ATemga161單片機(jī)對無人機(jī)電源管理系統(tǒng)的控制設(shè)計

前 言

當(dāng)今， 空中機(jī)器人技術(shù)在民用及國防等諸多領(lǐng)域中的廣泛應(yīng)用，已經(jīng)越來越被人們所重視， 并吸引了各國專家學(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)等裝置以實現(xiàn)自主飛行。而為了提高飛機(jī)的安全性， 需要設(shè)計一套設(shè)備監(jiān)測系統(tǒng)， 實時監(jiān)測飛機(jī)的姿態(tài)信息、機(jī)載設(shè)備的狀況以及電源的情況等。

該平臺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， 與鎳鎘電池、鎳氫電池不太一樣的是必須考慮充電、放電時的安全性，以防止特性劣化。因此在系統(tǒng)運(yùn)行過程中， 為了保護(hù)鋰電池的安全， 設(shè)計了一套欠壓保護(hù)電路， 以防止電源管理系統(tǒng)因過用而發(fā)生電池特性和耐久性特性劣化。

1 電源管理系統(tǒng)總體框架

無人機(jī)電源管理系統(tǒng)是飛機(jī)實現(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 型號發(fā)電機(jī)將動能轉(zhuǎn)換為220V 交流電， 再經(jīng)過整流穩(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)， 該控制器通過檢測兩節(jié)鋰電池的電壓大小從而控制繼電器開關(guān)來對電池進(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， 通過無線傳輸設(shè)備將該數(shù)據(jù)實時傳輸給地面。地面監(jiān)控平臺還可以發(fā)送一些指令給mega16l， 通過控制繼電器開關(guān)來控制電池充放電， 從而實現(xiàn)監(jiān)測和控制飛機(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， 電池組電量充足時電壓為8？？ 4V.電池的荷電量與整個供電系統(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， 因此飛行時能實時獲得電池的剩余電量， 這將大大提高飛機(jī)的可靠性。

2 電源監(jiān)控系統(tǒng)的實現(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)過欠壓保護(hù)模塊和穩(wěn)壓模塊。為了預(yù)測電源系統(tǒng)中剩余的電量， 這里采用檢測電源系統(tǒng)電壓的方法， 在測得系統(tǒng)的電源電壓后， 查找由放電曲線建立的數(shù)據(jù)庫， 就能估計出電源系統(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)計外部基準(zhǔn)電壓為2.5V， 該基準(zhǔn)穩(wěn)壓電路如圖2所示。所以系統(tǒng)要檢測電池的電壓， 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2.5V.控制器測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)中的實時電壓。時刻監(jiān)測鋰電池的用電情況， 防止電池過用現(xiàn)象出現(xiàn)， 就能達(dá)到有效使用電池容量和延長壽命的目的。

圖2 基準(zhǔn)電壓電路

2.1 硬件設(shè)計

2.1.1 直流無刷電機(jī)電路

無刷直流電機(jī)是由電動機(jī)主體和驅(qū)動器組成， 是一種典型的機(jī)電一體化產(chǎn)品。直流無刷電機(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， 前者還多一個換向電路， 直流無刷電動機(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 無刷電機(jī)AC-DC 電路

2.1.2 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， 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， 電壓基本不變， 充電電流繼續(xù)減小。因此對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LM2575ADJ 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， 對電池充電。該充電器的恒流控制部分由雙運(yùn)放LM358 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， 取樣電阻R5 （50m 歐） 兩端壓降達(dá)到50mV， 該電壓經(jīng)過增益為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 開始控制LM2575ADJ 的反饋腳。LM3420 使充電器轉(zhuǎn)入到恒壓充電過程， 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輸入級反向偏置， 從而使電池和充電電路隔離， 保證電池不會通過充電電路放電。當(dāng)充電轉(zhuǎn)入恒壓充電狀態(tài)時， 二極管D3 反向偏置， 因此運(yùn)放中不會產(chǎn)生灌電流。

2.1.3 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， 此時電池電量即將用完， 應(yīng)及時給電池充電， 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設(shè)計的基準(zhǔn)電壓比較， 將比較結(jié)果送人LM324 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。試驗證明， 當(dāng)系統(tǒng)電壓達(dá)到臨界危險電壓7V 時， 系統(tǒng)的輸出電流僅為4mA， 從而防止了系統(tǒng)鋰電池過度放電現(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。在過度充電狀態(tài)下， 電池溫度上升后能量將過剩， 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；反之， 在過度放電狀態(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充和過用， 從而確保了電池的安全， 提高鋰電池的使用壽命。

2. 2 軟件設(shè)計

電源管理系統(tǒng)的軟件設(shè)計主要是meg a16l 通過其8 路10位ADC 端口來檢測電池的電壓狀態(tài)， 根據(jù)不同的情況采取相應(yīng)措施。一旦出現(xiàn)有電池低于7.0V 的情況，單片機(jī)就將該電池切換到充電狀態(tài)并保證至少有一組電池為負(fù)載供電， 且電池1 優(yōu)先級別高于電池2.主要程序流程圖如圖6 所示， 程序處于一個無限循環(huán)， 單片機(jī)時刻監(jiān)測兩組電池的電壓的狀態(tài)并記憶當(dāng)前的充電狀態(tài)， 一旦放電的電池達(dá)到7V 以下， 單片機(jī)驅(qū)動繼電器開關(guān)將充電回路切換到該電池并將另一組電池切換為負(fù)載回路的電源。

圖6 AVR 主程序流程圖

程序在運(yùn)行的過程當(dāng)中， 每隔1 秒定時器1 產(chǎn)生一次中斷， 通過串口接收監(jiān)控平臺發(fā)來的指令信息并將飛機(jī)的兩組電源的實時電壓狀況、繼電器的狀態(tài)等信息通過無線射頻模塊發(fā)送給地面站以便地面能實時了解到飛機(jī)的供電情況。

2. 3 上位機(jī)設(shè)計

2. 3.1 無線射頻模塊

電源管理系統(tǒng)的上位機(jī)硬件方面主要由無線射頻模塊、電平轉(zhuǎn)換電路及PC 電腦組成， 大致框圖如圖1 所示。因射頻模塊將接收出來的數(shù)據(jù)是TTL電平， 再通過max 232 電平轉(zhuǎn)換將其變?yōu)?a target="_blank">RS232 電平傳送給電腦， 從而實現(xiàn)飛機(jī)和地面的通信。

該系統(tǒng)之所以能實現(xiàn)遠(yuǎn)距離監(jiān)測飛機(jī)， 主要依靠無線射頻模塊的遠(yuǎn)距離和高準(zhǔn)確度等特性。其主要特點如下所示： （ 1）長距離特性： 室內(nèi)/ 城市距離高達(dá)450 米； 室外可視范圍： 帶2.1dB 偶極天線高達(dá)11 公里， 帶高增益天線可達(dá)32 公里； 接收器靈敏度為- 110dBm.（ 2） 高級網(wǎng)絡(luò)和安全： 7 個跳頻信道， 每個信道可獲得65k 地址， 恢復(fù)和確認(rèn)機(jī)制以保證可靠分組傳輸； 支持對等網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)（ 沒有主/ 從依賴關(guān)系） ， 支持點對點、點對多和多點接入網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

由此可知， XT end OEM 無線射頻模塊在低成本無線數(shù)據(jù)通訊解決方案中提供了最遠(yuǎn)的距離。該模塊易于使用， 耗電低， 對設(shè)備間重要數(shù)據(jù)包提供了可靠的數(shù)據(jù)傳送， 體積緊湊節(jié)省寶貴的電路板空間。圖7 表示的是由XTend OEM 無線射頻模塊構(gòu)成的主機(jī)間無線連接的系統(tǒng)框圖。

圖7 主機(jī)間無線連接的系統(tǒng)框圖

2.3.2 地面監(jiān)控平臺

監(jiān)控平臺是整個設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)的重要組成部分， 監(jiān)控平臺與控制程序之間要求具有雙工通信的。一方面， 飛機(jī)平臺上控制器將飛機(jī)的實時信息利用數(shù)傳發(fā)到地面， 另一方面， 地面站將指令發(fā)給飛機(jī)以完成所需要的任務(wù)。