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瑞彩祥云

作者:時間:2019-08-29來源:電子産品世界收藏

忙碌一周後,家庭清潔工作是人們最不願做的事情之一。迄今爲止,掃地機器人已面世約23年了,隨著其智能和自動化程度日益提高,人們可以在其工作時專注于自己的事情。

本文引用地址:/article/201908/404284.htm

如今的扫地机器人上集成了非常多的功能,比如新的拖地功能和自动除尘等。但对設計人员来说,这也意味着在設計可靠的系统时将会面临更多的挑战。而小型放大器可以帮助其快速克服许多重大挑战。下文列举了設計人员在設計过程中会遇到的六种挑战,以及小型放大器能提供的六种解决方案:

設計挑战1:由于失速检测延迟,导致电机寿命缩短。

掃地機器人車輪的力量決定了它的越障能力。爲了能夠通過厚地毯和越過門檻,其電機功率需要達到至少30W或更高。如果發生失速或過載事件,例如車輪被電線卡住,電機繞組電流將立即上升。延遲檢測到這種情況會導致電機過熱並縮短其壽命。

解決方案1:電機控制系統中的快速瞬態響應電流感應。

为减少过热的可能性,可以使用低侧电流感应電路来监控电机的电流;见图1。

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图1:電機控制系统中的电流感应電路

在该应用中用作运算放大器(op amps)電機控制系统中的电流感测電路的关键参数是压摆率。例如,当发生失速事件时,绕组电流会从0.5 A上升到3.5 A,运算放大器的相应輸出为0.5 V至3.5 V(50mΩ分流电阻和20-V/V增益)。使用压摆率为0.5 V/μs的运算放大器时,阶跃变化的安定时间约为6μs,而使用TI的TLV905x等压摆率为15 V/μs的运算放大器,相同阶跃变化的安定时间仅为0.2μs。因此,使用瞬态响应速度提高30倍的TLV905x将增加控制器执行过流保护的余量。

設計挑战2:由于充电电压不准确,导致电池续航时间缩短。

扩大电池容量是扫地机器人面临的一大重要設計挑战。消费者期望机器人在需要再次充电前,能够完成一个完整的清洁周期。

使用低质量电流感测的高輸出电压纹波将产生无法使用的电池容量。例如,如果4.2 V时的电池精度为±3.5%,经过250次充电循环后会将可用电池容量降低至40%,而如果4.2 V时的电池精度为±0.5,则会使可用电池容量保持在85%。

解決方案2:恒流/恒壓回路中的高精度電壓/電流感應。

对电池充电的一种常见方法是使用如图2所示的分立充电解决方案。电压和电流感应電路在控制回路中产生反馈电压和电流信号。为了实现高精度和稳定性,偏移电压和温度漂移是此处所用运算放大器的两大关键参数。

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图2:分立电池充电器電路

設計挑战3:由于负温度系数(NTC)热敏电阻错误,导致电池过热。

监控电池组的温度是扫地机器人的一大主要安全问题。与温度傳感器的解决方案相比,监控电池组温度的具有成本效益的方法是使用NTC热敏电阻感测電路。温度感测不准可能导致电池组过热或烧坏。

解決方案3:使用NTC進行高精度溫度測量。

測量溫度的一種方法是使用電阻和熱敏電阻來分配電源,並將分壓器輸出直接連接到系統控制器內部的模數轉換器(ADC)引腳。分壓器的輸出阻抗很低,輸出電壓範圍對ADC來說並不理想,因此這種方式效率不高,且測量結果不准確。

圖3使用運算放大器作爲調節溫度輸出信號的緩沖器,爲分壓器和低阻抗節點提供高阻抗節點以驅動ADC,並將輸出範圍調節至最佳ADC分辨率。運算放大器的影響參數包括直流精度(偏移電壓、電壓漂移)和穩定性。

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图3:NIC热敏电阻感测電路

設計挑战4:由于里程计测量不准,导致定位和导航系统精度较低。

當掃地機器人構建環境地圖時,裏程計應提供用于繪圖的准確行進距離。裏程計測量不准將導致機器人的定位和導航精度較低。

解决方案4:可用稳健的里程计信号增强電路。

测量里程的常用方法是使用光电解码器或霍尔效应傳感器并对脉冲进行计数,以获得里程信息。通常来讲,里程计安装在车轮内部,因此印刷電路板走线很长,更容易受到开关噪声的影响,从而导致輸出信号在MCU的输入端口失真。如图4所示的缓冲電路可产生无抖动和失灵的标准逻辑信号。

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图4:用于稳健逻辑輸出電路的缓冲器

設計挑战5:嘈杂/失真的电机驱动信号会导致电机意外运行。

系统控制器通常位于控制板的中心,而电机安装在電路板的边缘。因此,直接连接到MCU端口的驱动信号更容易产生噪声或失真,导致电机意外运行。

解决方案5:电机驱动路径中的脉宽调制(PWM)增强器電路。

此处的解决方案是加装一个用作增强器的运算放大器,而不是将驱动信号与MCU引脚连接的電路。图5所示为用于有刷直流电机的分立电机驱动解决方案。控制器通过图腾柱场效应晶体管驱动器产生PWM信号,以驱动H桥功率晶体管。PWM增强器電路有助于最大限度地减少延迟并增强PWM信号,同时降低噪声和失真。

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图5:增强型PWM電路

設計挑战6:由于扫地机器人距离检测出错,导致碰撞或跌落事故。

防跌落傳感器用于檢測樓梯的高度,而碰撞傳感器用于檢測掃地機器人周圍的障礙物。距離檢測出錯時,會導致傳感器性能不准,從而發生碰撞或跌落事件,並導致機器人損壞。

解決方案6:高精度紅外輸出信號調節。

如圖6所示,紅外LED和光電晶體管被廣泛用作檢測距離的低成本解決方案。距離信息與固定頻率調制波所攜帶回波的幅度相關。

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图6:红外LED接收器的信号调节電路

具有低输入偏置电流的互阻抗运算放大器電路在此处被广泛使用。参考電路如SBOA268A所示。

TI的TLV906x、TLV905x和TLV900x通用放大器非常适用于上述的六种情况,設計人员可以利用其缩短产品上市时间,并克服常见的設計挑战。



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