小小放大器解決真空機(jī)器人大挑戰(zhàn)的6種情況

在忙碌了一周之后，清潔是人們?cè)谕C(jī)期間最不想做的事情。真空機(jī)器人已經(jīng)問(wèn)世了大約 23 年，它變得越來(lái)越智能和自動(dòng)化，讓消費(fèi)者能夠?qū)Ｗ⒂谡嬲匾氖虑椤?br>

在真空機(jī)器人中包含更多功能，例如新的拖地功能和自動(dòng)除塵功能，意味著在設(shè)計(jì)可靠系統(tǒng)時(shí)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(cè)失速狀況而縮短電機(jī)壽命。

真空機(jī)器人車(chē)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(mén)檻，電機(jī)功率需要至少為 30 W 或更高。如果發(fā)生失速或過(guò)載事件，例如車(chē)輪被電線纏住，電機(jī)繞組電流將立即上升。延遲檢測(cè)此類事件會(huì)導(dǎo)致電機(jī)過(guò)熱并縮短其使用壽命。

解決方案 1：電機(jī)控制系統(tǒng)中的快速瞬態(tài)響應(yīng)電流檢測(cè)。

為了減少過(guò)熱的機(jī)會(huì)，我們可以使用低側(cè)電流感應(yīng)電路來(lái)監(jiān)控電機(jī)的電流；見(jiàn)圖 1。

圖 1：電機(jī)控制系統(tǒng)中的電流檢測(cè)電路

在此應(yīng)用中，用作運(yùn)算放大器 (op amp) 的電機(jī)控制系統(tǒng)中電流檢測(cè)電路的關(guān)鍵參數(shù)是壓擺率。例如，當(dāng)發(fā)生堵轉(zhuǎn)事件時(shí)，繞組電流從 0.5 A 上升至 3.5 A，運(yùn)算放大器的相應(yīng)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(yùn)算放大器時(shí)，階躍變化的穩(wěn)定時(shí)間約為 6 μs，而使用壓擺率為 15 V/μs 的 TI TLV905x 等運(yùn)算放大器時(shí)，階躍變化的穩(wěn)定時(shí)間僅為 0.2 μs。因此，使用瞬態(tài)響應(yīng)快 30 倍的 TLV905x 將增加控制器執(zhí)行過(guò)流保護(hù)的裕度。

挑戰(zhàn)二：充電電壓不準(zhǔn)確導(dǎo)致電池持續(xù)時(shí)間低。

最大化電池容量是真空機(jī)器人的一項(xiàng)重要設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。人們期望機(jī)器人在需要再次充電之前應(yīng)該能夠完成一個(gè)完整的清潔周期。

使用低質(zhì)量電流檢測(cè)的高輸出電壓紋波將產(chǎn)生無(wú)法利用的電池容量。例如，4.2 V 時(shí) ±3.5% 的準(zhǔn)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(shí) ±0.5 準(zhǔn)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(cè)。

一種常見(jiàn)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(cè)電路在控制回路中生成反饋電壓和電流信號(hào)。為了實(shí)現(xiàn)高精度、穩(wěn)定性、失調(diào)電壓和溫度漂移是此處使用的運(yùn)算放大器的關(guān)鍵參數(shù)。

圖 2：分立式電池充電器電路

挑戰(zhàn) 3：由于負(fù)溫度系數(shù) (NTC) 熱敏電阻錯(cuò)誤導(dǎo)致電池過(guò)熱。

監(jiān)測(cè)電池組的溫度是真空機(jī)器人的主要安全問(wèn)題。與溫度傳感器的解決方案相比，監(jiān)控電池組溫度的經(jīng)濟(jì)高效的方法是使用 NTC 熱敏電阻傳感電路。溫度感應(yīng)不準(zhǔn)確可能會(huì)導(dǎo)致電池組過(guò)熱或燒壞。

解決方案 3：采用 NTC 的高精度溫度傳感。

檢測(cè)溫度的一種方法是使用電阻器和熱敏電阻對(duì)電源進(jìn)行分壓，并將分壓器輸出直接連接到系統(tǒng)控制器內(nèi)部的模數(shù)轉(zhuǎn)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(zhǔn)確。

圖 3 使用運(yùn)算放大器作為緩沖器來(lái)調(diào)節(jié)溫度輸出信號(hào)，為分壓器提供高阻抗節(jié)點(diǎn)，為驅(qū)動(dòng) ADC 提供低阻抗節(jié)點(diǎn)，并將輸出范圍調(diào)節(jié)至最佳 ADC 分辨率。 運(yùn)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(zhǔn)確導(dǎo)致定位和導(dǎo)航系統(tǒng)精度低。

當(dāng)真空機(jī)器人正在重建其環(huán)境時(shí)，里程表應(yīng)提供用于映射的準(zhǔn)確行進(jìn)距離。里程表測(cè)量不準(zhǔn)確會(huì)導(dǎo)致機(jī)器人定位和導(dǎo)航精度不高。

解決方案 4：強(qiáng)大的里程表信號(hào)增強(qiáng)電路。

常用的里程測(cè)量方法是使用光電解碼器或霍爾效應(yīng)傳感器，對(duì)脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)，獲取里程信息。通常里程表安裝在車(chē)輪內(nèi)部，印刷電路板走線較長(zhǎng)，更容易受到開(kāi)關(guān)噪聲的影響，從而導(dǎo)致MCU輸入端口的輸出信號(hào)失真。如圖 4 所示的緩沖器電路可以產(chǎn)生沒(méi)有抖動(dòng)和毛刺的標(biāo)準(zhǔn)邏輯信號(hào)。

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(jī)驅(qū)動(dòng)信號(hào)導(dǎo)致電機(jī)意外運(yùn)行。

系統(tǒng)控制器通常放置在控制板的中央，而電機(jī)則安裝在板的邊緣。因此直接連接到MCU端口的驅(qū)動(dòng)信號(hào)更容易產(chǎn)生噪音或失真，導(dǎo)致電機(jī)意外運(yùn)行。

解決方案 5：電機(jī)驅(qū)動(dòng)路徑中的脈沖寬度調(diào)制 (PWM) 增強(qiáng)器電路。

這里的解決方案不是將驅(qū)動(dòng)信號(hào)連接到 MCU 引腳的電路，而是添加一個(gè)運(yùn)算放大器作為增強(qiáng)器。圖 5 顯示了用于有刷直流電機(jī)的分立電機(jī)驅(qū)動(dòng)解決方案。控制器產(chǎn)生 PWM 信號(hào)，通過(guò)圖騰柱場(chǎng)效應(yīng)晶體管驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng) H 橋功率晶體管。PWM 增強(qiáng)器電路有助于最大程度地減少延遲并增強(qiáng) PWM 信號(hào)，同時(shí)降低噪聲和失真。

圖 5：增強(qiáng)型 PWM 電路

挑戰(zhàn) 6：真空機(jī)器人因距離檢測(cè)錯(cuò)誤而發(fā)生碰撞或跌落。

懸崖傳感器用于檢測(cè)樓梯的高度，而碰撞傳感器用于檢測(cè)真空機(jī)器人周?chē)恼系K物。錯(cuò)誤的距離檢測(cè)會(huì)導(dǎo)致傳感器性能不準(zhǔn)確，導(dǎo)致發(fā)生碰撞或墜落事件并損壞機(jī)器人。

方案六：高精度紅外輸出信號(hào)調(diào)理。

紅外 LED 和光電晶體管被廣泛用作檢測(cè)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(guān)，回波由固定頻率調(diào)制波攜帶。

圖 6：紅外 LED 接收器的信號(hào)調(diào)理電路

跨阻運(yùn)算放大器放大電路在這里廣泛使用，具有低輸入偏置電流。