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UAV電源管理系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)攻略 —電路圖天天讀(145)

作者: 時(shí)間:2017-10-28 來(lái)源:網(wǎng)絡(luò) 收藏

  由于在民用及國(guó)防等諸多領(lǐng)域中的廣泛應(yīng)用, 空中機(jī)器人技術(shù)已經(jīng)越來(lái)越被人們所重視, 并吸引了各國(guó)專家學(xué)者的注意。小型旋翼機(jī)器人是以模型直升機(jī)為載體, 裝備上傳感器單元, 控制單元和伺服機(jī)構(gòu)等裝置以實(shí)現(xiàn)自主飛行。而為了提高飛機(jī)的安全性, 需要設(shè)計(jì)一套設(shè)備監(jiān)測(cè)系統(tǒng), 實(shí)時(shí)的監(jiān)測(cè)飛機(jī)的姿態(tài)信息, 機(jī)載設(shè)備的狀況以及電源的情況等。

本文引用地址:http://m.butianyuan.cn/article/201710/369167.htm

  該平臺(tái)所使用的電源是兩節(jié)鋰電池串聯(lián)組成的電池組, 利用鋰離子電池的充放電特性, 設(shè)計(jì)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(wú)記憶效應(yīng)、循環(huán)壽命高、高電壓電池和自放電率低等優(yōu)點(diǎn), 與鎳鎘電池、鎳氫電池不太一樣的是必須考慮充電、放電時(shí)的安全性,以防止特性劣化。因此在系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中, 為了保護(hù)鋰電池的安全, 設(shè)計(jì)了一套欠壓保護(hù)電路, 以防止系統(tǒng)因過(guò)用而發(fā)生電池特性和耐久性特性劣化。

  系統(tǒng)總體框架

  無(wú)人機(jī)系統(tǒng)是飛機(jī)實(shí)現(xiàn)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(chǎn)的2212/ 34 型號(hào)發(fā)電機(jī)將動(dòng)能轉(zhuǎn)換為220V 交流電, 再經(jīng)過(guò)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(jī), 該控制器通過(guò)檢測(cè)兩節(jié)鋰電池的電壓大小從而控制繼電器開關(guān)來(lái)對(duì)電池進(jìn)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(guò)無(wú)線傳輸設(shè)備將該數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸給地面。地面監(jiān)控平臺(tái)還可以發(fā)送一些指令給mega16l, 通過(guò)控制繼電器開關(guān)來(lái)控制電池充放電, 從而實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)和控制飛機(jī)的目的。機(jī)上電源模塊由兩節(jié)英特曼電池有限公司生產(chǎn)的鋰電池組成, 電池組電量充足時(shí)電壓為8?? 4V.電池的荷電量與整個(gè)供電系統(tǒng)的可靠性密切相關(guān), 電池剩余電量越多, 系統(tǒng)的可靠性越高, 因此飛行時(shí)能實(shí)時(shí)獲得電池的剩余電量, 這將大大提高飛機(jī)的可靠性。

  電源監(jiān)控系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

  直升機(jī)能順利完成飛行任務(wù), 充足的電源供應(yīng)不可或缺。

  由鋰電池的特性可知, 在過(guò)度放電的情況下, 電解液因分解而導(dǎo)致電池特性劣化并造成充電次數(shù)降低。因此為了保護(hù)電池的安全, 電源系統(tǒng)在給控制系統(tǒng)供電前要經(jīng)過(guò)欠壓保護(hù)模塊和穩(wěn)壓模塊。為了預(yù)測(cè)電源系統(tǒng)中剩余的電量, 這里采用檢測(cè)電源系統(tǒng)電壓的方法, 在測(cè)得系統(tǒng)的電源電壓后, 查找由放電曲線建立的數(shù)據(jù)庫(kù), 就能估計(jì)出電源系統(tǒng)中所剩余的電量。

  單片機(jī)所需要的電源電壓是2. 7 ~ 5.5V, 因此可為meg a16l 設(shè)計(jì)外部基準(zhǔn)電壓為2.5V, 該基準(zhǔn)如圖2所示。所以系統(tǒng)要檢測(cè)電池的電壓, 需要將電池用電阻進(jìn)行分壓且最大分得的電壓值不能超過(guò)2.5V.控制器測(cè)得的電壓值乘上電壓分壓縮小的倍數(shù)后, 就能得到電源系統(tǒng)中的實(shí)時(shí)電壓。時(shí)刻監(jiān)測(cè)鋰電池的用電情況, 防止電池過(guò)用現(xiàn)象出現(xiàn), 就能達(dá)到有效使用電池容量和延長(zhǎng)壽命的目的。

  

  圖2 基準(zhǔn)電壓電路

  直流無(wú)刷電機(jī)電路

  無(wú)刷直流電機(jī)是由電動(dòng)機(jī)主體和驅(qū)動(dòng)器組成, 是一種典型的機(jī)電一體化產(chǎn)品。直流無(wú)刷電機(jī)與一般直流電機(jī)具有相同的工作原理和應(yīng)用特性, 而其組成是不一樣的, 除了電機(jī)本身外, 前者還多一個(gè)換向電路, 直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)的電機(jī)本身是機(jī)電能量轉(zhuǎn)換部分, 它除了電機(jī)電樞、永磁勵(lì)磁兩部分外, 還帶有傳感器。該發(fā)電機(jī)的部分AC-DC 電路如圖3 所示。

  

  圖3 無(wú)刷電機(jī)AC-DC 電路

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  充電電路

  鋰離子電池的充電特性和鎳鎘、鎳氫電池的充電特性有所不同, 鋰離子電池在充電時(shí), 電池電壓緩慢上升, 充電電流逐漸減小, 當(dāng)電壓達(dá)到4.2V 左右時(shí), 電壓基本不變, 充電電流繼續(xù)減小。因此對(duì)于改型充電器可先用先恒流后恒壓充電方式進(jìn)行充電, 具體充電電路如圖4 所示。該電路選用LM2575($0.9360)ADJ 組成斬波式開關(guān)穩(wěn)壓器, 最大充電電流為1A.

  

  圖4 高效開關(guān)型恒流/ 恒壓充電器部分電路

  該電路工作原理如下: 當(dāng)電池接入充電器后, 該電路輸出恒定電流, 對(duì)電池充電。該充電器的恒流控制部分由雙運(yùn)放LM358($0.0737) 的一半、增益設(shè)定電阻R3 和R4 、電流取樣電阻R5 和1. 23V 反饋基準(zhǔn)電壓源組成。剛接入電池后, 運(yùn)放LM358 輸出低電平, 開關(guān)穩(wěn)壓器LM2575-ADJ 輸出電壓高, 電池開始充電。當(dāng)充電電流上升到1A 時(shí), 取樣電阻R5 (50m 歐) 兩端壓降達(dá)到50mV, 該電壓經(jīng)過(guò)增益為25 的運(yùn)放放大后, 輸出1.23V 電壓, 該電壓加到LM2575 的反饋端, 穩(wěn)定反饋電路。

  當(dāng)電池電壓達(dá)到8.4V 后, LM3420($0.9940) 開始控制LM2575ADJ 的反饋腳。LM3420 使充電器轉(zhuǎn)入到恒壓充電過(guò)程, 電池兩端電壓穩(wěn)定在8?? 4V.R6 、R7 和C3 組成補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò), 保證充電器在恒流/ 恒壓狀態(tài)下穩(wěn)定工作。若輸入電源電壓中斷, 二極管D2 和運(yùn)放LM358 中的PNP 輸入級(jí)反向偏置, 從而使電池和充電電路隔離, 保證電池不會(huì)通過(guò)充電電路放電。當(dāng)充電轉(zhuǎn)入恒壓充電狀態(tài)時(shí), 二極管D3 反向偏置, 因此運(yùn)放中不會(huì)產(chǎn)生灌電流。

  電源欠壓保護(hù)

  電源欠壓保護(hù)由鋰電池的電池放電特性易知, 當(dāng)電池處于3.5V 時(shí), 此時(shí)電池電量即將用完, 應(yīng)及時(shí)給電池充電, 否則電池電壓將急劇下降直至電池?fù)p壞。于是設(shè)計(jì)了一套欠壓保護(hù)電路如圖5 所示, 利用電阻分壓所得和由TL431($0.0625) 設(shè)計(jì)的基準(zhǔn)電壓比較, 將比較結(jié)果送人LM324($0.0900) 放大電路進(jìn)而觸發(fā)由三極管構(gòu)成的開關(guān)系統(tǒng), 從而控制負(fù)載回路的通阻。試驗(yàn)證明, 當(dāng)系統(tǒng)電壓達(dá)到臨界危險(xiǎn)電壓7V 時(shí), 系統(tǒng)的輸出電流僅為4mA, 從而防止了系統(tǒng)鋰電池過(guò)度放電現(xiàn)象的產(chǎn)生。

  

  圖5 欠壓保護(hù)電路

  由于鋰離子電池能量密度高, 因此難以確保電池的安全性。在過(guò)度充電狀態(tài)下, 電池溫度上升后能量將過(guò)剩, 于是電解液分解而產(chǎn)生氣體, 因內(nèi)壓上升而發(fā)生自燃或破裂的危險(xiǎn);反之, 在過(guò)度放電狀態(tài)下, 電解液因分解導(dǎo)致電池特性及耐久性劣化, 從而降低可充電次數(shù)。該充電電路和本管理系統(tǒng)能有效的防治鋰電池的過(guò)充和過(guò)用, 從而確保了電池的安全, 提高鋰電池的使用壽命。

  本文設(shè)計(jì)了一套UAV 電源管理系統(tǒng), 該系統(tǒng)具有自動(dòng)控制充放電管理, 實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電池電壓等功能。該系統(tǒng)已經(jīng)經(jīng)過(guò)調(diào)試和試驗(yàn)驗(yàn)證了其可行性, 但是為了保證飛機(jī)安全, 還要做更多的試驗(yàn)以保證無(wú)人機(jī)自主飛行的安全和穩(wěn)定。除此之外, 高低頻濾波, 電池電量預(yù)測(cè)等也是重要的方向, 需要深入的研究?,F(xiàn)今, 鋰電池的使用范圍越來(lái)越廣, 其價(jià)格也相對(duì)適中,如果掌握先進(jìn)的科學(xué)的使用方法, 讓鋰電池發(fā)揮應(yīng)有的最大效用, 將會(huì)節(jié)省大量的資源和財(cái)富。



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