基于嵌入式的机器人双向电源控制系统设计

谭洁TAN Jie；黄浩HUANG Hao；刘震LIU Zhen

（铜仁职业技术学院，铜仁554300）

0 引言

随着城市化进程的加快，以机器人为代表的智能化控制装置在工业、农业、服务业中扮演着重要的角色，为人们的生产生活提供了便利。但是，目前市面上机器人的电源控制器是单向的，其转换效率不高，能量损耗大，所以，开发一种高效率、低能耗、易于操控的机器人双向电源控制器是必要的[1]。双向电源控制器实现了能量的双向传输和变换，功能上相当于两个单向电源控制器，可以大幅度减轻机器人电源系统的体积、重量及成本，具有重要的研究价值[2]。

1 系统总体方案设计

1.1 DC-DC 模块方案选择

DC-DC 模块是实现双向电源控制器的核心，其主要功能是将一种直流电压转换成另一种直流电压，进行能量的传递与转换[3]，一般使用升降压电路实现。本文提出三种方案对DC-DC 模块进行论证。

方案一：MC34063 可以通过单片机输出的PWM 来控制其升降压功能，输入输出电压范围宽，且同时具有升降压功能。但是其效率低，功耗高，抗辐射干扰弱，稳定性不够，其输出电流的上限为仅为1.5A，不满足本设计输出2A的要求，且该芯片易受环境因素的改变而变化，同时，不同批次生产的MC34063 的控制参数不一致，不利于控制。

方案二：SG3525 升降压斩波电路和IR2110 驱动电路组成DC-DC 模块，SG3525 输出不同占空比的PWM 来驱动IR2110，从而控制电路是升压还是降压。但是SG3525和IR2110 均为16 脚芯片，接线复杂，不容易调试，且IR2110 对PWM 的精度要求高，不易控制，若控制不当，将会导致整个电路烧毁。

方案三：LM2576 降压模块和XL6009 升压模块组成DC-DC 模块，实现双向电源控制器的充放电功能。其具有输入输出电压范围宽，易于控制，且受环境因素影响较小，耐温性高，输出电流上限均达到了本设计的要求，且自带限流保护功能。

综上所述，本文选择方案三作为DC-DC 模块。

1.2 方案的确定

如图1 所示为双向电源变换电路。电池的正极与单刀双掷开关K1 的控制端连接，单刀双掷开关K1 的1 端与XL6009 升压模块输入端的正极连接，XL6009 升压模块的输出端的正极与二极管D2 的阳极连接，二极管D2 的阴极与单刀双掷开关K2 的1 端连接，单刀双掷开关K1 的2 端与二极管D1 的阴极连接，二极管D1 的阳极与LM2576 降压模块的正电源端连接，LM2576 降压模块的输出端与单刀双掷开关K2 的2 端连接。当同时把单刀双掷开关K1、K2 拨到2 脚时，LM2576 降压模块被接通；当同时把单刀双掷开关K1、K2 拨到1 脚时，XL6009 升压模块被接通。

图1 双向电源变换电路

2 硬件电路设计

2.1 LM2576 降压电路

LM2576 开关稳压集成电路是降压电路的核心控制芯片，共有5 个管脚，可调电压输出系列可以在1.23～40V 范围内调节输出电压，如图2 所示为LM2576 降压电路的原理图，输入电压Ui 经过电容C1 滤波后作为LM2576 开关稳压集成电路的输入电压，通过电位器Rw调节所需输出电压Uo。输出电压Uo的计算公式如下：

图2 LM2576 降压电路原理图

2.2 XL6009 升压电路

XL6009 升压型直流电源变换器芯片是升压电路的主控核心，其具有5 个管脚，引脚2 是使能端，高电平有效，使用时可以悬空。如图3 所示为XL6009 升压电路的原理图，电容C1、C2 的作用分别是在滤除电源输入端和输出端的杂波。可以通过调节电位器调节输出电压Uo，其计算公式如下：

图3 XL6009 降压电路原理图

2.3 电流检测电路

电流检测的方法很多，通常情况下，可以将万用表的电流档串联接进电路即可读出电流值。但是，本文在进行控制器设计时，需要通过STM32 嵌入式系统检测读出电流值，且输出电流值可以通过按键设定。使用STM32 嵌入式系统检测电流实质上是电压的检测，通过A/D 电压采样，再根据转换公式转换成电流值。

本文采用ACS712 电流传感器对输出电流进行采样。将ACS712 电流传感器的输入端串接在输出电路中，其输出端连接STM32 嵌入式系统的A/D 采样端口，通过STM32 嵌入式系统编程计算，便可将电流值在液晶显示屏显示。A/D 采样到的信号是经ACS712 电流传感器放大后的信号，所以需要的程序内进行计算，才可得到实测的电流值。其计算公式如下：

VOUT为电流检测模块输出的电压值。

3 系统软件设计

程序处理是整个系统的关键，在本系统中，通过按键设定输出的电流、电压值，STM32 嵌入式系统对电压电流的变化情况进行实时检测，并通过LCD 液晶显示屏显示出来。

在系统程序的设计过程中，为了方便调试与查找错误，并修改程序，采用了模块化设计。整个系统程序分为了A/D 采样模块、显示模块、按键输入模块、PWM 输出模块、D/A 转换模块。被测量的电压、电流信号通过A/D 转换后，进入STM32 嵌入式系统内部，通过显示器显示出来；STM32 嵌入式系统根据按键设定的电压、电流值进行反复比较后输出控制信号，经D/A 转换后送给控制器，进而控制外围硬件电路。

在本设计程序中，将STM32 嵌入式系统工作部分分为两个状态：自然测量状态、设定输出电流状态。自然测量状态中包含A/D 采样和液晶显示功能，设定输出电流状态中包含按键输入、液晶显示、PWM 输出、D/A 转换功能。

4 测试结果

4.1 降压电路参数测试

保持20Ω 的恒定负载，通过按键调节PWM 的占空比来改变输出电流值，然后根据液晶显示屏的测量数据与万用表的测量数据进行比对，计算出显示误差和电路的效率如表1 所示，其最大显示误差绝对值为0.03V，效率为88%以上，说明系统稳定，转换效率高。

表1 降压电路参数测试

4.2 升压电路参数测试

设定按键调节PWM 设定输出电压为30V，从5V 到30V 范围内改变输入电压，用万用表测量输出电压恒为30V，根据液晶显示屏上输出电压的值与万用表测量的值进行比较，计算出显示绝对误差。如表2 所示为升压电路参数测试。显示绝对误差在0.1V 范围内。

表2 升压电路参数测试

5 总结

基于嵌入式的机器人双向电源控制器的设计，将双向电源的设计分为降压电路和升压电路两大模块，每个模块又包含若干个功能子模块；同时，应用STM32 嵌入式系统完成输出电流、电压步进可调、数值显示等功能，达到了输出电流显示误差为±0.03A，输出电压显示误差为±0.1V，且在输入电压为30V，输出电流恒定为2A 的条件下，转换效率大于88%的效果，解决了机器人电源控制系统效率低、功耗大的问题。