具有发电功能的储能小车
2022-04-12孙逸洁马蕾
孙逸洁，马蕾
（郑州铁路职业技术学院，河南郑州，450000）
0 引言
本文设计一辆具有发电功能的智能小车，小车以法拉电容为唯一储能元件，一次完整的充电过程限定在5m之内。基本部分要求小车具有充电指示、一键启动、沿直线行驶、实时显示行驶距离等功能。发挥部分要求小车可沿直径为60cm的圆循迹，且能探测车下方的硬币数量，且要求行驶距离越远越好。根据以上分析可知，小车需要液晶屏、信号采集电路、驱动电路等，题目要求充电电容作为唯一的储能元件，且限定了发电距离。想要完成基本部分和发挥部分的各项功能，低功耗设计将是系统方案的重点部分。
1 原理与设计
为提高发电单元的储能，可采用高齿轮比的直流电机，然而，齿轮数量的增多，势必会引入较大的摩擦力，降低系统效率。因此，本方案选用高齿轮比的直流电动机作为发电机，独立于小车的驱动电机。考虑到空心杯电动机具有转换效率高、转动惯量低、便于控制等特点，本方案选用空心杯直流电动机为小车的驱动电动机。
手动发电时，发电机转速不均匀、电容电压不恒定，为满足控制器、驱动等单元对电压稳定性的要求，本方案采用同步升、降压变换器相结合的方式，分为给驱动电机、单片机最小系统供电。为进一步降低系统功耗，小车的控制器、信号采集电路、电压变换电路等均选用低功耗拓扑和低功耗器件。
循迹部分可通过双轮差速原理实现。为了提高循迹精度，通常情况下，采用多路红外对管进行循迹，对管数量越多，循迹精度越高，同时，系统功耗也越大。因此，本系统选用一对红外对管，获取小车方向信号。结合滞回原理，可将循迹误差控制在有限范围内，并实现顺时针、逆时针等循迹功能。系统整体框图如图1所示。
图1 系统整体框图
1.1 耗能分析
(1)驱动电机：低功耗、低惯量；
(2)开关管：低电压、低导通电阻Ron;
(3)超级电容：低串联阻抗（ESR）。
1.2 系统提高效率的方法
1.2.1 发电机选择
有效发电区域限定在5m内，总的发电量等于人在此区域内克服电机摩擦力做的功。显然，摩擦力（安培力）越大，做功越多，小车储能越大。为提高发电量，本文选用47：1变比的直流发电机。为防止电流倒流，发电机和超级电容之间串联低压二极管。
1.2.2 行驶距离要求
直流电动机的数学模型等效于一阶电路，当电机型号确定、参数已知时，通过实测，寻求转速和效率的最佳匹配值，提高效率。
1.2.3 驱动电路选择
本文选用由MOSFET构成的直流斩波电路，由弥勒效应可知，MOSFET损耗主要包含开通、关断损耗两部分，提高开关速度、优化开关频率可有效降低开关损耗，通常情况下，亦选用低导通电阻的MOSFET。
1.2.4 最小系统低功耗
题目要求用液晶屏显示行驶距离和检测到的硬币数量，为降低功耗，系统选用STM32L系列低功率MCU，待机电流为4mA。选用OLED作为显示器件。
1.3 寻迹电路选择
寻迹电路由光电传感器控制的单稳态触发器组成，稳态、暂稳态维持时间取决于小车的机械常数。
1.4 系统控制原理分析与设计
为提高系统的动态响应，本文采用滞回比较器控制双轮差速模式，实现小车的转向控制，其示意图如图2所示。
图2 差速滞回比较器
图中横轴代表小车的等效转矩矢量，由差速原理可知，转矩矢量越大，小车的转弯半径越小，转弯速度越大；反之，转变半径越小，转弯速度越大。当转矩方向反向时，可实现反向循迹。根据题目要求，本文将循迹误差带控制在2cm之内，循迹效果如图3所示。当转矩矢量使小车偏离循迹线时，施加相反方向的转矩即可动态调整小车姿态。因此选用差速信号vdif作为滞回比较器的输出信号，作用在直流驱动电机的控制电路上。
图3 滞环循迹示意图
理想情况下，系统的循迹误差为零，即，小车中轴线始终在循迹线的正上方。借鉴锁相环PLL控制原理，本文通过对比红外循迹的反馈值和循迹方向逻辑值，得到差速逻辑值，此值表征双轮的转矩矢量，用来控制PWM斩波电路。为进一步提高小车的循迹速度，差速实现过程中，始终将外轮初始速度设定为恒定值，实时调整内轮的速度即可，如果要实现反向循迹，只需调换内、外轮的控制逻辑即可。系统控制原理如图4差速循迹控制原理示意图所示。
图4 差速循迹控制原理示意图
1.5 电路与程序设计
1.5.1 发电电路设计
发电机电路如图5所示，D3、C5组成超级电容充电电路，其与R1、D1,以及R2、R3串联组成充电指标电路和电压采集电路。充电时，为防止电流倒灌，回路中串联一支二极管，实现电流的单向流动。
图5 发电机电路设计
超级电容不同于传统的电化学电容，超级电容在储能时不发生化学反应，且储能过程是可逆的，充电电容有重量轻、充放电次数多、储能效率高等优点，已经广泛应用于电动汽车、轨道交通等领域。
超级电容的储能，一部分供给最小系统，另一部分供给小车驱动电路。最小系统要求电压稳定在3.3V左右，当电压降低至2.2V后，进入掉电休眠模式。为保证小车匀速循迹，本文选用同步BUCK、同步BOOST转换器电路，对超级电容电压进行转换。在发电过程中，为了减小安倍力，要及时转移超级电容上的储能，本文选用两级超级电容串联结构，第一级超级电容C5对第二级超级电容C6充电，使其保持在5V。当电压低于5V时，升压电路BOOST使其保持5V，如图6所示。
图6 发电机升压电路设计
同步升压变换器可将低电压转换成高电压，为提高转换效率，通常选取同步整流结构对后级电流进行整流，现有专用的集成芯片如MT3608等可实现高效率电压转换。同步降压变换器与之相反，可将高压转换成低压，同理，为了提高转换效率，后级多采用同步整流模式，本文选用M3410系列高效率同步降压芯片，只需要简单的外围电路即可将5V电压转换至2V左右。
1.5.2 驱动电路设计
如前所述，当小车的两个驱动轮速度差为零时，小车可沿直线行驶；当小车驱动轮子有速度差时，小车将沿着转矩矢量和的方向偏转。为了提高循迹速度，本文将外轮（逆时针循迹时，右侧轮为外轮，顺时针循迹时，左侧轮为外轮）速度设定为恒定转速，同时，以斩波形式控制内轮直流电动机的电枢电压，即可动态调整小车转向。斩波电路如图7所示，当斩波频率为f，占空比为D，母线电压为U时，电枢等效电压为：
由上式可知，电枢等效电压Ueq为两自由度变量，当母线电压和占空比为定值时，电枢电杆即恒定不变。根据直流电动机电压平衡方程和转矩平衡方程可知，速度与电枢电压呈正比，因此，通过控制电枢电压，即可线性控制小车速度。需要注意的是，斩波电路设计过程中，需要合理选取母线电压和开关周期，匹配小车的机械常数。值得注意的是，驱动电路也可以选用H桥。功率开关管选用低压低导通电阻的MOSFET。为进一步加速功率管的开、关速度，需要设计合理的MOSFET驱动电路。本文选用N沟道MOSFET，电机安装在MOSFET的漏极，如图7所示。MOSFET驱动电路，如图8所示，由单片机I/O口控制三极管的基极，三极管饱和导通时集电极-发射极导通，此时，P沟道MOSFET的栅极被拉低，进而使P-MOSFET导通，最终使PWM输出电平与IO口输出一致。例如当IO口输出高电平逻辑1时，Qn导通，从而使P-MOSFET管Qm导通，PWM输出高电平。
图7 斩波电路
图8 斩波驱动电路
本系统选用的直流电动机集成有测速码盘，小车轮子转到一周，码盘上的栅格转动10次，程序设计中，启用单片机定时计数器计算栅格数量，然后根据轮子直径即可换算出小车的行驶距离。
1.5.3 单片机最小系统
综合考虑题目中一键启动、硬币检测及数量显示、行驶距离计量等功能，本文需要设计单片机最小系统，主要完成人机交互，A/D采集，PWM驱动等功能，为提高系统集成度，本文选配合适的低功耗传感器，以总线形式与单片机最小系统进行数据交互。
1.5.4 寻迹与硬件探测电路
循迹模块采用一体化红外对管，它由发送器、接收器和检测电路三部分构成。循迹区域为白色时，红外线被反射到接收管，把光信号转换成电信号，作为小车的方向信号。
硬币探测电路选用基于电涡流效应的金属探测传感器，当传感器探头接近、或处于金属正上面时，电感电流增大，反之，电感电流减小。为进一步降低系统功耗，提升行驶距离，当小车完成一圈循迹后，关门金属探测器检测功能，因此，液晶屏上只显示的硬币数量为循迹线下方的硬件数量，而不是最终检测到的硬件数量。调试过程中，可根据硬件与探头的距离，适当调整电感电流，以提高传感器灵敏度。
2 实验
2.1 测试条件与仪器
根据题目，测试条件如图9所示。
图9 小车发电及循区示意图
采用的测试工具及仪器有：秒表、卷尺。
2.2 测量内容及分析
电容压到3V时，比较不同的转速的实际距离，和理论计算距离，可计算能量损耗。
表1 测试数据
经过测试可知，电机的最佳转速为20转/秒，再由空心杯减速机构减速后带动轮子。
3 结论
本文综合考虑题目的功能要求，理论上采用单只红外对管判断小车的方位信号，进而借用滞回控制原理，将小车循迹误差控制在一定范围内。为进一步降低系统功耗，本文选用低压、低导通阻抗MOSFET，并采用加速驱动电路，进一步降低MOSFET的开关损耗。电能变换方面，本文选用同步整流BOOST、BUCK拓扑，对超级电容的电能进行升、降压变换，分别借给单片机最小系统、直流驱动电机。结合低功耗单片机的休眠模式，空心杯电机的超低转动惯量、轻量化车身结构、以及直流驱动电机的转速-效率优化等，小车综合循迹圈数可超过60圈。测试表明，小车能够较好的完成实验的基本要求和发挥部分。
本文选用同步整流BOOST、BUCK拓扑，对超级电容的电能进行升、降压变换，分别借给单片机最小系统、直流驱动电机。结合低功耗单片机的休眠模式、直流驱动电机。结合低功耗单片机的休眠模式，空心杯电机的超低转动惯量、轻量化车身结构、以及直流驱动电机的转速-效率优化等，小车综合循迹圈数可超过60圈。
