面臨掃地機(jī)器人設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)?這六種情況可以用小型放大器搞定!

忙碌一周后，家庭清潔工作是人們最不愿做的事情之一。迄今為止，掃地機(jī)器人已面世約23年了，隨著其智能和自動(dòng)化程度日益提高，人們可以在其工作時(shí)專注于自己的事情。

如今的掃地機(jī)器人上集成了非常多的功能，比如新的拖地功能和自動(dòng)除塵等。但對(duì)設(shè)計(jì)人員來(lái)說(shuō)，這也意味著在設(shè)計(jì)可靠的系統(tǒng)時(shí)將會(huì)面臨更多的挑戰(zhàn)。而小型放大器可以幫助其快速克服許多重大挑戰(zhàn)。下文列舉了設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)過(guò)程中會(huì)遇到的六種挑戰(zhàn)，以及小型放大器能提供的六種解決方案：

設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)1：由于失速檢測(cè)延遲，導(dǎo)致電機(jī)壽命縮短。

掃地機(jī)器人車輪的力量決定了它的越障能力。為了能夠通過(guò)厚地毯和越過(guò)門檻，其電機(jī)功率需要達(dá)到至少30W或更高。如果發(fā)生失速或過(guò)載事件，例如車輪被電線卡住，電機(jī)繞組電流將立即上升。延遲檢測(cè)到這種情況會(huì)導(dǎo)致電機(jī)過(guò)熱并縮短其壽命。

解決方案1：電機(jī)控制系統(tǒng)中的快速瞬態(tài)響應(yīng)電流感應(yīng)。

為減少過(guò)熱的可能性，可以使用低側(cè)電流感應(yīng)電路來(lái)監(jiān)控電機(jī)的電流;見(jiàn)圖1。

圖1：電機(jī)控制系統(tǒng)中的電流感應(yīng)電路

在該應(yīng)用中用作運(yùn)算放大器(op amps)電機(jī)控制系統(tǒng)中的電流感測(cè)電路的關(guān)鍵參數(shù)是壓擺率。例如，當(dāng)發(fā)生失速事件時(shí)，繞組電流會(huì)從0.5A上升到3.5A，運(yùn)算放大器的相應(yīng)輸出為0.5V至3.5V(50mΩ分流電阻和20-V/V增益)。使用壓擺率為0.5V/μs的運(yùn)算放大器時(shí)，階躍變化的安定時(shí)間約為6μs，而使用TI的TLV905x等壓擺率為15V/μs的運(yùn)算放大器，相同階躍變化的安定時(shí)間僅為0.2μs。因此，使用瞬態(tài)響應(yīng)速度提高30倍的TLV905x將增加控制器執(zhí)行過(guò)流保護(hù)的余量。

設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)2：由于充電電壓不準(zhǔn)確，導(dǎo)致電池續(xù)航時(shí)間縮短。

擴(kuò)大電池容量是掃地機(jī)器人面臨的一大重要設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。消費(fèi)者期望機(jī)器人在需要再次充電前，能夠完成一個(gè)完整的清潔周期。

使用低質(zhì)量電流感測(cè)的高輸出電壓紋波將產(chǎn)生無(wú)法使用的電池容量。例如，如果4.2V時(shí)的電池精度為±3.5%，經(jīng)過(guò)250次充電循環(huán)后會(huì)將可用電池容量降低至40%，而如果4.2V時(shí)的電池精度為±0.5，則會(huì)使可用電池容量保持在85%。

解決方案2：恒流/恒壓回路中的高精度電壓/電流感應(yīng)。

對(duì)電池充電的一種常見(jiàn)方法是使用如圖2所示的分立充電解決方案。電壓和電流感應(yīng)電路在控制回路中產(chǎn)生反饋電壓和電流信號(hào)。為了實(shí)現(xiàn)高精度和穩(wěn)定性，偏移電壓和溫度漂移是此處所用運(yùn)算放大器的兩大關(guān)鍵參數(shù)。

圖2：分立電池充電器電路

設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)3：由于負(fù)溫度系數(shù)(NTC)熱敏電阻錯(cuò)誤，導(dǎo)致電池過(guò)熱。

監(jiān)控電池組的溫度是掃地機(jī)器人的一大主要安全問(wèn)題。與溫度傳感器的解決方案相比，監(jiān)控電池組溫度的具有成本效益的方法是使用NTC熱敏電阻感測(cè)電路。溫度感測(cè)不準(zhǔn)可能導(dǎo)致電池組過(guò)熱或燒壞。

解決方案3：使用NTC進(jìn)行高精度溫度測(cè)量。

測(cè)量溫度的一種方法是使用電阻和熱敏電阻來(lái)分配電源，并將分壓器輸出直接連接到系統(tǒng)控制器內(nèi)部的模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)引腳。分壓器的輸出阻抗很低，輸出電壓范圍對(duì)ADC來(lái)說(shuō)并不理想，因此這種方式效率不高，且測(cè)量結(jié)果不準(zhǔn)確。

圖3使用運(yùn)算放大器作為調(diào)節(jié)溫度輸出信號(hào)的緩沖器，為分壓器和低阻抗節(jié)點(diǎn)提供高阻抗節(jié)點(diǎn)以驅(qū)動(dòng)ADC，并將輸出范圍調(diào)節(jié)至最佳ADC分辨率。運(yùn)算放大器的影響參數(shù)包括直流精度(偏移電壓、電壓漂移)和穩(wěn)定性。

圖3：NIC熱敏電阻感測(cè)電路

設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)4：由于里程計(jì)測(cè)量不準(zhǔn)，導(dǎo)致定位和導(dǎo)航系統(tǒng)精度較低。

當(dāng)掃地機(jī)器人構(gòu)建環(huán)境地圖時(shí)，里程計(jì)應(yīng)提供用于繪圖的準(zhǔn)確行進(jìn)距離。里程計(jì)測(cè)量不準(zhǔn)將導(dǎo)致機(jī)器人的定位和導(dǎo)航精度較低。

解決方案4：可用穩(wěn)健的里程計(jì)信號(hào)增強(qiáng)電路。

測(cè)量里程的常用方法是使用光電解碼器或霍爾效應(yīng)傳感器并對(duì)脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)，以獲得里程信息。通常來(lái)講，里程計(jì)安裝在車輪內(nèi)部，因此印刷電路板走線很長(zhǎng)，更容易受到開(kāi)關(guān)噪聲的影響，從而導(dǎo)致輸出信號(hào)在MCU的輸入端口失真。如圖4所示的緩沖電路可產(chǎn)生無(wú)抖動(dòng)和失靈的標(biāo)準(zhǔn)邏輯信號(hào)。

圖4：用于穩(wěn)健邏輯輸出電路的緩沖器

設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)5：嘈雜/失真的電機(jī)驅(qū)動(dòng)信號(hào)會(huì)導(dǎo)致電機(jī)意外運(yùn)行。

系統(tǒng)控制器通常位于控制板的中心，而電機(jī)安裝在電路板的邊緣。因此，直接連接到MCU端口的驅(qū)動(dòng)信號(hào)更容易產(chǎn)生噪聲或失真，導(dǎo)致電機(jī)意外運(yùn)行。

解決方案5：電機(jī)驅(qū)動(dòng)路徑中的脈寬調(diào)制(PWM)增強(qiáng)器電路。

此處的解決方案是加裝一個(gè)用作增強(qiáng)器的運(yùn)算放大器，而不是將驅(qū)動(dòng)信號(hào)與MCU引腳連接的電路。圖5所示為用于有刷直流電機(jī)的分立電機(jī)驅(qū)動(dòng)解決方案?？刂破魍ㄟ^(guò)圖騰柱場(chǎng)效應(yīng)晶體管驅(qū)動(dòng)器產(chǎn)生PWM信號(hào)，以驅(qū)動(dòng)H橋功率晶體管。PWM增強(qiáng)器電路有助于最大限度地減少延遲并增強(qiáng)PWM信號(hào)，同時(shí)降低噪聲和失真。

圖5：增強(qiáng)型PWM電路

設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)6：由于掃地機(jī)器人距離檢測(cè)出錯(cuò)，導(dǎo)致碰撞或跌落事故。

防跌落傳感器用于檢測(cè)樓梯的高度，而碰撞傳感器用于檢測(cè)掃地機(jī)器人周圍的障礙物。距離檢測(cè)出錯(cuò)時(shí)，會(huì)導(dǎo)致傳感器性能不準(zhǔn)，從而發(fā)生碰撞或跌落事件，并導(dǎo)致機(jī)器人損壞。

解決方案6：高精度紅外輸出信號(hào)調(diào)節(jié)。

如圖6所示，紅外LED和光電晶體管被廣泛用作檢測(cè)距離的低成本解決方案。距離信息與固定頻率調(diào)制波所攜帶回波的幅度相關(guān)。

圖6：紅外LED接收器的信號(hào)調(diào)節(jié)電路

具有低輸入偏置電流的互阻抗運(yùn)算放大器電路在此處被廣泛使用。參考電路如SBOA268A所示。

TI的TLV906x、TLV905x和TLV900x通用放大器非常適用于上述的六種情況，設(shè)計(jì)人員可以利用其縮短產(chǎn)品上市時(shí)間，并克服常見(jiàn)的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。