基于AVR的電源管理系統(tǒng)的設計

0 引言

當今， 由于在民用及國防等諸多領域中的廣泛應用， 空中機器人技術已經越來越被人們所重視， 并吸引了各國專家學者的注意。小型旋翼機器人是以模型直升機為載體， 裝備上傳感器單元， 控制單元和伺服機構等裝置以實現自主飛行。而為了提高飛機的安全性， 需要設計一套設備監(jiān)測系統(tǒng)， 實時的監(jiān)測飛機的姿態(tài)信息， 機載設備的狀況以及電源的情況等。

該平臺所使用的電源是兩節(jié)鋰電池串聯組成的電池組， 利用鋰離子電池的充放電特性， 設計了一套以mega16l 為核心的充放電管理系統(tǒng)。鋰電池具有體積小、能量密度高、無記憶效應、循環(huán)壽命高、高電壓電池和自放電率低等優(yōu)點， 與鎳鎘電池、鎳氫電池不太一樣的是必須考慮充電、放電時的安全性，以防止特性劣化。因此在系統(tǒng)運行過程中， 為了保護鋰電池的安全， 設計了一套欠壓保護電路， 以防止電源管理系統(tǒng)因過用而發(fā)生電池特性和耐久性特性劣化。

1 電源管理系統(tǒng)總體框架

無人機電源管理系統(tǒng)是飛機實現自主飛行的重要組成部分， 其大致框架如圖1 所示。在該系統(tǒng)中， 利用AXI 公司生產的2212/ 34 型號發(fā)電機將動能轉換為220V 交流電， 再經過整流穩(wěn)壓后輸出11.6V 的直流電壓， 可由該輸出電壓為兩節(jié)鋰電池充電。電源管理系統(tǒng)的控制器是meg a161 單片機， 該控制器通過檢測兩節(jié)鋰電池的電壓大小從而控制繼電器開關來對電池進行充放電管理。

圖1 電源管理系統(tǒng)框架

控制器采集到電源系統(tǒng)中的信息后， 通過無線傳輸設備將該數據實時傳輸給地面。地面監(jiān)控平臺還可以發(fā)送一些指令給mega16l, 通過控制繼電器開關來控制電池充放電， 從而實現監(jiān)測和控制飛機的目的。

機上電源模塊由兩節(jié)英特曼電池有限公司生產的鋰電池組成， 電池組電量充足時電壓為8?? 4V.電池的荷電量與整個供電系統(tǒng)的可靠性密切相關， 電池剩余電量越多， 系統(tǒng)的可靠性越高， 因此飛行時能實時獲得電池的剩余電量， 這將大大提高飛機的可靠性。

2 電源監(jiān)控系統(tǒng)的實現

直升機能順利完成飛行任務， 充足的電源供應不可或缺。

由鋰電池的特性可知， 在過度放電的情況下， 電解液因分解而導致電池特性劣化并造成充電次數降低。因此為了保護電池的安全， 電源系統(tǒng)在給控制系統(tǒng)供電前要經過欠壓保護模塊和穩(wěn)壓模塊。為了預測電源系統(tǒng)中剩余的電量， 這里采用檢測電源系統(tǒng)電壓的方法， 在測得系統(tǒng)的電源電壓后， 查找由放電曲線建立的數據庫， 就能估計出電源系統(tǒng)中所剩余的電量。

單片機所需要的電源電壓是2. 7 ~ 5.5V, 因此可為meg a16l 設計外部基準電壓為2.5V, 該基準穩(wěn)壓電路如圖2所示。所以系統(tǒng)要檢測電池的電壓， 需要將電池用電阻進行分壓且最大分得的電壓值不能超過2.5V.控制器測得的電壓值乘上電壓分壓縮小的倍數后， 就能得到電源系統(tǒng)中的實時電壓。時刻監(jiān)測鋰電池的用電情況， 防止電池過用現象出現， 就能達到有效使用電池容量和延長壽命的目的。

圖2 基準電壓電路

2.1 硬件設計

2.1.1 直流無刷電機電路

無刷直流電機是由電動機主體和驅動器組成， 是一種典型的機電一體化產品。直流無刷電機與一般直流電機具有相同的工作原理和應用特性， 而其組成是不一樣的， 除了電機本身外， 前者還多一個換向電路， 直流無刷電動機的電機本身是機電能量轉換部分， 它除了電機電樞、永磁勵磁兩部分外， 還帶有傳感器。該發(fā)電機的部分AC-DC 電路如圖3 所示。

圖3 無刷電機AC-DC 電路