小小放大器解决真空机器人大挑战的6种情况

在忙碌了一周之后，清洁是人们在停机期间最不想做的事情。真空机器人已经问世了大约 23 年，它变得越来越智能和自动化，让消费者能够专注于真正重要的事情。

在真空机器人中包含更多功能，例如新的拖地功能和自动除尘功能，意味着在设计可靠系统时面临更多挑战。小型放大器可以帮助快速解决许多重大挑战。以下是小型放大器解决重大挑战的 6 种方式：

挑战一：由于延迟检测失速状况而缩短电机寿命。

真空机器人车轮的力量决定了它的越障能力。为了在厚厚的地毯上行驶并爬上门槛，电机功率需要至少为 30 W 或更高。如果发生失速或过载事件，例如车轮被电线缠住，电机绕组电流将立即上升。延迟检测此类事件会导致电机过热并缩短其使用寿命。

解决方案 1：电机控制系统中的快速瞬态响应电流检测。

为了减少过热的机会，我们可以使用低侧电流感应电路来监控电机的电流；见图 1。

图 1：电机控制系统中的电流检测电路

在此应用中，用作运算放大器 (op amp) 的电机控制系统中电流检测电路的关键参数是压摆率。例如，当发生堵转事件时，绕组电流从 0.5 A 上升至 3.5 A，运算放大器的相应输出为 0.5 V 至 3.5 V（具有 50-mΩ 分流电阻器和 20-V/V 增益） . 使用压摆率为 0.5 V/µs 的运算放大器时，阶跃变化的稳定时间约为 6 µs，而使用压摆率为 15 V/µs 的 TI TLV905x 等运算放大器时，阶跃变化的稳定时间仅为 0.2 µs。因此，使用瞬态响应快 30 倍的 TLV905x 将增加控制器执行过流保护的裕度。

挑战二：充电电压不准确导致电池持续时间低。

最大化电池容量是真空机器人的一项重要设计挑战。人们期望机器人在需要再次充电之前应该能够完成一个完整的清洁周期。

使用低质量电流检测的高输出电压纹波将产生无法利用的电池容量。例如，4.2 V 时 ±3.5% 的准确度将在 250 次充电循环后将可用电池容量降低至 40%，而 4.2 V 时 ±0.5 准确度将可用电池容量保持在 85%。

解决方案 2：恒流/恒压环路中的高精度电压/电流感测。

一种常见的电池充电方式是使用分立式充电解决方案，如图 2 所示。电压和电流检测电路在控制回路中生成反馈电压和电流信号。为了实现高精度、稳定性、失调电压和温度漂移是此处使用的运算放大器的关键参数。

图 2：分立式电池充电器电路

挑战 3：由于负温度系数 (NTC) 热敏电阻错误导致电池过热。

监测电池组的温度是真空机器人的主要安全问题。与温度传感器的解决方案相比，监控电池组温度的经济高效的方法是使用 NTC 热敏电阻传感电路。温度感应不准确可能会导致电池组过热或烧坏。

解决方案 3：采用 NTC 的高精度温度传感。

检测温度的一种方法是使用电阻器和热敏电阻对电源进行分压，并将分压器输出直接连接到系统控制器内部的模数转换器 (ADC) 引脚。分压器的输出阻抗低，输出电压范围不适合ADC，因此这种方式既不高效也不准确。

图 3 使用运算放大器作为缓冲器来调节温度输出信号，为分压器提供高阻抗节点，为驱动 ADC 提供低阻抗节点，并将输出范围调节至最佳 ADC 分辨率。 运算放大器的影响参数为直流精度（偏移电压、电压漂移）和稳定性。

图 3：NTC 热敏电阻传感电路

挑战四：里程表不准确导致定位和导航系统精度低。

当真空机器人正在重建其环境时，里程表应提供用于映射的准确行进距离。里程表测量不准确会导致机器人定位和导航精度不高。

解决方案 4：强大的里程表信号增强电路。

常用的里程测量方法是使用光电解码器或霍尔效应传感器，对脉冲进行计数，获取里程信息。通常里程表安装在车轮内部，印刷电路板走线较长，更容易受到开关噪声的影响，从而导致MCU输入端口的输出信号失真。如图 4 所示的缓冲器电路可以产生没有抖动和毛刺的标准逻辑信号。

图 4：稳健逻辑输出电路的缓冲器

挑战 5：嘈杂/失真的电机驱动信号导致电机意外运行。

系统控制器通常放置在控制板的中央，而电机则安装在板的边缘。因此直接连接到MCU端口的驱动信号更容易产生噪音或失真，导致电机意外运行。

解决方案 5：电机驱动路径中的脉冲宽度调制 (PWM) 增强器电路。

这里的解决方案不是将驱动信号连接到 MCU 引脚的电路，而是添加一个运算放大器作为增强器。图 5 显示了用于有刷直流电机的分立电机驱动解决方案。控制器产生 PWM 信号，通过图腾柱场效应晶体管驱动器驱动 H 桥功率晶体管。PWM 增强器电路有助于最大程度地减少延迟并增强 PWM 信号，同时降低噪声和失真。

图 5：增强型 PWM 电路

挑战 6：真空机器人因距离检测错误而发生碰撞或跌落。

悬崖传感器用于检测楼梯的高度，而碰撞传感器用于检测真空机器人周围的障碍物。错误的距离检测会导致传感器性能不准确，导致发生碰撞或坠落事件并损坏机器人。

方案六：高精度红外输出信号调理。

红外 LED 和光电晶体管被广泛用作检测距离的低成本解决方案，如图 6 所示。距离信息与回波的幅度相关，回波由固定频率调制波携带。

图 6：红外 LED 接收器的信号调理电路

跨阻运算放大器放大电路在这里广泛使用，具有低输入偏置电流。