方 略,王春雷,楊 亞,范春輝,芮岳峰

(中國電子科技集團公司第二十一研究所，上海 200233)

0 引言

電控預充電系統的主要作用是對電機控制器(逆變器)的大電容進行充電，以減少接觸器動作時的火花拉弧，降低沖擊、增加安全性。當電容并聯在電源兩端時，在電源接通瞬間，電容兩端的電壓不會突變，而電容兩端的電流會突變。如果沒有預充電路，那么接觸器會因為大電流而發生粘連或損壞，影響電機控制器的安全性和可靠性。

國外對電控預充電系統的研究已有多年。德國的B.Hauck設計的BATTMAN系統，強調了整個管理對于動力電池型號的普遍應用性，通過改變硬件跳線和在軟件上增減參數的方法，管理不同型號的電池組。該系統主要基于不同電池組所擁有的共同特點：決定電池組存儲時間的電流能量、最弱電池單元的剩余容量、電池組運行的參數測量和數據記錄[1]。美國Aerovironmevt公司開發了SmartGuard系統，其主要特點是采用了分布式結構。該系統的主要功能有過充電保護、存儲電池數據和指示狀態最差單體電池信息等[2]。美國AC Propulsion公司開發了名為BatOpt的高性能電池管理系統。該系統采用分布式結構，由一個主控單元和多個單體電池監控單元所組成。此外，本田、西門子等公司也都推出了各自的電池管理系統[3-4]。

國內針對電池預充電系統的研究起步較晚，目前研究單位主要是一些高校。清華大學研發的EV-6580輕型電動客車配套的電池管理系統，可以在行駛過程中對電池的充放電電流、電壓等參數進行實時測量和監控，防止過充電、過放電，提高了電池壽命和效率。同時，清華大學還開發了與該系統相匹配的充電系統[5]。同濟大學和北京星恒電池有限公司的鋰離子電池管理系統的主要功能有電流、電壓及電池模塊溫度的采集，電池電荷狀態(state of charge,SOC)估計，自動均衡和事故處理與記錄等[6]。北京航空航天大學研制的鎳氫電池管理系統主要有電流電壓及電池箱溫度的采集、SOC估計、運行狀態判斷和保護等功能[7]。

電機控制器負載前端有較大的電容，直接上電會產生超大瞬時電流，對電機控制器造成損害。合理設計預充電電路，是四足機器人平臺必不可少的重要環節，能夠避免超大瞬時電流[8]。本文對四足機器人電控預充電電路進行了研究，設計了一種新型的預充電電路。通過電阻、電容和電壓比較器實現時間延遲，完成了基于四足機器人的電控預充電系統的設計。

1 系統總體設計

基于四足機器人的電控預充電系統的系統總體框架如圖1所示。

圖1 系統總體框架圖

該系統主要由預充電延時電路、STM32F103C8T6、CAN通信模塊、電流采集模塊這四個部分組成。

ST官方推出的STM32F103C8T6芯片內部集成有豐富的外設資源[9]?；谒淖銠C器人的電控預充電系統設計中應用到的外設主要有12位精度的模數轉換(analog to digital converter,ADC)模塊和CAN通信模塊。電流信號輸入到STM32F103C8T6內置的12位ADC電路進行模數轉換，實時得到預充電過程中的電流數字量信號，并通過CAN通信接口電路將電流信號值發送給上層控制器。

2 系統硬件設計

2.1 預充電電路分析

預充電電路如圖2所示。

圖2 預充電電路

2.2 預充電電阻選擇

整個預充電過程與RC電路充電類似[11]。由RC的基本電路知識可知，預充電過程中電壓方程如式(1)所示。

(1)

預充電過程中，電流方程如式(2)所示。

(2)

式中：u(t)為預充電過程中t時刻電機控制器負載兩端電壓；U0為動力電源電壓；t為充電時間；R為預充電電阻；C為等效電容。

考慮到實際情況，設計參考負載電容C上的電壓UB達到UA電壓90%時預充電動作完成。四足機器人的4條腿部一共有12個永磁同步電機。將電機控制器的電容等效為一個C=0.01 F的電容。通過MATLAB的仿真計算，選擇預充電電阻為25 Ω。預充電時間曲線如圖3所示。

圖3 預充電時間曲線圖

四足機器人平臺動力電源電壓為24 V，即U0=24 V。根據經驗，選擇預充電電阻25 Ω(即R=25 Ω)，電機控制器電容C=0.01 F，u(t)=21.6 V。將上述參數代入式(1)，得到t=0.6 s。在MATLAB中進行仿真計算，電壓到達90%×24 V=21.6 V時，t=0.6 s。經過0.6 s后，電機控制器負載充電電壓達到動力電源電壓的90%，充電電流為0.1 A。此時接通主回路，電機控制器負載不會有大的沖擊電流，電路安全、可靠。

2.3 預充電延時電路

基于預充電電阻R=25 Ω和充電時間t=0.6 s，設計預充電硬件電路。

2.3.1 電壓比較器延時電路

基于電壓比較器LM311、電阻、電容，設計電壓比較器延時電路，如圖4所示。

圖4 電壓比較器延時電路

圖5 延時電路仿真結果

由圖5可知，經過約0.6 s后，電壓比較器LM311發射極引腳MOT_PWDLY輸出的信號為高電平。

2.3.2 預充電硬件電路

基于N溝道功率場效應管IRL40T209和預充電功率電阻搭建預充電硬件電路，如圖6所示。

圖6 預充電硬件電路

如圖6所示，預充電工作原理如下：電源在+5 V工作時，N溝道功率場效應管Q1柵極接通，此時N溝道功率場效應管Q2和Q3截止。通過功率電阻R18，開始對電機控制器負載充電。待延時電路的輸出信號MOT_PWDLY變為高電平信號后，N溝道功率場效應管Q2和Q3導通，使充電電阻R18被短路，完成對電機負載的預充電工作。

2.4 電流采集模塊

為了確保預充電過程的安全性，需要實時地對充電過程中的電流進行采樣?；陔娏鱾鞲衅鰽CS758，設計了電流采樣硬件電路[12-13]，并將采樣到的電流信號傳送給控制芯片STM32F103C8T6?？刂菩酒瑢﹄娏餍盘柕拇笮∵M行判斷：當電流信號超過上限閾值時，控制芯片會產生相應的動作來切斷對電機控制器負載的供電，以防止對電源和電機控制器造成損害[14]。電流采樣硬件電路如圖7所示。

圖7 電流采樣硬件電路原理圖

2.5 CAN通信模塊

為了將電流采樣信號傳遞給上層控制器，基于雙通道數字隔離器芯片ADUM1201和CAN總線芯片SN65HVD232設計了CAN通信電路[15]，如圖8所示。

圖8 CAN通信電路

在STM32CubeIDE軟件中，對控制器的ADC采樣和CAN進行配置。配置完成后，編寫電流信號采樣和電流信號發送程序。程序代碼如下。

MX_ADC1_Init();

MX_CAN_Init();

HAL_CAN_Init(&hcan);

HAL_CAN_Start(&hcan);

while (1) {

HAL_ADC_PollForConversion(&hadc1,100);

txBuf.half[0]=HAL_ADC_GetValue(&hadc1);

HAL_CAN_AddTxMessage(&hcan,&_gTxHeader,__canTxData,&txMailBox);}

3 試驗結果

電源板硬件電路焊接步驟如下。首先，用導線將電源芯片TPS54202的使能引腳和GND信號短接，用信號線引出MOT和MOT_PWDLY輸出信號。然后，給電源板提供24 V的電壓信號，通過示波器去觀察MOT和MOT_PWDLY輸出信號的時序圖。試驗結果如圖9所示。

圖9 試驗結果

由圖9可知，MOT信號在0 s時刻被觸發，經過0.6 s后MOT_PWDLY信號變成了高電平信號，預充電完成。試驗結果與Multisim14.1中搭建的延時電路仿真結果(圖5)一致。

4 結論

在無預充電電路的情況下直接給電機控制器供電，產生的超大瞬時電流會對電機造成損壞。針對這一問題，通過合理選擇LM311、N溝道功率場效應管IRL40T209和預充電功率電阻等元器件構建了預充電電路，并且在MATLAB和Multisim14.1中進行了仿真。在完成硬件電路焊接后，在硬件電路上進行了試驗。試驗結果與電路仿真結果一致，驗證了基于四足機器人的電控預充電系統的安全性、可靠性。