1、差速AGV无刷直流电机驱动器的硬件电路设计方案设计与制作项目名称：差速AGV无刷直流电机硬件电路摘要 本设计硬件主要采用单片机STM32F103ZET6、开关电源芯片XL1509、稳压器TL431、AMS1117、驱动芯片IR2101、电流检测芯片ACS712、保护器AOD4185、BTS640和双继电器；外部器件采用2台无刷直流电机、磁导航传感器、霍尔摇杆、显示屏、蓄电池及小车支架，由Altium Designer软件设计原理图及参数、PCB走线及布局；利用芯片采集磁导航传感器或霍尔摇杆的信号位置点，经芯片处理输出一定占空比的6路PWM，再经驱动模块驱动2台无刷电机的运转，实现差速AGV无刷
2、直流电机的运作，从而实现AGV小车前进、后退、转弯等运动。其硬件电路具有功耗低、抗干扰能力强、可靠性高、过流过压及充放电等保护的优势，非常适用于工厂运输、巡航操作等方面。 关键词: STM32F103ZET6，PWM，无刷直流电机，AGVAbstractThe hardware design mainly adopts single-chip microcomputer STM32F103ZET6, switching power supply chip XL1509, TL431, AMS1117, voltage regulator driver chip IR2101 and curre
3、nt detection chip ACS712, AOD4185, BTS640 and double protection relay; the external device adopts 2 brushless DC motor, magnetic navigation sensor, Holzer rocker, display, battery and car frame, by Altium Designer the software design principle diagram and parameters, PCB routing and layout; using th
4、e signal point acquisition chip magnetic navigation sensor or Holzer rocker, the chip processing output a certain duty cycle of 6 PWM, the driver module drives 2 brushless motor to achieve differential AGV brushless DC motor of the operation. In order to achieve the AGV car forward, backward, turnin
5、g motion. The hardware circuit has the advantages of low power consumption, strong anti-interference ability, high reliability, over flow voltage and charge and discharge protectionKey words: STM32F103ZET6, PWM, brushless DC motor, AGV1 前言1.1 选题背景 AGV是一种基于芯片处理多种功能来实现路程规划及作业要求，它以蓄电池/锂电池为动力能量供给，以某一传感器
6、（磁导航/视觉导航）的方式自动导航，实现取货、送货、充电及入库等一系列任务且功能类似于工厂叉车的无人驾驶自动化车辆，其技术从20世纪初的欧美开始，一直不断更新与发展，到如今已越来越多样化、新型化、实用化、功能化，但是在国内其发展起步较晚，而且如今工业对其所适用的环境、工序、功能、操作等技术要求较高，特别是差速AGV与其对应的模糊算法应用更为广泛，市场对其有着很大的需求量，另外，近年来无刷直流电机替代有刷直流电机的应用兴起，适用性、效率性、损耗性别具一格。因此，本次设计是基于研究性和探讨性为目的对差速AGV无刷直流电机驱动器硬件电路进行设计。1.2 相关研究现状及前景目前，在欧美、日韩等工业发达
7、国家，其AGV的技术运用已相当成熟，他们采用先进的芯片处理、高端的算法控制系统及精密的机械结构，来制造运输量更快，更大，功能更强，稳定性和控制可靠性更高的运输车。其不仅应用于仓储领域及企业生产领域，而且应用于柔性加工生产系统及其他更为复杂的系统领域，并在不断更新研究高难度、高精密、高效率等的新型AGV技术。在国内，AGV发展始于“863”计划，起步较晚，应用技术开发及其系统技术等相对落后，但是我国在这方面大量投入，不断研究和发展，相信能很快赶上欧美的脚步。另外，市场对AGV的需求量特别大，是向全自动化转型的重要技术。1.3 内容章节概述本文主要从功能与结构概述、电路参数设计、PCB布局设计、焊
8、接与调试四个方面阐述“差速AGV无刷直流电机驱动器硬件电路设计”。其中功能与结构概述包括主要结构概述、AGV控制器功能概述、系统结构总框图、系统框图原理概述；电路参数设计主要介绍本次设计的AGV器件概述、主控模块、内部供电模块、外部供电模块、总电源输入模块、电机驱动模块、输出接口模块、扩展模块；PCB布局设计主要介绍总体结构布局、总电源走线、信号走线、散热处理；焊接与调试主要介绍焊接步骤、调试所需工具、调试方法、数据记录、数据分析；实现以电池为动力，无人驾驶自动导航，能完成前进、后退、转弯等基本运动的AGV运输车中的“差速AGV无刷直流电机驱动器硬件电路设计”。2 功能与结构概述2.1 差速A
9、GV外部机械结构概述本次设计的差速AGV运输车外部机械结构及布局是：以120*90cm的手推车作为基本机械支架；以2台直流电机作为动力输出（位置在负重轮与万向轮之间），通过动力传输链条连接负重轮（后部）；以2个负重轮的运转差速及2个万向轮（前部）作为运行方向控制；以24V蓄电池作为动力；以差速AGV驱动控制器进行运动控制。其控制是：芯片通过检测2台电机霍尔的位置及磁条信号参数，经算法处理对应输出2*3路一定占空比的PWM，驱动2台无刷直流电机同速/差速运转，从而实现差速AGV的运行。因此，本篇论本主要讲述差速AGV驱动控制器的硬件设计。2.2 差速AGV功能概述 1.芯片处理功能：控制器的主控
10、芯片采用STM32F103ZET6单片机，内核是ARM 32位的Cortex-M3 CPU，具有12位模数转换器，112个快速I/O端口，13个通信接口，具有2个16位带死区控制和紧急刹车及用于电机控制的PWM高级控制定时器，以及6路互补高精度PWM驱动输出，可用于驱动无刷直流电机的运行。2.触屏显示功能：控制器的显示屏选用5寸电容触摸屏，竖屏显示，可编程显示 AGV各功能模块的运行状态、参数设置等，增强人机互动效果。3.自动寻轨导航功能：控制器的磁导航传感器选用CNS-MGS-16，其分辨率为16点，数据通过CAN通信输出至主控芯片。内部控制板由STM32F103、PNI磁传感器阵列及PNI
11、 磁传感器驱动芯片等电路及电源通讯和并行接口组成。磁传感器将小车轨迹的磁信号（50mm磁轨控制器可自动识别）转化为可读数字信号，经内部MCU处理后（-16+16），将信息通过CAN电路将信息传至总线上。主控芯片通过CAN通信读取传感器位置信息，并计算处理，对小车的运动控制进行调节，实现自动寻轨导航功能。4. 手动控制功能：控制器的手动控制采用霍尔操纵杆，可对运动的方向进行调控（前进、后退、左右）以及运动的速度进行自由调节。5. 输入/输出保护功能： 对于控制器的信号输入/输出都采用了过压（32V）和过流保护，对于控制器的电源充放电采用了防反接和过流（20A）保护，对于控制器大功率输出采用了短路
12、保护。6. 电池组充放电检测及电量显示功能：主控芯片通过对蓄电池电路定期采集电池组的电压，通过5寸电容屏将电池组电量显示出来，并且当电池组电压低于一定值时做一定报警提示。当充电接口接上时检测是否需要充电以及是否充满，若不需要充电或已经充满电将断开充电电路。即当电池组电量不足时（20V），主控芯片打开充电继电器，当电池组充满后(28V)，主控芯片断开充电继电器 。7. 扩展功能：四路继电器输出：主控芯片可控制四路继电器输出，可带四路100W电机。超声波避障：手动控制/自动导航在行走/入库时，超声波避障可以进行避障警示。扩展接口：有多个IO、AD、DA及CAN通信口用于扩展功能。2.3 差速AGV
13、系统结构总框图 如图2-3-1可见，差速AGV驱动控制器总框图：图2-3-1 AGV驱动控制器总框图如图2-3-2可见，磁导航传感器内部结构图：图2-3-2磁导航传感器结构框图2.4 差速AGV系统原理概述 差速AGV驱动控制器的运作原理如下：自动模式下，通过磁导航传感器PIN阵列感应铺设磁条所在位置磁场的强度变化，确定实际位置和方向，芯片以CAN通信的方式采集数据；手动模式下，通过检测霍尔摇杆X-Y轴方向线性电压值的变化，确定运动方向和速度，并以AD方式采集数据；采集数据后经算法处理及检测电机霍尔的位置输出一定占空比的2*3路互补高精度PWM给IR2101驱动芯片电路处理，进而再驱动三相半桥
14、MOS管电路，从而驱动2个电机差速/同速运转。三相半桥电路中，上桥采用高边功率集成保护器件，当过流/短路时，自动断开保护，具有自动恢复功能；下桥采用ACS712电流霍尔，通过AD采集方式计算电流以及通过电压比较器进行过流刹车保护；电源总电流和总电压采用AD检测方式对总电流/电压保护，供电部分采用开关型芯片XL1509及稳压管、二极管对其保护，电池充电采用双继电器及AOD-4185保护，放电采用自恢复保险丝（40A）及AOD-4185保护；所有相关状态参数及相关控制操作参数通过RS485通信在5寸触摸屏上显示。3 电路参数设计3.1 差速AGV所用器件概述 差速AGV驱动控制器主要分为内部电路模
15、块和外接器件模块，其中内部电路模块有：主控模块、内部供电模块、外部供电模块、电源输入模块、电机驱动模块、输出接口模块、扩展模块。外接器件模块及参数有：无刷直流电机：2台，24V 240W，最大电流10A，霍尔检测方式；磁导航传感器：电源电压10-18V，信号线5V CAN通信方式；霍尔摇杆：电源电压3.3V，X-Y轴（3.3V）线性电压方式；显示屏：电源供电电压5V，信号线5V高低电平方式；蓄电池：2台12V（70AH）的免维护蓄电池；充电器：24V 10A智能蓄电池充电器。3.2 主控模块主控模块是芯片编程下载、程序仿真、总线通信及数据处理的单元，主要有主控芯片电路、CAN通信电路、下载口电
16、路。如图3-2-1可见，主控模块的结构总框图。图3-2-1主控模块结构总框图3.2.1 下载口电路 主控芯片的编程下载采用J-LINK仿真器，其下载口电路有：上拉端口TDI、TMS、TCK和端口TRST、TDO、RESET连接单片机，其上拉电阻是10K（R183-R185）1/10W，上拉电压为3.3V。其中端口功能定义：端口TDI：J-LINK输出给目标（CPU）的JTAG的数据；端口TMS：J-LINK输出给目标（CPU）的JTAG模式设置信号；端口TCK：J-LINK输出给目标（CPU）的时钟信号；端口TRST：J-LINK输出给目标（CPU）的复位信号；端口TDO：目标（CPU）返回给
17、J-LINK的数据信号；端口RESET：目标（CPU）的复位信号。如图3-2-2可见，下载口电路的原理图。图3-2-2下载口电路原理图3.2.2 主控芯片电路 主控芯片电路其实是STM32F103ZET6单片机的最小系统，即用最少的元件组成的、可以工作的系统，其主要有单片机、晶振电路和滤波电容，其中一个晶振是（Y2）8MHZ、其晶振电容一般取（C47-C48）10PF；另外一个晶振是（Y1）32.768MHZ，晶振电容取（C45-C46）10PF；滤波电容主要分布在单片机的四周，以保证单片机供给各个3.3V电压引脚的稳定和减少电压波动带来的干扰，通常电容采用无极性陶瓷电容（C38-C44），通
18、常取100PF；其中PWM输出端口为PA8-PA9-PA10和PB13-PB14-PB15、PC6-PC7-PC8和PA7-PB0-PB1，电机霍尔检测端口为PA0-PA1-PA2和PF0-PF1-PF2。如图3-2-3可见，主控芯片电路的原理图。图3-2-3主控芯片电路原理图3.2.3 CAN通信电路 CAN通信主要是通过TJA1050芯片转换实现的，其中TJA1050芯片的供电电压是5V，对外连接端口CANL、CANH最高承受电压为40V，其并联一个电阻（R182）120欧，起增强信号抗干扰能力 ，对内连接端口R（接受数据输出）、D（传输数据输入）连接单片机的CAN通信接口。如图3-2-4
19、可见，CAN通信电路的原理图。 图3-2-4 CAN通信电路原理图3.3 内部供电模块内部供电模块是为内部的各个模块（芯片）提供相对独立的供电电压，减少内部不同电压系统之间和内部供电与外部供电之间的干扰，以保证在某个模块供电电压异常时，其他的模块的功能还能正常进行。其中主要有：12V供电电路：供给IR2101芯片、充电继电器；5V供电电路：供给ACS712芯片、LM358芯片、BTS640芯片、TJA1050芯片；3.3V供电电路：STM单片机如图3-3-1可见，内部供电模块设计的结构总框图。图3-3-1内部供电模块结构总框图3.3.1 12V供电电路 12V供电电路选取XL1509-12V开
20、关降压型DC/DC转换器芯片，其内部有150KHz固定频率脉宽调制，可以依据输出电压电流调节占空比（0-100%）；具有使能、频率补偿、短路（频率降到50KHz，保护芯片）、限流等一系列的保护功能；最大输出2A负载电流，最大40V电压输入，且输出效率高、散热较好、纹波较低、线性较好；具有所需元件少、体积小，成本低的优势。12V供电电路主要有：隔离器件：选取2A 40V快恢复二极管SS24（D8），其最大压降是0.2V，利用其具 有单向导通的特性，将内部供电与外部电源隔离，减少两者之间的干扰影响；前级滤波电路：选取330UF 50V电解电容及100NF 60V无极陶瓷电容对输入电压 进行稳压和消
21、除输入噪声，减少输入电压波动对芯片稳压输出的影响，其电解电容的容值视输出功率而定；XL1509芯片电路： VIN是电压24V输入，OUT是电压12V输出，FB是输出电压反馈引脚，PCB走线直接连在输出电感后面（走线要粗短），ON/OFF是连接单片机的使能引脚，其中输出电感（L3）选取33UH- 2A，其电感值视输出瞬时功率而定，续流二极管（D9）选取40V 5A，其电流值一般是最输大电流的2倍左右，下拉电阻（R53）选取10K，拉低端口电平，使其保持在正常工作状态。后级滤波电路：选取470UF 35V电解电容及100NF 40V无极陶瓷电容对输出电压 进行稳压和高频滤波，其电解电容的容值理论上
22、越大越好，无极陶瓷电容越多越好，一般满足输出功率即可；过压保护器件：选取12.6V 500MA的稳压二极管（D36），以防止XL1509输出电压波动过大或者是上电瞬间的脉冲损坏后级所需供电的芯片，一般芯片的供电电压管控是1%。如图3-3-2可见，12V供电电路的原理图。图3-3-2 12V供电电路原理图3.3.2 5V供电电路 5V供电电路选取XL1509-5V开关降压型芯片，其过压保护器件选取5.4V 500MA的稳压二极管（D38），其他电路参数基本与12V供电电路参数相似。如图3-3-3可见，5V供电电路的原理图。图3-3-3 5V供电电路原理图3.3.3 3.3V供电电路3.3V供电电
23、路选取AMS 1117 3.3V线性降压型芯片，其是一个正向低压降稳压器，最大输入电压为20V，而且压差越小效率越高，电流越低压降越小，在1A的电流下压降为1.2V，具有输出电压精度较高（1%）、内部集成过热保护和限流功能的优势。3.3V供电电路主要有：AMS 1117芯片电路： VIN是电压5V输入，OUT是电压3.3V输出，电压级差小；后级滤波电路：选取220UF 35V电解电容及100NF 40V无极陶瓷电容对输出电压 进行稳压和滤波；过压保护器件：选取3.6V 500MA的稳压二极管（D32），稳定单片机供电电压。指示灯电路：选取1.5V 高亮发光二极管，电流取1MA，限流电阻取值2K
24、。如图3-3-4可见，反馈电路的组成。 图3-3-4 反馈电路结构3.4 外部供电模块外部供电模块是为外部的器件提供相对独立的供电电压，减少外部电压系统之间的影响，以保证在某个外部器件短路时，内部的其他的工作器件不受影响。其中主要有：12V供电电路：供给CNS-MGS-16磁导航传感器5V供电电路：供给5寸触摸屏、无刷电机霍尔传感器3.3V供电电路：供给霍尔摇杆 如图3-4-1可见，外部供电模块设计的结构总框图。图3-4-1外部供电模块结构总框图3.4. 1 5V供电电路 5V供电电路选取XL1509-ADJ开关降压型芯片，其性能参数与XL1509-12V芯片参数相似，唯一的区别是：反馈引脚（
25、FB）是通过外部电阻来分割回路来检测和调节输出电压，其反馈端电压是 1.23V；由于显示屏所需功率较大，因此其输出电感取值68UH 3A。供电电路主要有：隔离二极管、前级滤波电路、XL1509芯片电路、后级滤波电路（电路参数结构与其他供电模块对应电路参数相似）及ADJ调节电路：电阻R80-R81-R130构成电压反馈网络，R81取1K，R130为补偿电阻。由于输出电压为5V，FB端电压为1.23V，即有 5V=1.23*（1+R80/R81），可计算出R803K，因此R80取3.3K，再依据各个芯片空载的输出电压特性，对输出电压进行补偿，因此R130取56欧。其中CBB电容（C29）5.8NF
26、是为了消除噪声，以提高反馈电压的稳定性。短路保护电路：短路保护二极管（D31）1N4007 1A 1000V，是当外部线路短路时，能把断流电流由二极管承受，直到自恢复保险丝断开；二极管（D6）是3A 40V的快恢复二极管，具有极低的压降，控制输出电流单向流动，防止外边电流倒灌损坏XL1509芯片；自恢复保险丝（F3）是16V 2A，其自恢复性是利用热效应，需要一定反应时间，当输出过流时会自动断开，非过流时会自动闭合。如图3-4-2可见，5V供电电路的原理图。图3-4-2 5V供电电路原理图3.4.2 12V供电电路12V供电电路选取XL1509-ADJ芯片，电路参数基本与其他供电模块对于电路参
27、数相似。其ADJ调节电路参数略有不同：ADJ调节电路：电阻R82-R83-R129构成电压反馈网络，R83取1K，R129为补偿电阻。由于输出电压为12V，FB端电压为1.23V，即有 12V=1.23*（1+R82/R83），可计算出R828.8K，因此R82取9.1K，再依据各个芯片空载的输出电压特性，对输出电压进行补偿，因此R129取20欧。其中CBB电容（C29）1NF。短路保护电路：自恢复保险丝（F35）取36V 1.5A。图3-4-3可见，12V供电电路的原理图。图3-4-3 12V供电电路原理图3.4.3 3.3V供电电路 3.3V供电电路选取TL431-ADJ 精密基准电压芯片
28、（可调电压值的三端稳压器），具有低动态输出阻抗（0.2欧姆）、很低的输出噪声电压、可编程输出电压（最高40V，精度0.5%）、极快的导通速度及1-100MA的灌电流能力的特点，而且在整个额定工作温度范围内可进行补偿。其主要电路有：扩流电路：选取NPN三极管（Q43）8050 1A，驱动三极管电阻取1.2K。反馈电压电路：电阻R75-R76构成电压反馈网络，滤波电容（C67）取100NF，TL431的基准电压是2.49V，R76取1K，即有 3.3V=2.49*（1+R75/R76），可计算出R750.32K，因此电阻R75取0.33K。保护电路：快恢复二极管（D29）取40V 1A，自恢复保险
29、丝（F8）500MA。图3-4-4可见，3.3V供电电路的原理图。图3-4-4 3.3V供电电路原理图3.5 总电源输入模块总电源输入模块主要是检测蓄电池对各个模块供电的电流、电压等参数及检测外部充电器对蓄电池充电的电流、电压等参数和当电池组电量不足时，控制充电继电器闭合，当电池组充满后，控制充电继电器断开。其中，电源输入电路：过流保护、浪涌抑制电路、电流检测电路、防反接电路、滤波电路、AD采样电路。充电电路：充电继电器控制电路、防反接电路图3-5-1可见，总电源输入模块设计的结构框图：图3-5-1 总电源输入模块结构图3.5.1 电源输入电路电路 电源输入电路中选取ACS712-20A为电流
30、检测芯片，其是一款适用电动机控制、载荷检测的霍尔芯片，其电压绝缘达2.1 KVRMS、拥有低电阻电流导体，仅需5V的供电电压，具有所需元件少、双向电流检测（基点电压值2.5V）、噪声低误差小、电源电压按一定比例输出（20A-100mV/A）的特点。其中，过流保护：总模块输出的最大消耗功率为480W（直流电机功率），因此选取36V 20A的自恢复保险丝（FU1）；浪涌抑制电路：采用无极性电容（C49-C50）60V 100NF串联及双向二极管（D10）36V来抑止电源上电瞬间产生的浪涌。电流检测电路：采用ACS712芯片，其端口IP- IP+是电流输入输出；端口Vout是模拟电压输出，对应公式为
31、：I=|（2.5-Vout）| /0.1*K，其中K为实际补偿系数，一般取值；端口Filter是内部一级放大滤波，电容（C36）一般取值1NF；无极性电容（C37）100NF是消除芯片引脚噪音。防反接电路：采用PMOS管（Q13）AOD4185（导通内阻15毫欧）40V 40A；稳压二极管（D13）12V 500MA，限流电阻（R56）18K，当电源正向接时，PMOS管驱动电压正常，导通正常；当电源反向接时，PMOS管驱动电压为12V，不导通。滤波电路：选取电解电容330UF 50V及CBB电容1UF进行滤波AD采样电路：采用电阻分压（R48-R49），由于STM单片机的AD采集最高电压是3.3V，R49取1K，蓄电池充满电压约为28.8V，即有28.8/（R48+R49）*R49的值要小于3.3V，因此R48取值9.1K。图3-5-2可见，电源输入电路的原理图。图3-5-2 电源输入电路原理图3.5.2 电源充电电路 充电电路的继电器采用宏发双继电器HFKA-012-2ZTC，12V 30A，防反接MOS管采用AOD4185，其中，充电继电器电路：二极管（D35-D36）选取1N4007，抑制继电器断开瞬间产生的浪涌，保护三极管；三极管选取8050 1A，基极限流电阻（R32）10K，单片机通过驱动三极管的导通，控制继电器的闭合与
