差速AGV无刷直流电机驱动器的硬件电路设计

I方案设计与制作项目名称：差速AGV无刷直流电机硬件电路差速AGV无刷直流电机驱动器的硬件电路设计摘要 本设计硬件主要采用单片机STM32F103ZET6、开关电源芯片XL1509、稳压器TL431、AMS1117、驱动芯片IR2101、电流检测芯片ACS712、保护器AOD4185、BTS640和双继电器；外部器件采用2台无刷直流电机、磁导航传感器、霍尔摇杆、显示屏、蓄电池及小车支架，由AltiumDesigner软件设计原理图及参数、PCB走线及布局；利用芯片采集磁导航传感器或霍尔摇杆的信号位置点，经芯片处理输出一定占空比的6路PWM，再经驱动模块驱动2台无刷电机的运转，实现差速AGV无刷直流电机的运作，从而实现AGV小车前进、后退、转弯等运动。其硬件电路具有功耗低、抗干扰能力强、可靠性高、过流过压及充放电等保护的优势，非常适用于工厂运输、巡航操作等方面。关键词:STM32F103ZET6，PWM，无刷直流电机，AGV

AbstractThehardwaredesignmainlyadoptssingle-chipmicrocomputerSTM32F103ZET6,switchingpowersupplychipXL1509,TL431,AMS1117,voltageregulatordriverchipIR2101andcurrentdetectionchipACS712,AOD4185,BTS640anddoubleprotectionrelay;theexternaldeviceadopts2brushlessDCmotor,magneticnavigationsensor,Holzerrocker,display,batteryandcarframe,byAltiumDesignerthesoftwaredesignprinciplediagramandparameters,PCBroutingandlayout;usingthesignalpointacquisitionchipmagneticnavigationsensororHolzerrocker,thechipprocessingoutputacertaindutycycleof6PWM,thedrivermoduledrives2brushlessmotortoachievedifferentialAGVbrushlessDCmotoroftheoperation.InordertoachievetheAGVcarforward,backward,turningmotion.Thehardwarecircuithastheadvantagesoflowpowerconsumption,stronganti-interferenceability,highreliability,overflowvoltageandchargeanddischargeprotectionKeywords:STM32F103ZET6,PWM,brushlessDCmotor,AGV

目录1前言 11.1选题背景 11.2相关研究现状及前景 11.3内容章节概述 12功能与结构概述 22.1差速AGV外部机械结构概述 22.2差速AGV功能概述 22.3差速AGV系统结构总框图 32.4差速AGV系统原理概述 43电路参数设计 53.1差速AGV所用器件概述 53.2主控模块 53.2.1下载口电路 53.2.2主控芯片电路 63.2.3CAN通信电路 73.3内部供电模块 73.3.112V供电电路 83.3.25V供电电路 93.3.33.3V供电电路 93.4外部供电模块 103.4.15V供电电路 103.4.212V供电电路 113.4.33.3V供电电路 113.5总电源输入模块 123.5.1电源输入电路电路 133.5.2电源充电电路 133.6电机驱动模块 143.6.1电机主输出电路 143.6.2过流保护电路 153.6.3驱动电路 163.7输出接口模块 163.7.1电机接口电路 173.7.2显示屏接口电路 173.7.3霍尔摇杆接口电路 173.7.4IO输入输出电路 183.8扩展模块 184PCB布局设计 194.1总体结构布局 194.2主电源走线 194.3信号走线 204.4散热处理 205 焊接及调试 215.1焊接步骤 215.2调试所需的工具 215.3调试方法 215.4数据记录 225.5测试结果 236总结 24附录 25参考文献 291前言1.1选题背景 AGV是一种基于芯片处理多种功能来实现路程规划及作业要求，它以蓄电池/锂电池为动力能量供给，以某一传感器（磁导航/视觉导航）的方式自动导航，实现取货、送货、充电及入库等一系列任务且功能类似于工厂叉车的无人驾驶自动化车辆，其技术从20世纪初的欧美开始，一直不断更新与发展，到如今已越来越多样化、新型化、实用化、功能化，但是在国内其发展起步较晚，而且如今工业对其所适用的环境、工序、功能、操作等技术要求较高，特别是差速AGV与其对应的模糊算法应用更为广泛，市场对其有着很大的需求量，另外，近年来无刷直流电机替代有刷直流电机的应用兴起，适用性、效率性、损耗性别具一格。因此，本次设计是基于研究性和探讨性为目的对差速AGV无刷直流电机驱动器硬件电路进行设计。1.2相关研究现状及前景目前，在欧美、日韩等工业发达国家，其AGV的技术运用已相当成熟，他们采用先进的芯片处理、高端的算法控制系统及精密的机械结构，来制造运输量更快，更大，功能更强，稳定性和控制可靠性更高的运输车。其不仅应用于仓储领域及企业生产领域，而且应用于柔性加工生产系统及其他更为复杂的系统领域，并在不断更新研究高难度、高精密、高效率等的新型AGV技术。在国内，AGV发展始于“863”计划，起步较晚，应用技术开发及其系统技术等相对落后，但是我国在这方面大量投入，不断研究和发展，相信能很快赶上欧美的脚步。另外，市场对AGV的需求量特别大，是向全自动化转型的重要技术。1.3内容章节概述本文主要从功能与结构概述、电路参数设计、PCB布局设计、焊接与调试四个方面阐述“差速AGV无刷直流电机驱动器硬件电路设计”。其中功能与结构概述包括主要结构概述、AGV控制器功能概述、系统结构总框图、系统框图原理概述；电路参数设计主要介绍本次设计的AGV器件概述、主控模块、内部供电模块、外部供电模块、总电源输入模块、电机驱动模块、输出接口模块、扩展模块；PCB布局设计主要介绍总体结构布局、总电源走线、信号走线、散热处理；焊接与调试主要介绍焊接步骤、调试所需工具、调试方法、数据记录、数据分析；实现以电池为动力，无人驾驶自动导航，能完成前进、后退、转弯等基本运动的AGV运输车中的“差速AGV无刷直流电机驱动器硬件电路设计”。2功能与结构概述2.1差速AGV外部机械结构概述本次设计的差速AGV运输车外部机械结构及布局是：以120*90cm的手推车作为基本机械支架；以2台直流电机作为动力输出（位置在负重轮与万向轮之间），通过动力传输链条连接负重轮（后部）；以2个负重轮的运转差速及2个万向轮（前部）作为运行方向控制；以24V蓄电池作为动力；以差速AGV驱动控制器进行运动控制。其控制是：芯片通过检测2台电机霍尔的位置及磁条信号参数，经算法处理对应输出2*3路一定占空比的PWM，驱动2台无刷直流电机同速/差速运转，从而实现差速AGV的运行[[]潘运平,鲁峰,王飞,陈辉振.工厂AGV的结构设计与控制研究[J].现代机械,2014,(05):1-4.]。因此，本篇论本主要讲述差速AGV驱动[]潘运平,鲁峰,王飞,陈辉振.工厂AGV的结构设计与控制研究[J].现代机械,2014,(05):1-4.2.2差速AGV功能概述 1.芯片处理功能：控制器的主控芯片采用STM32F103ZET6单片机，内核是ARM32位的Cortex™-M3CPU，具有12位模数转换器，112个快速I/O端口，13个通信接口，具有2个16位带死区控制和紧急刹车及用于电机控制的PWM高级控制定时器，以及6路互补高精度PWM驱动输出，可用于驱动无刷直流电机的运行。2.触屏显示功能：控制器的显示屏选用5寸电容触摸屏，竖屏显示，可编程显示AGV各功能模块的运行状态、参数设置等，增强人机互动效果。3.自动寻轨导航功能：控制器的磁导航传感器选用CNS-MGS-16，其分辨率为16点，数据通过CAN通信输出至主控芯片。内部控制板由STM32F103、PNI磁传感器阵列及PNI磁传感器驱动芯片等电路及电源通讯和并行接口组成。磁传感器将小车轨迹的磁信号（50mm磁轨控制器可自动识别）转化为可读数字信号，经内部MCU处理后（-16~+16），将信息通过CAN电路将信息传至总线上。主控芯片通过CAN通信读取传感器位置信息，并计算处理，对小车的运动控制进行调节，实现自动寻轨导航功能[[]周驰东.磁导航自动导向小车（AGV）关键技术与应用研究[D].南京航空航天大学,2012.[]周驰东.磁导航自动导向小车（AGV）关键技术与应用研究[D].南京航空航天大学,2012.4.手动控制功能：控制器的手动控制采用霍尔操纵杆，可对运动的方向进行调控（前进、后退、左右）以及运动的速度进行自由调节。5.输入/输出保护功能：对于控制器的信号输入/输出都采用了过压（32V）和过流保护，对于控制器的电源充放电采用了防反接和过流（20A）保护，对于控制器大功率输出采用了短路保护。6.电池组充放电检测及电量显示功能：主控芯片通过对蓄电池电路定期采集电池组的电压，通过5寸电容屏将电池组电量显示出来，并且当电池组电压低于一定值时做一定报警提示。当充电接口接上时检测是否需要充电以及是否充满，若不需要充电或已经充满电将断开充电电路。即当电池组电量不足时（20V），主控芯片打开充电继电器，当电池组充满后(28V)，主控芯片断开充电继电器[[]吴红斌,顾缃,赵波,张雪松.蓄电池充放电管理的全过程仿真研究[J].电子测量与仪器学报,2014,(08):843-849.][]吴红斌,顾缃,赵波,张雪松.蓄电池充放电管理的全过程仿真研究[J].电子测量与仪器学报,2014,(08):843-849.7.扩展功能：四路继电器输出：主控芯片可控制四路继电器输出，可带四路100W电机。超声波避障：手动控制/自动导航在行走/入库时，超声波避障可以进行避障警示。扩展接口：有多个IO、AD、DA及CAN通信口用于扩展功能。2.3差速AGV系统结构总框图 如图2-3-1可见，差速AGV驱动控制器总框图：图2-3-1AGV驱动控制器总框图如图2-3-2可见，磁导航传感器内部结构图：图2-3-2磁导航传感器结构框图2.4差速AGV系统原理概述 差速AGV驱动控制器的运作原理如下：自动模式下，通过磁导航传感器PIN阵列感应铺设磁条所在位置磁场的强度变化，确定实际位置和方向，芯片以CAN通信的方式采集数据；手动模式下，通过检测霍尔摇杆X-Y轴方向线性电压值的变化，确定运动方向和速度，并以AD方式采集数据[[]阎石.数字电子技术基础[M].北京：高等技术出版社2006.5[]阎石.数字电子技术基础[M].北京：高等技术出版社2006.5采集数据后经算法处理及检测电机霍尔的位置输出一定占空比的2*3路互补高精度PWM给IR2101驱动芯片电路处理，进而再驱动三相半桥MOS管电路，从而驱动2个电机差速/同速运转。三相半桥电路中，上桥采用高边功率集成保护器件，当过流/短路时，自动断开保护，具有自动恢复功能；下桥采用ACS712电流霍尔，通过AD采集方式计算电流以及通过电压比较器进行过流刹车保护；电源总电流和总电压采用AD检测方式对总电流/电压保护，供电部分采用开关型芯片XL1509及稳压管、二极管对其保护，电池充电采用双继电器及AOD-4185保护，放电采用自恢复保险丝（40A）及AOD-4185保护；所有相关状态参数及相关控制操作参数通过RS485通信在5寸触摸屏上显示。3电路参数设计3.1差速AGV所用器件概述 差速AGV驱动控制器主要分为内部电路模块和外接器件模块，其中内部电路模块有：主控模块、内部供电模块、外部供电模块、电源输入模块、电机驱动模块、输出接口模块、扩展模块。外接器件模块及参数有：无刷直流电机：2台，24V240W，最大电流10A，霍尔检测方式；磁导航传感器：电源电压10-18V，信号线5VCAN通信方式；霍尔摇杆：电源电压3.3V，X-Y轴（3.3V）线性电压方式；显示屏：电源供电电压5V，信号线5V高低电平方式；蓄电池：2台12V（70AH）的免维护蓄电池；充电器：24V10A智能蓄电池充电器。3.2主控模块主控模块是芯片编程下载、程序仿真、总线通信及数据处理的单元，主要有主控芯片电路、CAN通信电路、下载口电路。如图3-2-1可见，主控模块的结构总框图。图3-2-1主控模块结构总框图3.2.1下载口电路 主控芯片的编程下载采用J-LINK仿真器，其下载口电路有：上拉端口TDI、TMS、TCK和端口TRST、TDO、RESET连接单片机，其上拉电阻是10K（R183-R185）1/10W，上拉电压为3.3V。其中端口功能定义：端口TDI：J-LINK输出给目标（CPU）的JTAG的数据；端口TMS：J-LINK输出给目标（CPU）的JTAG模式设置信号；端口TCK：J-LINK输出给目标（CPU）的时钟信号；端口TRST：J-LINK输出给目标（CPU）的复位信号；端口TDO：目标（CPU）返回给J-LINK的数据信号；端口RESET：目标（CPU）的复位信号。如图3-2-2可见，下载口电路的原理图。图3-2-2下载口电路原理图3.2.2主控芯片电路 主控芯片电路其实是STM32F103ZET6单片机的最小系统，即用最少的元件组成的、可以工作的系统，其主要有单片机、晶振电路和滤波电容，其中一个晶振是（Y2）8MHZ、其晶振电容一般取（C47-C48）10PF；另外一个晶振是（Y1）32.768MHZ，晶振电容取（C45-C46）10PF；滤波电容主要分布在单片机的四周，以保证单片机供给各个3.3V电压引脚的稳定和减少电压波动带来的干扰，通常电容采用无极性陶瓷电容（C38-C44），通常取100PF；其中PWM输出端口为PA8-PA9-PA10和PB13-PB14-PB15、PC6-PC7-PC8和PA7-PB0-PB1，电机霍尔检测端口为PA0-PA1-PA2和PF0-PF1-PF2。如图3-2-3可见，主控芯片电路的原理图。图3-2-3主控芯片电路原理图3.2.3CAN通信电路 CAN通信主要是通过TJA1050芯片转换实现的，其中TJA1050芯片的供电电压是5V，对外连接端口CANL、CANH最高承受电压为40V，其并联一个电阻（R182）120欧，起增强信号抗干扰能力，对内连接端口R（接受数据输出）、D（传输数据输入）连接单片机的CAN通信接口。如图3-2-4可见，CAN通信电路的原理图。图3-2-4CAN通信电路原理图3.3内部供电模块内部供电模块是为内部的各个模块（芯片）提供相对独立的供电电压，减少内部不同电压系统之间和内部供电与外部供电之间的干扰，以保证在某个模块供电电压异常时，其他的模块的功能还能正常进行。其中主要有：12V供电电路：供给IR2101芯片、充电继电器；5V供电电路：供给ACS712芯片、LM358芯片、BTS640芯片、TJA1050芯片；3.3V供电电路：STM单片机如图3-3-1可见，内部供电模块设计的结构总框图。图3-3-1内部供电模块结构总框图3.3.112V供电电路 12V供电电路选取XL1509-12V开关降压型DC/DC转换器芯片，其内部有150KHz固定频率脉宽调制，可以依据输出电压电流调节占空比（0-100%）；具有使能、频率补偿、短路（频率降到50KHz，保护芯片）、限流等一系列的保护功能；最大输出2A负载电流，最大40V电压输入，且输出效率高、散热较好、纹波较低、线性较好；具有所需元件少、体积小，成本低的优势。12V供电电路主要有：隔离器件：选取2A40V快恢复二极管SS24（D8），其最大压降是0.2V，利用其具有单向导通的特性，将内部供电与外部电源隔离，减少两者之间的干扰影响；前级滤波电路：选取330UF50V电解电容及100NF60V无极陶瓷电容对输入电压进行稳压和消除输入噪声，减少输入电压波动对芯片稳压输出的影响，其电解电容的容值视输出功率而定；XL1509芯片电路：VIN是电压24V输入，OUT是电压12V输出，FB是输出电压反馈引脚，PCB走线直接连在输出电感后面（走线要粗短），ON/OFF是连接单片机的使能引脚，其中输出电感（L3）选取33UH-2A，其电感值视输出瞬时功率而定，续流二极管（D9）选取40V5A，其电流值一般是最输大电流的2倍左右，下拉电阻（R53）选取10K，拉低端口电平，使其保持在正常工作状态。后级滤波电路：选取470UF35V电解电容及100NF40V无极陶瓷电容对输出电压进行稳压和高频滤波，其电解电容的容值理论上越大越好，无极陶瓷电容越多越好，一般满足输出功率即可；过压保护器件：选取12.6V500MA的稳压二极管（D36），以防止XL1509输出电压波动过大或者是上电瞬间的脉冲损坏后级所需供电的芯片，一般芯片的供电电压管控是±1%[]王兆安,陈桥梁.集成化开关电源的若干关键技术[J].电气应用,2007,(08):6-11.[]王兆安,陈桥梁.集成化开关电源的若干关键技术[J].电气应用,2007,(08):6-11.如图3-3-2可见，12V供电电路的原理图。图3-3-212V供电电路原理图3.3.25V供电电路 5V供电电路选取XL1509-5V开关降压型芯片，其过压保护器件选取5.4V500MA的稳压二极管（D38），其他电路参数基本与12V供电电路参数相似。如图3-3-3可见，5V供电电路的原理图。图3-3-35V供电电路原理图3.3.33.3V供电电路3.3V供电电路选取AMS11173.3V线性降压型芯片，其是一个正向低压降稳压器，最大输入电压为20V，而且压差越小效率越高，电流越低压降越小，在1A的电流下压降为1.2V，具有输出电压精度较高（1%）、内部集成过热保护和限流功能的优势。3.3V供电电路主要有：AMS1117芯片电路：VIN是电压5V输入，OUT是电压3.3V输出，电压级差小；后级滤波电路：选取220UF35V电解电容及100NF40V无极陶瓷电容对输出电压进行稳压和滤波；过压保护器件：选取3.6V500MA的稳压二极管（D32），稳定单片机供电电压。指示灯电路：选取1.5V高亮发光二极管，电流取1MA，限流电阻取值2K[[]曾辉.电路分析[M].武汉：武汉理工大学出版社，2011.3[]曾辉.电路分析[M].武汉：武汉理工大学出版社，2011.3如图3-3-4可见，反馈电路的组成。图3-3-4反馈电路结构3.4外部供电模块外部供电模块是为外部的器件提供相对独立的供电电压，减少外部电压系统之间的影响，以保证在某个外部器件短路时，内部的其他的工作器件不受影响。其中主要有：12V供电电路：供给CNS-MGS-16磁导航传感器5V供电电路：供给5寸触摸屏、无刷电机霍尔传感器3.3V供电电路：供给霍尔摇杆如图3-4-1可见，外部供电模块设计的结构总框图。图3-4-1外部供电模块结构总框图3.4.15V供电电路5V供电电路选取XL1509-ADJ开关降压型芯片，其性能参数与XL1509-12V芯片参数相似，唯一的区别是：反馈引脚（FB）是通过外部电阻来分割回路来检测和调节输出电压，其反馈端电压是1.23V；由于显示屏所需功率较大，因此其输出电感取值68UH3A。。供电电路主要有：隔离二极管、前级滤波电路、XL1509芯片电路、后级滤波电路（电路参数结构与其他供电模块对应电路参数相似）及ADJ调节电路：电阻R80-R81-R130构成电压反馈网络，R81取1K，R130为补偿电阻。由于输出电压为5V，FB端电压为1.23V，即有5V=1.23*（1+R80/R81），可计算出R80>3K，因此R80取3.3K，再依据各个芯片空载的输出电压特性，对输出电压进行补偿，因此R130取56欧。其中CBB电容（C29）5.8NF是为了消除噪声，以提高反馈电压的稳定性。短路保护电路：短路保护二极管（D31）1N40071A1000V，是当外部线路短路时，能把断流电流由二极管承受，直到自恢复保险丝断开；二极管（D6）是3A40V的快恢复二极管，具有极低的压降，控制输出电流单向流动，防止外边电流倒灌损坏XL1509芯片；自恢复保险丝（F3）是16V2A，其自恢复性是利用热效应，需要一定反应时间，当输出过流时会自动断开，非过流时会自动闭合。如图3-4-2可见，5V供电电路的原理图。图3-4-25V供电电路原理图3.4.212V供电电路12V供电电路选取XL1509-ADJ芯片，电路参数基本与其他供电模块对于电路参数相似。其ADJ调节电路参数略有不同：ADJ调节电路：电阻R82-R83-R129构成电压反馈网络，R83取1K，R129为补偿电阻。由于输出电压为12V，FB端电压为1.23V，即有12V=1.23*（1+R82/R83），可计算出R82>8.8K，因此R82取9.1K，再依据各个芯片空载的输出电压特性，对输出电压进行补偿，因此R129取20欧。其中CBB电容（C29）1NF[[]童诗白[]童诗白.华成英.模拟电子技术基础[M].北京：高等技术出版社2006.5短路保护电路：自恢复保险丝（F35）取36V1.5A。图3-4-3可见，12V供电电路的原理图。图3-4-312V供电电路原理图3.4.33.3V供电电路3.3V供电电路选取TL431-ADJ精密基准电压芯片（可调电压值的三端稳压器），具有低动态输出阻抗（0.2欧姆）、很低的输出噪声电压、可编程输出电压（最高40V，精度0.5%）、极快的导通速度及1-100MA的灌电流能力的特点，而且在整个额定工作温度范围内可进行补偿。其主要电路有：扩流电路：选取NPN三极管（Q43）80501A，驱动三极管电阻取1.2K。反馈电压电路：电阻R75-R76构成电压反馈网络，滤波电容（C67）取100NF，TL431的基准电压是2.49V，R76取1K，即有3.3V=2.49*（1+R75/R76），可计算出R75>0.32K，因此电阻R75取0.33K。保护电路：快恢复二极管（D29）取40V1A，自恢复保险丝（F8）500MA。图3-4-4可见，3.3V供电电路的原理图。图3-4-43.3V供电电路原理图3.5总电源输入模块总电源输入模块主要是检测蓄电池对各个模块供电的电流、电压等参数及检测外部充电器对蓄电池充电的电流、电压等参数和当电池组电量不足时，控制充电继电器闭合，当电池组充满后，控制充电继电器断开。其中，电源输入电路：过流保护、浪涌抑制电路、电流检测电路、防反接电路、滤波电路、AD采样电路。充电电路：充电继电器控制电路、防反接电路图3-5-1可见，总电源输入模块设计的结构框图：图3-5-1总电源输入模块结构图3.5.1电源输入电路电路电源输入电路中选取ACS712-20A为电流检测芯片，其是一款适用电动机控制、载荷检测的霍尔芯片，其电压绝缘达2.1KVRMS、拥有低电阻电流导体，仅需5V的供电电压，具有所需元件少、双向电流检测（基点电压值2.5V）、噪声低误差小、、电源电压按一定比例输出（20A-100mV/A）的特点。其中，过流保护：总模块输出的最大消耗功率为480W（直流电机功率），因此选取36V20A的自恢复保险丝（FU1）；浪涌抑制电路：采用无极性电容（C49-C50）60V100NF串联及双向二极管（D10）36V来抑止电源上电瞬间产生的浪涌[[]莫付江,阮江军,陈允平.浪涌抑制与电磁兼容[J].电网技术,2004,(05):69-72.][]莫付江,阮江军,陈允平.浪涌抑制与电磁兼容[J].电网技术,2004,(05):69-72.电流检测电路：采用ACS712芯片，其端口IP-IP+是电流输入输出；端口Vout是模拟电压输出，对应公式为：I=|（2.5-Vout）|/0.1*K，其中K为实际补偿系数，一般取值；端口Filter是内部一级放大滤波，电容（C36）一般取值1NF；无极性电容（C37）100NF是消除芯片引脚噪音。防反接电路：采用PMOS管（Q13）AOD4185（导通内阻15毫欧）40V40A；稳压二极管（D13）12V500MA，限流电阻（R56）18K，当电源正向接时，PMOS管驱动电压正常，导通正常；当电源反向接时，PMOS管驱动电压为12V，不导通。滤波电路：选取电解电容330UF50V及CBB电容1UF进行滤波AD采样电路：采用电阻分压（R48-R49），由于STM单片机的AD采集最高电压是3.3V，R49取1K，蓄电池充满电压约为28.8V，即有28.8/（R48+R49）*R49的值要小于3.3V，因此R48取值9.1K。图3-5-2可见，电源输入电路的原理图。图3-5-2电源输入电路原理图3.5.2电源充电电路充电电路的继电器采用宏发双继电器HFKA-012-2ZTC，12V30A，防反接MOS管采用AOD4185，其中，充电继电器电路：二极管（D35-D36）选取1N4007，抑制继电器断开瞬间产生的浪涌，保护三极管；三极管选取80501A，基极限流电阻（R32）10K，单片机通过驱动三极管的导通，控制继电器的闭合与断开。防反接电路：采用AOD4185，防止充电正负接线接反，损坏蓄电池。图3-5-3可见，充电继电器电路的原理图。图3-5-3充电继电器电路原理图3.6电机驱动模块电机驱动模块分为A-B两个模块，参数相同，主要是控制无刷直流电机的运转速度和检测电机的电流参数及保护，防止电机短路；其中，电机主输出电路：电机滤波电路、高边功率保护电路、半桥驱动电路过流保护电路：电流采集电路、过流刹车电路驱动电路：IR2101驱动电路、驱动信号处理电路图3-6-1可见，电机驱动模块设计的结构框图：图3-6-1电机驱动模块结构图3.6.1电机主输出电路电机主输出电路中的高边功率器件主要采用芯片BTS64034V12.6A，其是一款兼容电源开关的诊断反馈，适用各类电阻、电感和电容性负载，能取代机电继电器，保险丝和分立电路的芯片，具有CMOS兼容输入、开漏诊断输出、欠压和过压关机、自动重启和滞后、过载保护、热关断及过压保护的特点；其中：电机滤波电路：选取3个电解电容330UF50V并联（减小ESR）和3个CBB电容，增强滤波效果。高边功率保护电路：选取BTS640，其端口IN是电源开关，由上拉电阻（R141）开启；端口IS是限流输出，正常是低电平，下拉电阻（R139）、基极电阻（R140）和三极管8050构成触发网络，当当上桥短路/过流时，IS端高电平驱动三极管导通，IN端被拉低，电源开关关闭。半桥驱动电路：选取NMOS管IRF410440V42A，导通内阻5.5毫欧，GS端补偿电容（C1）为10NF，半桥两端的吸收电容（C21）为CBB1UF。图3-6-1可见，电机主输出电路的原理图。图3-6-2电机主输出电路原理图3.6.2过流保护电路过流保护电路中采用电流检测芯片ACS712-30A（参数相同）及电压比较器LM358，其中LM358是一款有两个独立的、高增益、内部频率补偿的双运算放大器，同时适合于单双电源工作，具有输入电压较宽（3-40V）、功耗较低的特点。其中，电流采集电路：采用ACS712，正向检测电流对应电压为2.5-4.5V区间。过流刹车电路：设定过流值为15A，则ACS712对应输出电压为3.5V，即放大器正端是3.5V，R28取值1K，负端电压：5/（R28+R29）*R29=3.5，可得R29取2.4K；当过流时，比较器输出高电平。指示灯（LED1）亮，同时单片机的刹车端口（PB12）触发，停止一切输出。图3-6-3可见，过流保护电路的原理图。图3-6-3过流保护电路原理图3.6.3驱动电路驱动电路中采用3个IR2101芯片（一个芯片对应一路PWM），其是一款是双通道的高压高速功率驱动器，具有很好的可靠性、宽电压输入（10-20V）、独立输出及功耗较低，且采用自举电容上电技术等特点。其中，IR2101驱动电路：自举二极管（D1）采用快恢复二极管SS1440V1A，自举电容采用电解电容25V10UF，保证自举电压的稳定。驱动信号处理电路：选取NMOS管A2SHB20V500MA，上下桥MOS管关闭采用2个小MOS管的放电电路对其进行放电加快MOS管关闭的速度，减少噪音对输出波形的干扰。比如：当IR2101的高端输出低电平时，MOS管Q1导通，MOS管Q2截止，即上桥MOS管G端接地，MOS管截止；当IR2101的高端输出高电平时，MOS管Q1截止，MOS管Q2导通，即MOS管导通[[]高元楼,刘连霞.一种PWM驱动电路的电磁兼容性研究[J].软件,2012,(06):70-71+74.][]高元楼,刘连霞.一种PWM驱动电路的电磁兼容性研究[J].软件,2012,(06):70-71+74.图3-6-4可见，驱动电路的原理图。图3-6-4驱动电路原理图3.7输出接口模块输出接口模块是内部电路模块与外部器件连接的通道，主要有电机接口电路、显示屏接口电路、霍尔摇杆接口电路、CAN通信接口（见CAN通信电路）、电源充放电接口、四路直流电机接口、接口信号输出/输入电路。图3-7-1可见，输出接口模块设计的结构框图：图3-7-1输出接口模块结构图3.7.1电机接口电路 电机接口电路中主要是电机霍尔输入保护电路，即当外部倒灌32V电压是内部电路模块不受影响，其R36-R37-355-Q16构成的保护网络，当电机霍尔WA端高电平（5V）时，三极管导通，单片机WA_C端低电平，反之为高电平，即使外部短路WA端电压高达32V，电阻R3711K两端承受27V电压，WA_C端电压还是5V，起保护单片机作用。图3-7-2可见，电机接口电路的原理图。图3-7-2电机接口电路原理图3.7.2显示屏接口电路 显示屏接口电路中主要是显示屏数据交换保护电路，即当外部倒灌32V电压是内部电路模块不受影响，其输入网络由R63-R70-D16-D18构成，其中限流电阻R633K，二极管及电阻对IN端进行上拉，5.1V稳压管保证IN端的电压；同样，输出网络由R62-R69-D16构成，分压电阻及稳压管保证OUT的电压值不超过5.1V图3-7-3可见，显示屏接口的原理图。图3-7-3显示屏接口电路原理图3.7.3霍尔摇杆接口电路霍尔摇杆接口电路中主要是霍尔电压输入保护电路，即当外部倒灌32V电压是内部电路模块不受影响，其X轴由R60-D14构成，Y轴由R61-D15构成，当XX端为32V时，稳压管为5.1V100MA，即限流电阻R60两端电压约为27V，限流取值1-2MA，由I=U/R可知，R取值30K，由焦耳定律W=I*I*R并留一定的余量，可知R60为1/10W的电阻。同样，Y轴的参数也如此计算。图3-7-4可见，霍尔摇杆接口电路的原理图。图3-7-4霍尔摇杆接口电路原理图3.7.4IO输入输出电路I/O输入输出电路中主要是对单片机IO口的保护电路，即当外部倒灌32V电压是单片机运行不受影响，其内部输入有R111-R113-R115-Q35构成，内部输出由R110-R112-R114-Q34构成，当IN/OUT端电压为32V时，IO1保持原来状态，IO2保持低电平，单片机不受影响。图3-7-5可见，I/O输入输出电路的原理图。图3-7-5I/O输入输出电路原理图3.8扩展模块扩展模块主要是方便功能的更新与测试，主要有四路直流电机电路、IO端的通信及控制和超声波避障接口等。其中，四路直流电机电路：采用宏发双继电器HFKA-012-2ZTC控制直流电机的正反运转，采用XL1509-12进行独立供电。IO端的通信及控制：对外预留普通IO输入输出口、AD\DA口，CAN通信及RS485通信、电压输出口等超声波避障接口：通过CAN通信与超声波避障模块进行数据交换及控制。4PCB布局设计4.1总体结构布局 本次PCB是以模块区域化进行设计，主要分为9个区域：输入接口区：主要是蓄电池电源输入，从PCB板的左边进线，大电流走线；内部供电区：芯片供电，紧挨电源输入，供电走线短，电压稳定，压降小；外部供电区：外部器件供电，边缘区域，干扰少，紧挨输出接口，供电走线短；芯片处理区：控制及数据通信，紧挨输出区及驱动区，驱动线短，方便通信控制；无刷直流电机驱动A区：驱动电机A，紧挨电源区、芯片区及输出区，走线极短；无刷直流电机驱动B区：驱动电机B，紧挨电源区、芯片区及输出区，走线较短；直流电机输出控制区：控制四路小电机，扩展功能，紧挨输出区；输出接口区：对外部器件进行供电及数据通信；功能扩展区：预留区域，紧挨所有电源区及芯片区，方便扩展功能设计[[]任枫轩.PCB布线中的抗干扰设计[J].办公自动化,2013,(12):44-46+41.][]任枫轩.PCB布线中的抗干扰设计[J].办公自动化,2013,(12):44-46+41.图4-1可见，PCB总体结构布局图。图4-1PCB总体结构布局图4.2主电源走线 电路板采用双面板，PCB规格为：联茂FR-4，无卤素1.2mm1/1OZ；理论上1OZ-1mm的铜厚，温升等在极限参数下，最大能过3.2A，但是在PCB业内双面PCB板制作工艺流程中，菲林/LDI误差管控一般是±1.2mil，解析度一般是±1-2mil，普通线宽误差管控是±20%；另外在实际应用中，环境的温度、散热等因素也会对线宽与电流的关系造成影响，因此本次设计线宽留20%-50%的余量，线宽与电流采用1mm-1A的标准值。此外，由于沉铜工序中，管控通孔的面铜一般是±10um、孔壁厚度±8um等，并且无法完全批量管控，过孔电流难以确定，因此本次设计大电流走线中尽量不过孔。主电源走线采用分层化、边缘化方式，即顶层走电源正极线，低层走电源负极线，电源线总体走板的边缘，局部成上下垂直关系，减少两线之间的电磁耦合，以减少干扰。本次正线与地线预留设计40A的走线，采用大面积覆铜及镀锡的方式连接总电源与电机主输出电路，进量粗而短，大大减小走线的内阻和温升。其中，主电源地线和辅助电源地线采用类似两极射线方式，汇于一点，走线相反，以减少大电流地线对小电流地线的干扰[[]段向东,李敏.PCB地线的干扰与抑制[J].电子设计工程,2011,(07):174-176.][]段向东,李敏.PCB地线的干扰与抑制[J].电子设计工程,2011,(07):174-176.4.3信号走线 由于信号线电流很小，容易被干扰，但可以多次过孔，因此本次设计信号线一般采用集线束靠地而走的方式，就是在某一层PCB专门开一条道给走信号线，而且信号性质必须类似、必须有一定的线宽线距、必须一定程度上靠着地线走及最好避开开关式电感之类的电路区域和发热区域，以减少对信号线的干扰；但类似PWM输出的信号线，除了减少干扰外，还必须减少过孔及减少线长，因为PWM频率特别快，过孔数多了，线长了，寄生电感和阻抗也就多了，对到达最终目标的PWM波形有一定的滞后和压降的影响，甚至可能出现波形乱，缺失等情况[[]王艳龙,姚竹亭.Pcb电磁兼容的设计研究[J].电子世界,2013,(07):118-119.][]王艳龙,姚竹亭.Pcb电磁兼容的设计研究[J].电子世界,2013,(07):118-119.4.4散热处理 由于板材中的环氧树脂热传导性差（内层导热系数一般是0.2，外层是0.4），但铜箔线路和通孔、盲孔、埋孔却是导热导体，因此提高线路的残铜率和增加导热孔（特别是通孔）能增强PCB的导热能力；但是不同材料的PCB板也有不同的导热系数，一般来说，铜箔厚度越厚，线路的残铜率越高，其对应的导热系数也越大，PCB的散热效果就越好。本设计的散热处理主要有PCB铜箔的散热处理和外加散热片的散热处理。其中，PCB铜箔的散热处理应用在一些贴片芯片散热上，主要是在芯片底部或是底层划分一块铜箔区域对其进行散热，查阅芯片资料可知芯片的压降、电流及所需温升，从而计算出初始热阻，再根据PCB板的材料导热系数、铜厚及热阻，就可以知道所需的铜箔面积；加散热片的散热处理应用在直插MOS管上，主要是在MOS管散热区连接散热片并绝缘其进行散热，查阅芯片资料可知MOS管的最大压降及热阻，就可以计算在所需电流下的总热阻，从而就可以知道散热器的热阻，再根据铝片厚度，就算所需的散热表面积[[]黄云生.电子电路PCB的散热分析与设计[D].西安电子科技大学,2010[]黄云生.电子电路PCB的散热分析与设计[D].西安电子科技大学,2010.焊接及调试5.1焊接步骤焊接总电源输入模块，测量输入电压值是否准确；焊接内部供电模块，测量输出电压值是否准确；焊接STM32单片机主控模块，测试能否烧入测试程序和单片机PWM波形的输出是否正常；焊接电机驱动模块中的驱动电路及下桥MOS管，测量MOS管上下桥输出波形及总电流值是否正常；焊接电机驱动模块，再次测量MOS管上下桥输出波形及总电流值是否正常；焊接外部供电模块，测量输出电压值是否正常；焊接输出接口模块中的电机接口，测量电机霍尔线的连通性，空载带上电机，测量总电流值及运转情况是否正常；焊接输出接口模块，连接显示屏、霍尔摇杆、磁导航传感器等，测量对外输出电压是否正常；焊接扩展模块，测量电压值及总电流值是否正常；焊接完毕，烧入正常程序，测量总电流值是否正常。5.2调试所需的工具调试所用到的工具有示波器、多个万用表、磁条。5.3调试方法硬件测试：（未连接传感器件，电池充满）用万用表（二极管档）两表笔继电器线圈两端，看是否有动作；上电，测量各个供电模块的电压值及总电流值，并记录在表5-1；上电一段时间，测试各个芯片发热情况，并记录；上电，测量电机驱动模块的上下桥波形，并记录在图5-1；空载测试：（上电测试，不加负载）连接显示屏、霍尔摇杆、磁导航传感器，观察显示屏参数显示是否正常