線，大電流走線；內(nèi)部供電區(qū)：芯片供電，緊挨電源輸入，供電走線短，電壓穩(wěn)定，壓降??；外部供電區(qū)：外部器件供電，邊緣區(qū)域，干擾少，緊挨輸出接口，供電走線短；芯片處理區(qū)：控制及數(shù)據(jù)通信，緊挨輸出區(qū)及驅(qū)動區(qū)，驅(qū)動線短，方便通信控制；無刷直流電機驅(qū)動A區(qū)：驅(qū)動電機A，緊挨電源區(qū)、芯片區(qū)及輸出區(qū)，走線極短；無刷直流電機驅(qū)動B區(qū)：驅(qū)動電機B，緊挨電源區(qū)、芯片區(qū)及輸出區(qū)，走線較短；直流電機輸出控制區(qū)：控制四路小電機，擴展功能，緊挨輸出區(qū)；輸出接口區(qū)：對外部器件進行供電及數(shù)據(jù)通信；功能擴展區(qū)：預(yù)留區(qū)域，緊挨所有電源區(qū)及芯片區(qū)，方便擴展功能設(shè)計[[]任楓軒.PCB布線中的抗干擾設(shè)計[J].辦公自動化,2013,(12):44-46+41.][]任楓軒.PCB布線中的抗干擾設(shè)計[J].辦公自動化,2013,(12):44-46+41.圖4-1可見，PCB總體結(jié)構(gòu)布局圖。圖4-1PCB總體結(jié)構(gòu)布局圖4.2主電源走線 電路板采用雙面板，PCB規(guī)格為：聯(lián)茂FR-4，無鹵素1.2mm1/1OZ；理論上1OZ-1mm的銅厚，溫升等在極限參數(shù)下，最大能過3.2A，但是在PCB業(yè)內(nèi)雙面PCB板制作工藝流程中，菲林/LDI誤差管控一般是±1.2mil，解析度一般是±1-2mil，普通線寬誤差管控是±20%；另外在實際應(yīng)用中，環(huán)境的溫度、散熱等因素也會對線寬與電流的關(guān)系造成影響，因此本次設(shè)計線寬留20%-50%的余量，線寬與電流采用1mm-1A的標準值。此外，由于沉銅工序中，管控通孔的面銅一般是±10um、孔壁厚度±8um等，并且無法完全批量管控，過孔電流難以確定，因此本次設(shè)計大電流走線中盡量不過孔。主電源走線采用分層化、邊緣化方式，即頂層走電源正極線，低層走電源負極線，電源線總體走板的邊緣，局部成上下垂直關(guān)系，減少兩線之間的電磁耦合，以減少干擾。本次正線與地線預(yù)留設(shè)計40A的走線，采用大面積覆銅及鍍錫的方式連接總電源與電機主輸出電路，進量粗而短，大大減小走線的內(nèi)阻和溫升。其中，主電源地線和輔助電源地線采用類似兩極射線方式，匯于一點，走線相反，以減少大電流地線對小電流地線的干擾[[]段向東,李敏.PCB地線的干擾與抑制[J].電子設(shè)計工程,2011,(07):174-176.][]段向東,李敏.PCB地線的干擾與抑制[J].電子設(shè)計工程,2011,(07):174-176.4.3信號走線 由于信號線電流很小，容易被干擾，但可以多次過孔，因此本次設(shè)計信號線一般采用集線束靠地而走的方式，就是在某一層PCB專門開一條道給走信號線，而且信號性質(zhì)必須類似、必須有一定的線寬線距、必須一定程度上靠著地線走及最好避開開關(guān)式電感之類的電路區(qū)域和發(fā)熱區(qū)域，以減少對信號線的干擾；但類似PWM輸出的信號線，除了減少干擾外，還必須減少過孔及減少線長，因為PWM頻率特別快，過孔數(shù)多了，線長了，寄生電感和阻抗也就多了，對到達最終目標的PWM波形有一定的滯后和壓降的影響，甚至可能出現(xiàn)波形亂，缺失等情況[[]王艷龍,姚竹亭.Pcb電磁兼容的設(shè)計研究[J].電子世界,2013,(07):118-119.][]王艷龍,姚竹亭.Pcb電磁兼容的設(shè)計研究[J].電子世界,2013,(07):118-119.4.4散熱處理 由于板材中的環(huán)氧樹脂熱傳導(dǎo)性差（內(nèi)層導(dǎo)熱系數(shù)一般是0.2，外層是0.4），但銅箔線路和通孔、盲孔、埋孔卻是導(dǎo)熱導(dǎo)體，因此提高線路的殘銅率和增加導(dǎo)熱孔（特別是通孔）能增強PCB的導(dǎo)熱能力；但是不同材料的PCB板也有不同的導(dǎo)熱系數(shù)，一般來說，銅箔厚度越厚，線路的殘銅率越高，其對應(yīng)的導(dǎo)熱系數(shù)也越大，PCB的散熱效果就越好。本設(shè)計的散熱處理主要有PCB銅箔的散熱處理和外加散熱片的散熱處理。其中，PCB銅箔的散熱處理應(yīng)用在一些貼片芯片散熱上，主要是在芯片底部或是底層劃分一塊銅箔區(qū)域?qū)ζ溥M行散熱，查閱芯片資料可知芯片的壓降、電流及所需溫升，從而計算出初始熱阻，再根據(jù)PCB板的材料導(dǎo)熱系數(shù)、銅厚及熱阻，就可以知道所需的銅箔面積；加散熱片的散熱處理應(yīng)用在直插MOS管上，主要是在MOS管散熱區(qū)連接散熱片并絕緣其進行散熱，查閱芯片資料可知MOS管的最大壓降及熱阻，就可以計算在所需電流下的總熱阻，從而就可以知道散熱器的熱阻，再根據(jù)鋁片厚度，就算所需的散熱表面積[[]黃云生.電子電路PCB的散熱分析與設(shè)計[D].西安電子科技大學,2010[]黃云生.電子電路PCB的散熱分析與設(shè)計[D].西安電子科技大學,2010.焊接及調(diào)試5.1焊接步驟焊接總電源輸入模塊，測量輸入電壓值是否準確；焊接內(nèi)部供電模塊，測量輸出電壓值是否準確；焊接STM32單片機主控模塊，測試能否燒入測試程序和單片機PWM波形的輸出是否正常；焊接電機驅(qū)動模塊中的驅(qū)動電路及下橋MOS管，測量MOS管上下橋輸出波形及總電流值是否正常；焊接電機驅(qū)動模塊，再次測量MOS管上下橋輸出波形及總電流值是否正常；焊接外部供電模塊，測量輸出電壓值是否正常；焊接輸出接口模塊中的電機接口，測量電機霍爾線的連通性，空載帶上電機，測量總電流值及運轉(zhuǎn)情況是否正常；焊接輸出接口模塊，連接顯示屏、霍爾搖桿、磁導(dǎo)航傳感器等，測量對外輸出電壓是否正常；焊接擴展模塊，測量電壓值及總電流值是否正常；焊接完畢，燒入正常程序，測量總電流值是否正常。5.2調(diào)試所需的工具調(diào)試所用到的工具有示波器、多個萬用表、磁條。5.3調(diào)試方法硬件測試：（未連接傳感器件，電池充滿）用萬用表（二極管檔）兩表筆繼電器線圈兩端，看是否有動作；上電，測量各個供電模塊的電壓值及總電流值，并記錄在表5-1；上電一段時間，測試各個芯片發(fā)熱情況，并記錄；上電，測量電機驅(qū)動模塊的上下橋波形，并記錄在圖5-1；空載測試：（上電測試，不加負載）連接顯示屏、霍爾搖桿、磁導(dǎo)航傳感器，觀察顯示屏參數(shù)顯示是否正常