智能汽车系统的电源设计
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Key wo rds :intellig ent ca r system ;pow er desig n;sav e e nerg y
0 引 言
智能汽车控制系统 , 其电源通常在7 .2 V 左右 , 系 统电路对电流的需求很大 , 因此在电源的选择方面通 常会选择能够提供较大工作电流的镍镉电池 。智能汽 车各工作系统对电压电流的需求不一样 , 有的需要将 电源降压或升压 , 有的需要大功率器件 。 一个好的智 能汽车控制系统 , 要求有强大的动力 , 并且电源能够提 供一强大的电流给电机 。 就飞思卡尔智能小车而言其 后轮驱动电机正常工作时 , 要求有1 .4 A 左右的电流 , 其堵转是电流达到 2 A 以上 。 这就是说要使该智能汽 车有一个很好的表现就必须要求电源及其电源电路至 少能提供 2 A 以上的电流 。下面就以飞思卡尔智能小 车为例对智能小车的系统电源电路进行探讨和研究 。
2008 年 3 月 25 日第 25 卷第 2 期
文章编号 :1009-3664(2008)02-0063-03
Байду номын сангаас
通信电源技术
T elecom P owe r T echno lo gies
M ar .25 , 2008 , Vo l.25 No .2
设计应用
智能汽车系统的电源设计
彭建盛 , 首家辉 , 周 东 , 葛姣龙 (湖北工业大学机械工 程学院 , 湖北 武汉 430064)
收稿日期 :2007-10-17 作者简介 :彭建盛 (1979-), 男 , 广西河池 学院物理 与电子工 程 系助教 , 湖北工业大学机械工程学院 硕士研究生 , 研究 方向 :机 械电子工程 。
小车的运动 。在整个系统中 , 需要的模块有红外传感 器模块 、CCD 摄像头 、霍尔元件计数模块 、舵机电源模 块 、后轮电机驱动模块 、单片机系统电源模块等 。 其相 应的模块如图 1 所示 :
关键词 :智能汽车 ;电源设计 ;节能
中图分类号 :T P274.2
文献标识码 :A
T he Design of P ower for Intelligent Car Sy stem
P ENG Jian-sheng , S HO U Jia-hui, Z HO U Do ng , G E Jiao-lo ng (Hubei U niver sity of T echnolog y , Wuha n 430064 , China)
摘要 :对任何一个智能控制系统 , 电源永远都是一个核心的部分 。 电源 能否给系统 提供一个 稳定充足的 电压和电 流
参量 , 是评价一个电源优良与否的标准 。 而智能汽车控制系 统对电源具有特殊的要求 。 针对该系 统电源特殊 要求进行 相
关的电源系统设计及其相关元件的取舍 , 以便系统能很好地运行 。
图 2 LM2575 电路原理图
(2)CCD 图象传感器模块 。CCD 图象传感器需要 9 至 12 V 的工作电压 , 都高于电源的原始的7 .2 V 的 电压 。它需要通过专门的斩波升压电路对电源进行升 压 。 由于 M AX734 开关稳压芯片 , 其输入电压可低至 4 .75 V , 工作效率高 , 因此电路设计中选择 MA X734 开关升压电路 将摄像头 的工作 电压提 高到 +12 V 。 其电路原理图如图 3 所示 。
当把预设的电压值设置为一个较高的值时该电路 就可以放在电池充电系统中作为电池过充的警示装置 。 对于正常电压为7 .2 V 的飞思卡尔智能汽车电池组 , 其 低电压可以设置为 6 V , 其过充电压可以设置为 8 V 。
在电路设计中 , 为了尽可能的降低电源的功耗 , 其 电路中的分压电阻或一些小功率电阻 、L ED 二极管等 应尽量使用贴片元件 。 一个直径 5 mm 的 LED 二极 管其正常工作电流为 18 m A 左右 。 而贴片 L ED 二极 管的正常工作电流仅为 2 m A , 可见电路中尽可能使 用贴片元件 , 其节能效果是显而易见的 。
由于后轮驱动电机在正常工作时电流达到1 .5 A 左右 , 堵转时达 2 A 以上 , 且该电机可以工作在7 .2 V 的电压下 , 因此可以直接把电源电压接到电机驱动上 。 保证了电机需要的尽可能大的工作电流 。
图 4 脉宽调制斩波升压电路原理图
这种 P WM 脉宽调制控制的斩波升压电路 , 具有 很高的工作效率 , 加之场效应管的输出电阻极低 , 因此 具有很强的驱动负载能力 。 由于电路简单 , 也不失为 一个很好多升压方案 。
1 电源需求的总体规划
在进行系统设计之前我们应先对系统电源的需求 进行一个总体的规划 , 以飞思卡尔智能小车为例 , 进行 相应的说明 。飞思卡尔智能寻迹小车以飞思卡尔公司 16 位微控制器 M C9S12DG128B 为核 心 , 对小车进行 全程控制 , 通过采用反射式红外光电对管 T CRT 5000 , CCD 传感器 , 霍尔元件等传感器等进 行数据采集 , 并 送入单片机内进行处理 , 由微控制器发出指令来控制
电池的使用寿命 。因此最好能够为自己心爱的智能汽 车控制系统配备或设计一个理想的智能充电系统 , 即 能够在电压过充时起到警示作用 。
(2)在使用过程中 , 特别是对于镍镉电池 , 因为镍 镉电池具有记忆效应 , 对电池的不完全充电将会人为 的降低电池的电容量 。同时过度放电又会导致电池内 部结构的变化 。 造成对电池的永久性破坏 。 因此为电 源设计一个好的低电压警示电路就显得很有必要了 , 如图 6 所示 , 就是在该电源电路设计中所用到的电压 警示电路 。
图 1 智能汽车系统电源需求总 体规划框图
2 电源模块的设计
最常用的三端稳压集成电路为 78 ××系列和 79 ××系列 , 三端可调稳压集成电路有 LM 317 、LM 337 等 。 在 78 ××系列和 79 ××系列中一般 U IN 要比 U ou t 大 3 ～ 5 V , 也就是当输入电压比输出电压高 3 ～ 5 V 才能保证集成稳压器工作在线性区 。且该系列为串联 稳压集成电路 , 工作效率不够高 , 从节能方面的考虑 , 建议尽量使用开关稳压型的稳压集成电路 。 下面是智 能汽车系统的电源各供电模块的设计分析 。
(1)红外光电传感器模块 。 对于 T CRT 5000 反射 式光电传感器 , 其单个 传感器的 工作电流 大概在 15 mA 左右 。实际设计中我们总共使用了 12 个传感器 。 因此总共就有 180 m A 左右 , 不是很高 , 可以跟霍尔元 件和 CCD 的视频同步分离电路共用同一个稳压电源 。 在电路设计中该部分电路采用了大电流高效率的开关
电流 , 因此在启动瞬间会引起电压瞬时下降的现象 , 而 导致单片机控制核心的电路供电不足 , 致使系统重启而 无法进入控制状态 。因此对于智能汽车的系统电源部 分 , 要求与其他系统模块分开独立供电以避免系统重启 现象 , 保证智能控制系统安全高效的运行 。对于思卡尔 公司的 16 位微控制器 MC9S12DG128B 其正常工作电 流为 150 mA 左右 。 对于该部分电路在设计中采用高 效开关稳压集成芯片 LM1117 。 其输出电流高达 800 mA , 电流压差可以小于1 .2 V 。 在理论上也能满足系统 的要求 。 LM1117 的工作原理图如图 5 所示 。
图 5 LM1117 稳压电路原理图
图 3 CCD 电源电路原理图
另外 还可 使 用脉 宽 调制 的 斩波 升 压电 路 通过 Freescale 半导体公司的 MC9S12DG128B 单片机调制 输出合适的脉宽控制一简单的斩波升压电路使之输出 12 V 的稳压直流电源 。其电路原理图如下图 4 所示 。
(1)在充电过程中既要避免充电不满 , 又要避免过 度充电 。 充电不足 将直接影响到智能汽 车的运行时 间 , 而过度充电不仅让电池的蓄电能力下降 , 还会缩短
通 信 电 源 技 术
2008 年 3 月 25 日第 25 卷第 2 期
彭建盛 等 : 智能汽车系 统的电源设计
T elecom P ow er T echno lo gie s M ar .25, 2008 , V ol .25 N o .2
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2008 年 3 月 25 日第 25 卷第 2 期
通信电源技术
T elecom P owe r T echno lo gies
M ar .25 , 2008 , Vo l.25 No .2
稳压集成电路 LM 2575 。 LM 2575 其输入电压可以低 至6 .5 V , 工作电流高达 1 A , 理论上已经完全能满足 电路的需要 。其电路原理图如图 2 所示 。
图 6 电压检测警示电路原理图
由电压检测警示电路可知 , 使用的原件很少 , 电路 也很简单 。电路的正负两端分别接电池的正负级 。该 电路可以检测电池的低电压从而做电池充电的过压检 测电路 。 当所接的电 压低于预设的电 压值时 , LED1 灯就 会亮起来 , 起到警示的作 用 。 如图 6 , 可 调电阻 VR1 和相关电阻组成分压电路为 Q1 提供偏压使之保 持导通 , 而使得 Q2 截止 , 此时 L ED1 灯不亮 。 当电池 的电压在使用过程中降低到预设的电 压值时 , Q 1 截 止 , Q2 导通 , 此时 L ED1 灯亮 。 说明电池已使用到可 充电状态了 。在设计制作该电路过程中 , 应先准备一 个可调稳压电源 , 调到一个电池预将降低的电压值 , 然 后调节可调电阻 VR1 , 使 LED1 灯亮 。之后保持该电 阻不变再把电路接到智能汽车电源的两端即可 。 在智 能汽车使用过程中当电池电压使用到该设定的值时就 会启动电路使 LED1 灯亮 , 起到警示的作用 。
当然有些 CM OS 图象传感器需要的工作电压相 对较低 , 可以直接使用电源的7 .2 V 电压进行供电 。
(3)由于智能汽车在电机启动时于需要很大的启动 · 64 ·
3 电源电压检测警示电路设计
对于智能汽车控制系统而言 , 其电源基本为级联 的镍镉或镍氢可充电电池 。鉴于电源对整个智能控制 系统的重要性 , 其性能对于一个好的智能控制系统来 说起着至关重要的作用 , 在电池的使用过程中至少要 注意以下两点 。
Abstr act:Fo r any intelligent car sy stem , the pow er is mo stly the cor e of this system .Whether it can o ffer a steady voltage a nd the rig ht electric cur rent is the criterion of judging the po we r go od o r no t.T he intellige nt car sy stem demands a special po wer .F or this special sy stem , we need to desig n a right electro circuit to make the intellig ent car system run well.
(4)舵机和后轮电机模块 。 对于飞思卡尔组委会 提供的智能小车模型 , 其舵机的正常工作电流为 700 mA 左右 。 电压 为 6 V 。 在 设计 过 程 中 , 刚 开始 用 LM 1117-ADJ 组成调压稳压电路 , 后发现舵机工作时 会把 LM1117 三端稳压管的输出 6 V 电压拉低到了 4 V 左右 。 导致舵机不能正常工作 。 于是接着便把该舵 机的电源电路进行了调整 , 把调压电路去掉 , 只要在电 路中串接了两个大功率硅二极管 , 因为硅管的额定压 降为0 .7 V , 串接两个硅管 , 其两端压降则达1 .4 V , 因 此电源电流从硅管过来时 , 输出端的电压就被降到了 6 V 左右 , 这也就满足了舵机的电压要求 。 既提供了 稳定的电压 , 也保证了充足的电流 , 使舵机能够正常工 作 。 另外还在电源端接上了一个0 .1 μF 的小电容 , 以 去除电路中的高频杂波干扰 。
0 引 言
智能汽车控制系统 , 其电源通常在7 .2 V 左右 , 系 统电路对电流的需求很大 , 因此在电源的选择方面通 常会选择能够提供较大工作电流的镍镉电池 。智能汽 车各工作系统对电压电流的需求不一样 , 有的需要将 电源降压或升压 , 有的需要大功率器件 。 一个好的智 能汽车控制系统 , 要求有强大的动力 , 并且电源能够提 供一强大的电流给电机 。 就飞思卡尔智能小车而言其 后轮驱动电机正常工作时 , 要求有1 .4 A 左右的电流 , 其堵转是电流达到 2 A 以上 。 这就是说要使该智能汽 车有一个很好的表现就必须要求电源及其电源电路至 少能提供 2 A 以上的电流 。下面就以飞思卡尔智能小 车为例对智能小车的系统电源电路进行探讨和研究 。
2008 年 3 月 25 日第 25 卷第 2 期
文章编号 :1009-3664(2008)02-0063-03
Байду номын сангаас
通信电源技术
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M ar .25 , 2008 , Vo l.25 No .2
设计应用
智能汽车系统的电源设计
彭建盛 , 首家辉 , 周 东 , 葛姣龙 (湖北工业大学机械工 程学院 , 湖北 武汉 430064)
收稿日期 :2007-10-17 作者简介 :彭建盛 (1979-), 男 , 广西河池 学院物理 与电子工 程 系助教 , 湖北工业大学机械工程学院 硕士研究生 , 研究 方向 :机 械电子工程 。
小车的运动 。在整个系统中 , 需要的模块有红外传感 器模块 、CCD 摄像头 、霍尔元件计数模块 、舵机电源模 块 、后轮电机驱动模块 、单片机系统电源模块等 。 其相 应的模块如图 1 所示 :
关键词 :智能汽车 ;电源设计 ;节能
中图分类号 :T P274.2
文献标识码 :A
T he Design of P ower for Intelligent Car Sy stem
P ENG Jian-sheng , S HO U Jia-hui, Z HO U Do ng , G E Jiao-lo ng (Hubei U niver sity of T echnolog y , Wuha n 430064 , China)
摘要 :对任何一个智能控制系统 , 电源永远都是一个核心的部分 。 电源 能否给系统 提供一个 稳定充足的 电压和电 流
参量 , 是评价一个电源优良与否的标准 。 而智能汽车控制系 统对电源具有特殊的要求 。 针对该系 统电源特殊 要求进行 相
关的电源系统设计及其相关元件的取舍 , 以便系统能很好地运行 。
图 2 LM2575 电路原理图
(2)CCD 图象传感器模块 。CCD 图象传感器需要 9 至 12 V 的工作电压 , 都高于电源的原始的7 .2 V 的 电压 。它需要通过专门的斩波升压电路对电源进行升 压 。 由于 M AX734 开关稳压芯片 , 其输入电压可低至 4 .75 V , 工作效率高 , 因此电路设计中选择 MA X734 开关升压电路 将摄像头 的工作 电压提 高到 +12 V 。 其电路原理图如图 3 所示 。
当把预设的电压值设置为一个较高的值时该电路 就可以放在电池充电系统中作为电池过充的警示装置 。 对于正常电压为7 .2 V 的飞思卡尔智能汽车电池组 , 其 低电压可以设置为 6 V , 其过充电压可以设置为 8 V 。
在电路设计中 , 为了尽可能的降低电源的功耗 , 其 电路中的分压电阻或一些小功率电阻 、L ED 二极管等 应尽量使用贴片元件 。 一个直径 5 mm 的 LED 二极 管其正常工作电流为 18 m A 左右 。 而贴片 L ED 二极 管的正常工作电流仅为 2 m A , 可见电路中尽可能使 用贴片元件 , 其节能效果是显而易见的 。
由于后轮驱动电机在正常工作时电流达到1 .5 A 左右 , 堵转时达 2 A 以上 , 且该电机可以工作在7 .2 V 的电压下 , 因此可以直接把电源电压接到电机驱动上 。 保证了电机需要的尽可能大的工作电流 。
图 4 脉宽调制斩波升压电路原理图
这种 P WM 脉宽调制控制的斩波升压电路 , 具有 很高的工作效率 , 加之场效应管的输出电阻极低 , 因此 具有很强的驱动负载能力 。 由于电路简单 , 也不失为 一个很好多升压方案 。
1 电源需求的总体规划
在进行系统设计之前我们应先对系统电源的需求 进行一个总体的规划 , 以飞思卡尔智能小车为例 , 进行 相应的说明 。飞思卡尔智能寻迹小车以飞思卡尔公司 16 位微控制器 M C9S12DG128B 为核 心 , 对小车进行 全程控制 , 通过采用反射式红外光电对管 T CRT 5000 , CCD 传感器 , 霍尔元件等传感器等进 行数据采集 , 并 送入单片机内进行处理 , 由微控制器发出指令来控制
电池的使用寿命 。因此最好能够为自己心爱的智能汽 车控制系统配备或设计一个理想的智能充电系统 , 即 能够在电压过充时起到警示作用 。
(2)在使用过程中 , 特别是对于镍镉电池 , 因为镍 镉电池具有记忆效应 , 对电池的不完全充电将会人为 的降低电池的电容量 。同时过度放电又会导致电池内 部结构的变化 。 造成对电池的永久性破坏 。 因此为电 源设计一个好的低电压警示电路就显得很有必要了 , 如图 6 所示 , 就是在该电源电路设计中所用到的电压 警示电路 。
图 1 智能汽车系统电源需求总 体规划框图
2 电源模块的设计
最常用的三端稳压集成电路为 78 ××系列和 79 ××系列 , 三端可调稳压集成电路有 LM 317 、LM 337 等 。 在 78 ××系列和 79 ××系列中一般 U IN 要比 U ou t 大 3 ～ 5 V , 也就是当输入电压比输出电压高 3 ～ 5 V 才能保证集成稳压器工作在线性区 。且该系列为串联 稳压集成电路 , 工作效率不够高 , 从节能方面的考虑 , 建议尽量使用开关稳压型的稳压集成电路 。 下面是智 能汽车系统的电源各供电模块的设计分析 。
(1)红外光电传感器模块 。 对于 T CRT 5000 反射 式光电传感器 , 其单个 传感器的 工作电流 大概在 15 mA 左右 。实际设计中我们总共使用了 12 个传感器 。 因此总共就有 180 m A 左右 , 不是很高 , 可以跟霍尔元 件和 CCD 的视频同步分离电路共用同一个稳压电源 。 在电路设计中该部分电路采用了大电流高效率的开关
电流 , 因此在启动瞬间会引起电压瞬时下降的现象 , 而 导致单片机控制核心的电路供电不足 , 致使系统重启而 无法进入控制状态 。因此对于智能汽车的系统电源部 分 , 要求与其他系统模块分开独立供电以避免系统重启 现象 , 保证智能控制系统安全高效的运行 。对于思卡尔 公司的 16 位微控制器 MC9S12DG128B 其正常工作电 流为 150 mA 左右 。 对于该部分电路在设计中采用高 效开关稳压集成芯片 LM1117 。 其输出电流高达 800 mA , 电流压差可以小于1 .2 V 。 在理论上也能满足系统 的要求 。 LM1117 的工作原理图如图 5 所示 。
图 5 LM1117 稳压电路原理图
图 3 CCD 电源电路原理图
另外 还可 使 用脉 宽 调制 的 斩波 升 压电 路 通过 Freescale 半导体公司的 MC9S12DG128B 单片机调制 输出合适的脉宽控制一简单的斩波升压电路使之输出 12 V 的稳压直流电源 。其电路原理图如下图 4 所示 。
(1)在充电过程中既要避免充电不满 , 又要避免过 度充电 。 充电不足 将直接影响到智能汽 车的运行时 间 , 而过度充电不仅让电池的蓄电能力下降 , 还会缩短
通 信 电 源 技 术
2008 年 3 月 25 日第 25 卷第 2 期
彭建盛 等 : 智能汽车系 统的电源设计
T elecom P ow er T echno lo gie s M ar .25, 2008 , V ol .25 N o .2
· 63 ·
2008 年 3 月 25 日第 25 卷第 2 期
通信电源技术
T elecom P owe r T echno lo gies
M ar .25 , 2008 , Vo l.25 No .2
稳压集成电路 LM 2575 。 LM 2575 其输入电压可以低 至6 .5 V , 工作电流高达 1 A , 理论上已经完全能满足 电路的需要 。其电路原理图如图 2 所示 。
图 6 电压检测警示电路原理图
由电压检测警示电路可知 , 使用的原件很少 , 电路 也很简单 。电路的正负两端分别接电池的正负级 。该 电路可以检测电池的低电压从而做电池充电的过压检 测电路 。 当所接的电 压低于预设的电 压值时 , LED1 灯就 会亮起来 , 起到警示的作 用 。 如图 6 , 可 调电阻 VR1 和相关电阻组成分压电路为 Q1 提供偏压使之保 持导通 , 而使得 Q2 截止 , 此时 L ED1 灯不亮 。 当电池 的电压在使用过程中降低到预设的电 压值时 , Q 1 截 止 , Q2 导通 , 此时 L ED1 灯亮 。 说明电池已使用到可 充电状态了 。在设计制作该电路过程中 , 应先准备一 个可调稳压电源 , 调到一个电池预将降低的电压值 , 然 后调节可调电阻 VR1 , 使 LED1 灯亮 。之后保持该电 阻不变再把电路接到智能汽车电源的两端即可 。 在智 能汽车使用过程中当电池电压使用到该设定的值时就 会启动电路使 LED1 灯亮 , 起到警示的作用 。
当然有些 CM OS 图象传感器需要的工作电压相 对较低 , 可以直接使用电源的7 .2 V 电压进行供电 。
(3)由于智能汽车在电机启动时于需要很大的启动 · 64 ·
3 电源电压检测警示电路设计
对于智能汽车控制系统而言 , 其电源基本为级联 的镍镉或镍氢可充电电池 。鉴于电源对整个智能控制 系统的重要性 , 其性能对于一个好的智能控制系统来 说起着至关重要的作用 , 在电池的使用过程中至少要 注意以下两点 。
Abstr act:Fo r any intelligent car sy stem , the pow er is mo stly the cor e of this system .Whether it can o ffer a steady voltage a nd the rig ht electric cur rent is the criterion of judging the po we r go od o r no t.T he intellige nt car sy stem demands a special po wer .F or this special sy stem , we need to desig n a right electro circuit to make the intellig ent car system run well.
(4)舵机和后轮电机模块 。 对于飞思卡尔组委会 提供的智能小车模型 , 其舵机的正常工作电流为 700 mA 左右 。 电压 为 6 V 。 在 设计 过 程 中 , 刚 开始 用 LM 1117-ADJ 组成调压稳压电路 , 后发现舵机工作时 会把 LM1117 三端稳压管的输出 6 V 电压拉低到了 4 V 左右 。 导致舵机不能正常工作 。 于是接着便把该舵 机的电源电路进行了调整 , 把调压电路去掉 , 只要在电 路中串接了两个大功率硅二极管 , 因为硅管的额定压 降为0 .7 V , 串接两个硅管 , 其两端压降则达1 .4 V , 因 此电源电流从硅管过来时 , 输出端的电压就被降到了 6 V 左右 , 这也就满足了舵机的电压要求 。 既提供了 稳定的电压 , 也保证了充足的电流 , 使舵机能够正常工 作 。 另外还在电源端接上了一个0 .1 μF 的小电容 , 以 去除电路中的高频杂波干扰 。