如今的掃地機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。但對設計人員來(lái)說(shuō)，這也意味著(zhù)在設計可靠的系統時(shí)將會(huì )面臨更多的挑戰。而小型放大器可以幫助其快速克服許多重大挑戰。下文列舉了設計人員在設計過(guò)程中會(huì )遇到的六種挑戰，以及小型放大器能提供的六種解決方案：

 

設計挑戰1：由于失速檢測延遲，導致電機壽命縮短。

 

掃地機器人車(chē)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(mén)檻，其電機功率需要達到至少30W或更高。如果發(fā)生失速或過(guò)載事件，例如車(chē)輪被電線(xiàn)卡住，電機繞組電流將立即上升。延遲檢測到這種情況會(huì )導致電機過(guò)熱并縮短其壽命。

 

解決方案1：電機控制系統中的快速瞬態(tài)響應電流感應。

 

為減少過(guò)熱的可能性，可以使用低側電流感應電路來(lái)監控電機的電流；見(jiàn)圖1。

 

圖1：電機控制系統中的電流感應電路

 

在該應用中用作運算放大器（op amps）電機控制系統中的電流感測電路的關(guān)鍵參數是壓擺率。例如，當發(fā)生失速事件時(shí)，繞組電流會(huì )從0.5 A上升到3.5 A，運算放大器的相應輸出為0.5 V至3.5 V（50mΩ分流電阻和20-V/V增益）。使用壓擺率為0.5 V/μs的運算放大器時(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15 V/μs的運算放大器，相同階躍變化的安定時(shí)間僅為0.2μs。因此，使用瞬態(tài)響應速度提高30倍的 TLV905x 將增加控制器執行過(guò)流保護的余量。

 

設計挑戰2：由于充電電壓不準確，導致電池續航時(shí)間縮短。

 

擴大電池容量是掃地機器人面臨的一大重要設計挑戰。消費者期望機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4.2 V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4.2 V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。

 

對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。電壓和電流感應電路在控制回路中產(chǎn)生反饋電壓和電流信號。為了實(shí)現高精度和穩定性，偏移電壓和溫度漂移是此處所用運算放大器的兩大關(guān)鍵參數。

 

圖2：分立電池充電器電路

 

設計挑戰3：由于負溫度系數（NTC）熱敏電阻錯誤，導致電池過(guò)熱。

 

監控電池組的溫度是掃地機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熱敏電阻感測電路。溫度感測不準可能導致電池組過(guò)熱或燒壞。

 

解決方案3：使用NTC進(jìn)行高精度溫度測量。

 

測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控制器內部的模數轉換器（ADC）引腳。分壓器的輸出阻抗很低，輸出電壓范圍對ADC來(lái)說(shuō)并不理想，因此這種方式效率不高，且測量結果不準確。

 

圖3使用運算放大器作為調節溫度輸出信號的緩沖器，為分壓器和低阻抗節點(diǎn)提供高阻抗節點(diǎn)以驅動(dòng)ADC，并將輸出范圍調節至最佳ADC分辨率。運算放大器的影響參數包括直流精度（偏移電壓、電壓漂移）和穩定性。

 

圖3：NIC熱敏電阻感測電路

 

設計挑戰4：由于里程計測量不準，導致定位和導航系統精度較低。

 

當掃地機器人構建環(huán)境地圖時(shí)，里程計應提供用于繪圖的準確行進(jìn)距離。里程計測量不準將導致機器人的定位和導航精度較低。

 

解決方案4：可用穩健的里程計信號增強電路。

 

測量里程的常用方法是使用光電解碼器或霍爾效應傳感器并對脈沖進(jìn)行計數，以獲得里程信息。通常來(lái)講，里程計安裝在車(chē)輪內部，因此印刷電路板走線(xiàn)很長(cháng)，更容易受到開(kāi)關(guān)噪聲的影響，從而導致輸出信號在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)和失靈的標準邏輯信號。

 

圖4：用于穩健邏輯輸出電路的緩沖器

 

設計挑戰5：嘈雜/失真的電機驅動(dòng)信號會(huì )導致電機意外運行。

 

系統控制器通常位于控制板的中心，而電機安裝在電路板的邊緣。因此，直接連接到MCU端口的驅動(dòng)信號更容易產(chǎn)生噪聲或失真，導致電機意外運行。

 

解決方案5：電機驅動(dòng)路徑中的脈寬調制（PWM）增強器電路。

 

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

 

圖5：增強型PWM電路

 

設計挑戰6：由于掃地機器人距離檢測出錯，導致碰撞或跌落事故。

 

防跌落傳感器用于檢測樓梯的高度，而碰撞傳感器用于檢測掃地機器人周?chē)恼系K物。距離檢測出錯時(shí)，會(huì )導致傳感器性能不準，從而發(fā)生碰撞或跌落事件，并導致機器人損壞。

 

解決方案6：高精度紅外輸出信號調節。

 

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

 

圖6：紅外LED接收器的信號調節電路

 

具有低輸入偏置電流的互阻抗運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，設計人員可以利用其縮短產(chǎn)品上市時(shí)間，并克服常見(jiàn)的設計挑戰。

 

 

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