在忙碌了一周之后，清潔是人們在停機期間最不想做的事情。真空機器人已經問世了大約 23 年，它變得越來越智能和自動化，讓消費者能夠專注于真正重要的事情。
在真空機器人中包含更多功能，例如新的拖地功能和自動除塵功能，意味著在設計可靠系統(tǒng)時面臨更多挑戰(zhàn)。小型放大器可以幫助快速解決許多重大挑戰(zhàn)。以下是小型放大器解決重大挑戰(zhàn)的 6 種方式：
挑戰(zhàn)一：由于延遲檢測失速狀況而縮短電機壽命。
真空機器人車輪的力量決定了它的越障能力。為了在厚厚的地毯上行駛并爬上門檻，電機功率需要至少為 30 W 或更高。如果發(fā)生失速或過載事件，例如車輪被電線纏住，電機繞組電流將立即上升。延遲檢測此類事件會導致電機過熱并縮短其使用壽命。
解決方案 1：電機控制系統(tǒng)中的快速瞬態(tài)響應電流檢測。
為了減少過熱的機會，我們可以使用低側電流感應電路來監(jiān)控電機的電流；見圖 1。
圖 1：電機控制系統(tǒng)中的電流檢測電路
在此應用中，用作運算放大器 (op amp) 的電機控制系統(tǒng)中電流檢測電路的關鍵參數(shù)是壓擺率。例如，當發(fā)生堵轉事件時，繞組電流從 0.5 A 上升至 3.5 A，運算放大器的相應輸出為 0.5 V 至 3.5 V（具有 50-mΩ 分流電阻器和 20-V/V 增益） . 使用壓擺率為 0.5 V/μs 的運算放大器時，階躍變化的穩(wěn)定時間約為 6 μs，而使用壓擺率為 15 V/μs 的 TI TLV905x 等運算放大器時，階躍變化的穩(wěn)定時間僅為 0.2 μs。因此，使用瞬態(tài)響應快 30 倍的 TLV905x 將增加控制器執(zhí)行過流保護的裕度。
挑戰(zhàn)二：充電電壓不準確導致電池持續(xù)時間低。
最大化電池容量是真空機器人的一項重要設計挑戰(zhàn)。人們期望機器人在需要再次充電之前應該能夠完成一個完整的清潔周期。
使用低質量電流檢測的高輸出電壓紋波將產生無法利用的電池容量。例如，4.2 V 時 ±3.5% 的準確度將在 250 次充電循環(huán)后將可用電池容量降低至 40%，而 4.2 V 時 ±0.5 準確度將可用電池容量保持在 85%。
解決方案 2：恒流/恒壓環(huán)路中的高精度電壓/電流感測。
一種常見的電池充電方式是使用分立式充電解決方案，如圖 2 所示。電壓和電流檢測電路在控制回路中生成反饋電壓和電流信號。為了實現(xiàn)高精度、穩(wěn)定性、失調電壓和溫度漂移是此處使用的運算放大器的關鍵參數(shù)。
圖 2：分立式電池充電器電路
挑戰(zhàn) 3：由于負溫度系數(shù) (NTC) 熱敏電阻錯誤導致電池過熱。
監(jiān)測電池組的溫度是真空機器人的主要安全問題。與溫度傳感器的解決方案相比，監(jiān)控電池組溫度的經濟高效的方法是使用 NTC 熱敏電阻傳感電路。溫度感應不準確可能會導致電池組過熱或燒壞。
解決方案 3：采用 NTC 的高精度溫度傳感。
檢測溫度的一種方法是使用電阻器和熱敏電阻對電源進行分壓，并將分壓器輸出直接連接到系統(tǒng)控制器內部的模數(shù)轉換器 (ADC) 引腳。分壓器的輸出阻抗低，輸出電壓范圍不適合ADC，因此這種方式既不高效也不準確。
圖 3 使用運算放大器作為緩沖器來調節(jié)溫度輸出信號，為分壓器提供高阻抗節(jié)點，為驅動 ADC 提供低阻抗節(jié)點，并將輸出范圍調節(jié)至最佳 ADC 分辨率。 運算放大器的影響參數(shù)為直流精度（偏移電壓、電壓漂移）和穩(wěn)定性。
圖 3：NTC 熱敏電阻傳感電路
挑戰(zhàn)四：里程表不準確導致定位和導航系統(tǒng)精度低。
當真空機器人正在重建其環(huán)境時，里程表應提供用于映射的準確行進距離。里程表測量不準確會導致機器人定位和導航精度不高。
解決方案 4：強大的里程表信號增強電路。
常用的里程測量方法是使用光電解碼器或霍爾效應傳感器，對脈沖進行計數(shù)，獲取里程信息。通常里程表安裝在車輪內部，印刷電路板走線較長，更容易受到開關噪聲的影響，從而導致MCU輸入端口的輸出信號失真。如圖 4 所示的緩沖器電路可以產生沒有抖動和毛刺的標準邏輯信號。
圖 4：穩(wěn)健邏輯輸出電路的緩沖器
挑戰(zhàn) 5：嘈雜/失真的電機驅動信號導致電機意外運行。
系統(tǒng)控制器通常放置在控制板的中央，而電機則安裝在板的邊緣。因此直接連接到MCU端口的驅動信號更容易產生噪音或失真，導致電機意外運行。
解決方案 5：電機驅動路徑中的脈沖寬度調制 (PWM) 增強器電路。
這里的解決方案不是將驅動信號連接到 MCU 引腳的電路，而是添加一個運算放大器作為增強器。圖 5 顯示了用于有刷直流電機的分立電機驅動解決方案。控制器產生 PWM 信號，通過圖騰柱場效應晶體管驅動器驅動 H 橋功率晶體管。PWM 增強器電路有助于最大程度地減少延遲并增強 PWM 信號，同時降低噪聲和失真。
圖 5：增強型 PWM 電路
挑戰(zhàn) 6：真空機器人因距離檢測錯誤而發(fā)生碰撞或跌落。
懸崖傳感器用于檢測樓梯的高度，而碰撞傳感器用于檢測真空機器人周圍的障礙物。錯誤的距離檢測會導致傳感器性能不準確，導致發(fā)生碰撞或墜落事件并損壞機器人。
方案六：高精度紅外輸出信號調理。
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，如圖 6 所示。距離信息與回波的幅度相關，回波由固定頻率調制波攜帶。
圖 6：紅外 LED 接收器的信號調理電路
跨阻運算放大器放大電路在這里廣泛使用，具有低輸入偏置電流。
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