基于AVR的電源管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

0 引言

當(dāng)今， 由于在民用及國(guó)防等諸多領(lǐng)域中的廣泛應(yīng)用， 空中機(jī)器人技術(shù)已經(jīng)越來(lái)越被人們所重視， 并吸引了各國(guó)專(zhuān)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(shí)現(xiàn)自主飛行。而為了提高飛機(jī)的安全性， 需要設(shè)計(jì)一套設(shè)備監(jiān)測(cè)系統(tǒng)， 實(shí)時(shí)的監(jiān)測(cè)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(tái)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(jì)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(wú)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(diǎn)， 與鎳鎘電池、鎳氫電池不太一樣的是必須考慮充電、放電時(shí)的安全性，以防止特性劣化。因此在系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中， 為了保護(hù)鋰電池的安全， 設(shè)計(jì)了一套欠壓保護(hù)電路， 以防止電源管理系統(tǒng)因過(guò)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(wú)人機(jī)電源管理系統(tǒng)是飛機(jī)實(shí)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(hào)發(fā)電機(jī)將動(dòng)能轉(zhuǎn)換為220V 交流電， 再經(jīng)過(guò)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(guò)檢測(cè)兩節(jié)鋰電池的電壓大小從而控制繼電器開(kāi)關(guān)來(lái)對(duì)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(guò)無(wú)線傳輸設(shè)備將該數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸給地面。地面監(jiān)控平臺(tái)還可以發(fā)送一些指令給mega16l, 通過(guò)控制繼電器開(kāi)關(guān)來(lái)控制電池充放電， 從而實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)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(shí)電壓為8?? 4V.電池的荷電量與整個(gè)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(shí)能實(shí)時(shí)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(shí)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(guò)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(guò)欠壓保護(hù)模塊和穩(wěn)壓模塊。為了預(yù)測(cè)電源系統(tǒng)中剩余的電量， 這里采用檢測(cè)電源系統(tǒng)電壓的方法， 在測(cè)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(kù)， 就能估計(jì)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(jì)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(cè)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(guò)2.5V.控制器測(cè)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(shí)時(shí)電壓。時(shí)刻監(jiān)測(cè)鋰電池的用電情況， 防止電池過(guò)用現(xiàn)象出現(xiàn)， 就能達(dá)到有效使用電池容量和延長(zhǎng)壽命的目的。

圖2 基準(zhǔn)電壓電路

2.1 硬件設(shè)計(jì)

2.1.1 直流無(wú)刷電機(jī)電路

無(wú)刷直流電機(jī)是由電動(dòng)機(jī)主體和驅(qū)動(dòng)器組成， 是一種典型的機(jī)電一體化產(chǎn)品。直流無(wú)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(gè)換向電路， 直流無(wú)刷電動(dòng)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(lì)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(wú)刷電機(jī)AC-DC 電路