图1 系统结构框图
1 电源模块设计
采用超级电容供电，由于超级电容放电特性，和稳压电路，单片机工作电压最低阈值的限制，我们采用的是两节2.7 V、50 F 电容串联，当法拉电容组电压在5 V 以下时，实际上，电容组电量=1/2×C×U2。为了充分利用电容组电量，在电容组和主控稳压之间增加一级升压稳压电路，使得电容组在2.5~6 V 之间时稳压电源两端始终输出为8 V[1-2]。
1.1 电压需求
整个电路中需要三个基准供电电压：①为STC8A、隔离芯片、CCD、运放、编码器供电的5 V；②为全桥驱动电路供电的12 V 电压；③为全桥输入供电的8 V。
1.2 电源电路
根据电路设计要求，我们选择TPS61088 作为电容组升压芯片，该芯片工作电压范围在2.7~7 V 输入，3~12 V 输出，可调开关频率200 kHz~2.2 MHz，计算公式为
我们选择600 kHz 工作频率，输出设定8 V，在15 W 工作下效率达到97%。系统5 V 供电。我们采用的外围电路最简单AMS117-5LDO 电源管理芯片，考虑到整个系统运行不需要大功率LDO 芯片，并且AMS117-5 在电压差输出时具有良好的输出稳定特性，低纹波对CPU 的运算性能、ADC 采集的精准提供保障。在对运放供电时，我们采用单独一路的5 V 供电，以确保CPU、隔离、CCD、编码器的供电不会受到运放的影响（如图2）。
图2 电源电路
在电机驱动电路（图3）中，由于我们采用的是IR2104 驱动MOS 双全桥的方案，由于MOS 管导通条件的限制和IR2104 驱动供电，要求整个驱动供电应该在8~12 V。LM2577 是TI 公司生产的一款集成MOS外置电感异步式升压控制芯片，输入范围3~40 V。基于驱动电路本身并不消耗功率，且LM2577 外围电路简单，所以选择LM2577 作为驱动升压控制器8 V 输入、12 输出。
图3 电机驱动电路
2 驱动电路设计
驱动电路为智能车驱动电机提供控制和驱动，这部分电路的设计要求以能够通过大电流为主要指标。驱动电路的基本原理是H 桥驱动原理，目前流行的H 桥驱动电路有：H 桥集成电路，如MC33886；集成半桥电路，如BTN7971 等；MOS 管搭建的H 桥电路，如图4[3-4]。
图4 驱动模块电路
对于节能组，采用集成全桥芯片的效率虽然电路简单，能够满足电机转动的电流需求。但实际上采用集成全桥方式的效率是较低的。由于我们采用的D 车车模+380 电机测试时，在电机两端施加5 V 空转情况下, 电流0.7 A、功率3.5 W。当车模在赛道上运动时，由于车身重量带来的摩擦力，会导致原本扭力不高的电机在5 V 相同电压供电时电流会增加30%，实际测试中，在限压5 V 供电全桥时，两个电机同时工作全桥电流达到2 A。如果采用集成全桥，在大电流工作时效率80%~90%，加上以直立差速度过弯道调节姿势时，瞬时电流会更高，集成全桥效率就会更低。最终我们采用半桥驱动器IR2104 驱动双全桥，MOS 采用导通电阻极低的IRF3205，在5 A 电流持续工作下，全桥效率可达99%。
参考文献：
[1] 童诗白,华成英.模拟电子技术基础[Ｍ].４版.北京:高等教育出版社,2006:330-331.
[2] 蓝东浩,王强,吴司林.基于 STM32 平衡车控制算法的研究[J].科技风,2018(17):25.
[3] 全国大学生电子设计竞赛组委会.第五届全国大学生电子设计竞赛获奖作品选编[M].北京:理工大学出版社,2003.
[4] 史继翠.磁耦合谐振式无线电能传输系统建模及优化分析[Ｄ].湘潭:湘潭大学,2013.
（本文来源于《电子产品世界》杂志社2021年3月期）
