基于四足机器人的电控预充电系统设计研究

方 略,王春雷,杨 亚,范春辉,芮岳峰

(中国电子科技集团公司第二十一研究所，上海 200233)

0 引言

电控预充电系统的主要作用是对电机控制器(逆变器)的大电容进行充电，以减少接触器动作时的火花拉弧，降低冲击、增加安全性。当电容并联在电源两端时，在电源接通瞬间，电容两端的电压不会突变，而电容两端的电流会突变。如果没有预充电路，那么接触器会因为大电流而发生粘连或损坏，影响电机控制器的安全性和可靠性。

国外对电控预充电系统的研究已有多年。德国的B.Hauck设计的BATTMAN系统，强调了整个管理对于动力电池型号的普遍应用性，通过改变硬件跳线和在软件上增减参数的方法，管理不同型号的电池组。该系统主要基于不同电池组所拥有的共同特点：决定电池组存储时间的电流能量、最弱电池单元的剩余容量、电池组运行的参数测量和数据记录[1]。美国Aerovironmevt公司开发了SmartGuard系统，其主要特点是采用了分布式结构。该系统的主要功能有过充电保护、存储电池数据和指示状态最差单体电池信息等[2]。美国AC Propulsion公司开发了名为BatOpt的高性能电池管理系统。该系统采用分布式结构，由一个主控单元和多个单体电池监控单元所组成。此外，本田、西门子等公司也都推出了各自的电池管理系统[3-4]。

国内针对电池预充电系统的研究起步较晚，目前研究单位主要是一些高校。清华大学研发的EV-6580轻型电动客车配套的电池管理系统，可以在行驶过程中对电池的充放电电流、电压等参数进行实时测量和监控，防止过充电、过放电，提高了电池寿命和效率。同时，清华大学还开发了与该系统相匹配的充电系统[5]。同济大学和北京星恒电池有限公司的锂离子电池管理系统的主要功能有电流、电压及电池模块温度的采集，电池电荷状态(state of charge,SOC)估计，自动均衡和事故处理与记录等[6]。北京航空航天大学研制的镍氢电池管理系统主要有电流电压及电池箱温度的采集、SOC估计、运行状态判断和保护等功能[7]。

电机控制器负载前端有较大的电容，直接上电会产生超大瞬时电流，对电机控制器造成损害。合理设计预充电电路，是四足机器人平台必不可少的重要环节，能够避免超大瞬时电流[8]。本文对四足机器人电控预充电电路进行了研究，设计了一种新型的预充电电路。通过电阻、电容和电压比较器实现时间延迟，完成了基于四足机器人的电控预充电系统的设计。

1 系统总体设计

基于四足机器人的电控预充电系统的系统总体框架如图1所示。

图1 系统总体框架图

该系统主要由预充电延时电路、STM32F103C8T6、CAN通信模块、电流采集模块这四个部分组成。

ST官方推出的STM32F103C8T6芯片内部集成有丰富的外设资源[9]。基于四足机器人的电控预充电系统设计中应用到的外设主要有12位精度的模数转换(analog to digital converter,ADC)模块和CAN通信模块。电流信号输入到STM32F103C8T6内置的12位ADC电路进行模数转换，实时得到预充电过程中的电流数字量信号，并通过CAN通信接口电路将电流信号值发送给上层控制器。

2 系统硬件设计

2.1 预充电电路分析

预充电电路如图2所示。

图2 预充电电路

2.2 预充电电阻选择

整个预充电过程与RC电路充电类似[11]。由RC的基本电路知识可知，预充电过程中电压方程如式(1)所示。

(1)

预充电过程中，电流方程如式(2)所示。

(2)

式中：u(t)为预充电过程中t时刻电机控制器负载两端电压；U0为动力电源电压；t为充电时间；R为预充电电阻；C为等效电容。

考虑到实际情况，设计参考负载电容C上的电压UB达到UA电压90%时预充电动作完成。四足机器人的4条腿部一共有12个永磁同步电机。将电机控制器的电容等效为一个C=0.01 F的电容。通过MATLAB的仿真计算，选择预充电电阻为25 Ω。预充电时间曲线如图3所示。

图3 预充电时间曲线图

四足机器人平台动力电源电压为24 V，即U0=24 V。根据经验，选择预充电电阻25 Ω(即R=25 Ω)，电机控制器电容C=0.01 F，u(t)=21.6 V。将上述参数代入式(1)，得到t=0.6 s。在MATLAB中进行仿真计算，电压到达90%×24 V=21.6 V时，t=0.6 s。经过0.6 s后，电机控制器负载充电电压达到动力电源电压的90%，充电电流为0.1 A。此时接通主回路，电机控制器负载不会有大的冲击电流，电路安全、可靠。

2.3 预充电延时电路

基于预充电电阻R=25 Ω和充电时间t=0.6 s，设计预充电硬件电路。

2.3.1 电压比较器延时电路

基于电压比较器LM311、电阻、电容，设计电压比较器延时电路，如图4所示。

图4 电压比较器延时电路

图5 延时电路仿真结果

由图5可知，经过约0.6 s后，电压比较器LM311发射极引脚MOT_PWDLY输出的信号为高电平。

2.3.2 预充电硬件电路

基于N沟道功率场效应管IRL40T209和预充电功率电阻搭建预充电硬件电路，如图6所示。

图6 预充电硬件电路

如图6所示，预充电工作原理如下：电源在+5 V工作时，N沟道功率场效应管Q1栅极接通，此时N沟道功率场效应管Q2和Q3截止。通过功率电阻R18，开始对电机控制器负载充电。待延时电路的输出信号MOT_PWDLY变为高电平信号后，N沟道功率场效应管Q2和Q3导通，使充电电阻R18被短路，完成对电机负载的预充电工作。

2.4 电流采集模块

为了确保预充电过程的安全性，需要实时地对充电过程中的电流进行采样。基于电流传感器ACS758，设计了电流采样硬件电路[12-13]，并将采样到的电流信号传送给控制芯片STM32F103C8T6。控制芯片对电流信号的大小进行判断：当电流信号超过上限阈值时，控制芯片会产生相应的动作来切断对电机控制器负载的供电，以防止对电源和电机控制器造成损害[14]。电流采样硬件电路如图7所示。

图7 电流采样硬件电路原理图

2.5 CAN通信模块

为了将电流采样信号传递给上层控制器，基于双通道数字隔离器芯片ADUM1201和CAN总线芯片SN65HVD232设计了CAN通信电路[15]，如图8所示。

图8 CAN通信电路

在STM32CubeIDE软件中，对控制器的ADC采样和CAN进行配置。配置完成后，编写电流信号采样和电流信号发送程序。程序代码如下。

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 试验结果

电源板硬件电路焊接步骤如下。首先，用导线将电源芯片TPS54202的使能引脚和GND信号短接，用信号线引出MOT和MOT_PWDLY输出信号。然后，给电源板提供24 V的电压信号，通过示波器去观察MOT和MOT_PWDLY输出信号的时序图。试验结果如图9所示。

图9 试验结果

由图9可知，MOT信号在0 s时刻被触发，经过0.6 s后MOT_PWDLY信号变成了高电平信号，预充电完成。试验结果与Multisim14.1中搭建的延时电路仿真结果(图5)一致。

4 结论

在无预充电电路的情况下直接给电机控制器供电，产生的超大瞬时电流会对电机造成损坏。针对这一问题，通过合理选择LM311、N沟道功率场效应管IRL40T209和预充电功率电阻等元器件构建了预充电电路，并且在MATLAB和Multisim14.1中进行了仿真。在完成硬件电路焊接后，在硬件电路上进行了试验。试验结果与电路仿真结果一致，验证了基于四足机器人的电控预充电系统的安全性、可靠性。