智能掃地機器人的保護解決方案

自從美國 iRobot 在 2002 年推出全球第一款掃地機器人之后，掃地機器人開始風靡全球。由于家庭清潔是智能掃地機器人獨自完成的，對于智能掃地機器人的生產(chǎn)廠家來說，除了產(chǎn)品的智能化，產(chǎn)品的可靠質(zhì)量對于消費者而言更加重要。本文重點討論智能掃地機器人的保護解決方案。

　　近些年隨著計算機技術(shù)、人工智能技術(shù)、傳感技術(shù)以及移動機器人技術(shù)的發(fā)展，很多智能系統(tǒng)開始運用到小家電中，其中有代表性的就是智能掃地機器人。自從美國 iRobot 在 2002 年推出全球第一款掃地機器人之后，掃地機器人開始風靡全球，全球包括中國的消費者都可以在打掃家庭衛(wèi)生時享受到智能掃地機器人帶給我們的愉悅輕松感。由于家庭清潔是智能掃地機器人獨自完成的，在打掃衛(wèi)生時可能并沒有人來看管這些智能掃地機器人，碰到故障時機器人要能及時保護，同時在故障排除后能恢復正常工作。所以對于智能掃地機器人的生產(chǎn)廠家來說，產(chǎn)品的智能化固然重要，但是質(zhì)量可靠的產(chǎn)品對于消費者而言更加重要。本文重點討論智能掃地機器人的保護解決方案。

　　一、TE connectivity 公司 PolySwitch 系列產(chǎn)品介紹

　　TE connectivity 是全球最大的無源器件專業(yè)提供商，同時也是全球最大的電路保護器件專業(yè)供應(yīng)商，它是高分子材料正溫度系數(shù)電阻的發(fā)明者，其過流過壓保護器件廣泛應(yīng)用于消費電子、IT、通信、工業(yè)、汽車等多個領(lǐng)域。

　　在過流保護方面，泰科電子提供 PolySwith 自恢復元件，在過壓保護方面，泰科電子提供 GDT 氣體放電管和 PESD/SESD 靜電保護元件，此外，泰科電子還提供綜合保護元件 2Pro 和 PolyZEN，MHP，RTP 等眾多產(chǎn)品。

　　TE connectivity 有眾多的 PolySwitch 型號可供用戶選擇，比如 Radial-leaded、Surface-mount和 LVR 系列可復位電路保護元件，它們是專門用于防止商用和家用電器中使用的馬達和變壓器因過載、過熱、堵轉(zhuǎn)、零線故障和其它潛在因素導致的損壞的器件，以及電池上專用的Strap 封裝可復位電路保護元件等。

　　TE connectivity 公司 Radial-leaded、Surface-mount 和 LVR系列產(chǎn)品包括了多種額定值為 16VDC，24VDC，30VDC，72VDC 乃至 110VAC 和 240VAC線電壓等級產(chǎn)品，這些產(chǎn)品阻抗低、動作時間快、體積小并具備可復位功能，有助于電路設(shè)計者推出安全和可靠性良好的產(chǎn)品，并且減少了保修期內(nèi)的修理費用。

　　與一次性使用的保險絲不同，PolySwitch 元件無需在發(fā)生故障后進行更換。在過電流狀況排除以及供電斷開后，電路將恢復至正常的運行條件。與雙金屬型斷路器產(chǎn)品相比，PolySwitch具有更高的靈活性、更長的使用期限以及更低的電磁干擾(EMI)。

　　二、智能掃地機器人介紹

　　智能掃地機器人利用了超聲波測距的原理，通過向前進方向發(fā)射超聲波脈沖，并接受相應(yīng)的返回聲波脈沖，對障礙物進行判斷，通過 MCU 或者 DSP 為核心的控制器實現(xiàn)對超聲發(fā)射和接受的控制，并在處理返回脈沖信號的基礎(chǔ)上加以判斷，從而選出一個優(yōu)化的路徑，通過驅(qū)動器驅(qū)動兩個步進馬達，帶動驅(qū)動輪而實現(xiàn)行走功能。同時，由其自身攜帶的吸塵部件，對經(jīng)過的地面進行吸塵清掃。

　　通常智能掃地機器人由移動機構(gòu)、感知系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、清掃系統(tǒng)以及電源系統(tǒng)五部分構(gòu)成的復雜系統(tǒng)，移動機構(gòu)是智能掃地機器人的主體，它決定了機器人的運動空間，家庭用的掃地機器人一般采用輪式機構(gòu)。感知系統(tǒng)一般采用超聲波傳感器、接觸和接近傳感器、紅外線傳感器等來感知外部錯綜復雜的環(huán)境信息?？刂葡到y(tǒng)是通過以上各種傳感器的使用，得到機器人控制所需要的各種信號，這些信號被送到控制器，由控制器進行存儲、運算、處理，然后發(fā)出相應(yīng)命令通過執(zhí)行機構(gòu)使智能掃地機器人的機械本體完成規(guī)定動作。清掃系統(tǒng)一般有主地刷、邊刷和吸塵器，主地刷和邊刷用于強力清掃地板上的吸附物，吸塵器吸取地板上較小的物體。電源系統(tǒng)是指智能掃地機器人的供電方式，由于掃地機器人是以自主方式工作的，因而所用的電源為采用隨機身攜帶的蓄電池，這樣不但可實現(xiàn)無人控制，而且工作時較靈活，一次充電可以連續(xù)工作幾個小時。

　　

　　圖1 智能掃地機器人的原理框圖

三、PolySwitch 元件選型的一般流程

　　下面首先介紹一下 PolySwitch 選型的一般流程。

　　首先確認 PolySwitch 的阻值上限 R1max。下圖 2 為 PolySwitch 阻值上限 R1max 的計算流程。



　　其次確認 PolySwitch 阻值下限 Rmin。下圖 3 為 PolySwitch 阻值下限 Rmin 的計算流程。



　　四、智能掃地機器人馬達堵轉(zhuǎn)保護

　　本文主要討論智能掃地機器人的馬達堵轉(zhuǎn)保護解決方案，由于在使用地面清潔功能時，由于地面物品的不可預測性，比如地面上有一些異物，比如頭發(fā)以及線繩等，掃地機器人在行走的過程中往往會被這些異物纏住而發(fā)生馬達堵轉(zhuǎn)。馬達堵轉(zhuǎn)是指異物將馬達軸承固定不使其轉(zhuǎn)動，這時電壓還加在馬達的兩端，這時候的電流就是堵轉(zhuǎn)電流，一般的馬達設(shè)計時都是不允許發(fā)生堵轉(zhuǎn)的，因為馬達發(fā)生堵轉(zhuǎn)之后馬達線圈的溫度會急劇上升，溫度超過線圈的最高溫度之后，時間稍長就會燒壞馬達，這即增加了消費者的不便，也增加了生產(chǎn)者的維修成本。所以在智能掃地機器人中增加馬達保護裝置是必不可少的，而且是在堵轉(zhuǎn)消除后能自動恢復的保護方案，基于以上原因，TE connectivity 公司的可恢復電阻 PolySwitch 是一個較完善的方案。

　　關(guān)于馬達的堵轉(zhuǎn)保護，在 IEC/EN60950 信息技術(shù)設(shè)備的安全性一般要求 5.3.2 子條款里面，就有關(guān)于馬達保護的描述。在 UL1017 真空吸塵機、鼓風機及家用地板清潔類產(chǎn)品的安規(guī)要求里，子條款 4.8.3.1 也有馬達過載保護的詳細描述，另外在 EN 60335-1 家用電器及類似電器的安全一般性要求里，也有類似的保護描述。

　　智能掃地機器人有左右二個行走輪，每個輪子都裝有馬達和光電傳感器，他們接受控制系統(tǒng)的控制信號，并反饋給控制系統(tǒng)運動信息。智能掃地機器人的清掃系統(tǒng)部分，包括主地刷馬達驅(qū)動的主地刷清掃裝置，以及邊刷馬達驅(qū)動的邊刷清掃裝置，以及一個吸塵裝置。這樣在智能掃地機器人里分別會有兩個驅(qū)動輪馬達、一個主地刷馬達、一個邊刷馬達以及一個吸塵馬達共 5 個馬達。

　下面以某智能掃地機器人的行走輪為例來分析馬達的堵轉(zhuǎn)保護問題。

　　設(shè)計時要求如下：行走輪馬達的最大工作電流為 0.3A，掃地機器人的 PCB 周圍環(huán)境最低溫度為 10C，最高溫度為 50C，充電電池的最高電壓為 22.5V，客戶需要表面貼裝的保護元件來保護馬達，馬達的保護時間要在 10S 以內(nèi)。

　　首先可以考慮 TE connectivity 公司的 miniSMDC050F PolySwitch 元件，參考該公司的產(chǎn)品說明書，它可以承受的最大電壓為 24V，它在 50C 溫度下能 hold 的電流為 0.43A，完全可以滿足 50C 最高溫度下 0.3A 電流承受的要求。

　　然后在 10C 環(huán)境溫度下測試馬達在堵轉(zhuǎn)情況下的保護時間，看能否滿足 10S 的要求。選取電阻為 Rmin 的 miniSMDC050 元件，圖 4 為行走輪馬達的堵轉(zhuǎn)保護實測波形，從圖中可以看出，它的堵轉(zhuǎn)保護時間為 3.0S，遠遠小于客戶要求的 10S 要求，所以 miniSMDC050F能完全滿足智能掃地機器人行走輪馬達的保護。

　

　　圖4 行走輪馬達的堵轉(zhuǎn)保護實測波形

　　同理也可以選取出各自的表面貼裝 PolySwitch 元件來保護主地刷馬達和邊刷馬達。但是對于吸塵馬達，由于它的工作電流較大，最大為 2.9A，而且 PolySwitch 元件的最大電壓要超過 22.5V，這樣從 Surface-mount 封裝的 PolySwitch 里不能選出合適的產(chǎn)品來滿足在 50C 溫度下能維持 2.9A 電流。這樣可以從 TE connectivity 公司的 Radial-leaded 系列里挑選合適的PolySwitch。可以首先選取 RUEF400，它在 50C 環(huán)境溫度下 hold 電流能力為 3.08A，它的最高電壓為 30V，然后就挑選 Rmin 的 RUEF400 測試在 10C 溫度下的堵轉(zhuǎn)保護時間。圖5為吸塵馬達的堵轉(zhuǎn)保護實測波形，從圖中可以看出，它的堵轉(zhuǎn)保護時間為 6.0S，小于客戶要求的 10S 要求，所以 RUEF400 能完全滿足智能掃地機器人吸塵馬達的堵轉(zhuǎn)保護。

　　

　　圖5 吸塵馬達的堵轉(zhuǎn)保護實測波形

　五、智能掃地機器人電源充電端口保護和充電電池保護

　　智能掃地機器人可以在家中沒人的情況下，按照最優(yōu)化的清潔路徑自行進行全面的清掃，當它沒有電的時候，還可以自動回到充電樁去充電?？梢娭悄軖叩貦C器人的自動充電功能非常實用。由于充電端口是裸露在外部，要防止一切的外部短路等故障，就需要 TE connectivity公司的 PolySwitch 自恢復元件來實現(xiàn)充電端口的保護，一旦 PolySwitch 元件檢測到有外部短路等故障，它就可以切斷電源，等到外部故障排除，PolySwitch 又可以恢復到原有的阻值來幫助系統(tǒng)重新正常工作。圖 6 是智能掃地機器人充電端口的電路原理示意圖，由于PolySwitch 是放置在交流變壓器的后端，故不必采用 TE connectivity 公司 LVR 系列自恢復元件，只需要用 Radial-leaded 系列自恢復元件。根據(jù)智能掃地機器人的實際工作電流和環(huán)境溫度的考量，最后選擇 RUEF400 可以滿足要求。

　　

　　圖6 智能掃地機器人充電端口電路示意圖

　　智能掃地機器人都是采用機載可充電電池作為直流電源，如鎳氫電池、鋰離子電池和聚合物電池等，這些電池都需要保護，TE connectivity 公司 PolySwitch 元件可以實現(xiàn)電池的二次保護。這些保護包括過電流保護功能和過充電保護功能等，過電流保護功能指大電流異常充放電情況下 PolySwitch 元件產(chǎn)生保護動作，達到電池安全防護功能。過充電保護功能指通過合適的 PolySwitch 元件安裝在電池組內(nèi)感觸電芯溫度，以實現(xiàn)電池過充電保護功能。

　　六、結(jié)束語

　　伴隨著智能掃地機器人的普及，安全可靠性是設(shè)計工程師不能回避的課題，本文針對智能掃地機器人中出現(xiàn)的馬達堵轉(zhuǎn)保護，電源充電端口保護以及充電電池的保護問題，TEconnectivity 公司有范圍廣泛的創(chuàng)新保護器件，提出了一整套完整的應(yīng)用解決方案。經(jīng)過試驗驗證，TE connectivity 公司的 PolySwitch 自恢復元件，能完全解決智能掃地機器人中的馬達堵轉(zhuǎn)保護，電源充電端口保護以及充電電池的保護問題。