無人機自動充電的整體控制方案設(shè)計案例1.1引言主要講述基于STM32的四路電機驅(qū)動控制和充電電路的開關(guān)控制，通過以STM32最小系統(tǒng)為主控制器的控制電路和編程控制，通過傳感器感知物理信號，將其以電信號的形式傳輸給控制器，作為信號開關(guān)控制電機驅(qū)動電路。本章通過設(shè)計整體運作過程和利用AD軟件繪制主控部分的電路原圖，設(shè)計從無人機降落到固定，再自動充電、斷電、起飛的整個過程。1.2全過程流程執(zhí)行說明圖4-1全過程流程說明圖整體控制方案的設(shè)計基于STM32最小系統(tǒng)，首先通過編程完成STM32的初始化，在停機平臺上裝有壓力傳感器用來檢測和傳輸無人機降落的信號，根據(jù)無人機的質(zhì)量設(shè)置有效檢測的壓力閾值，一旦無人機降落到平臺上，壓力傳感器立即將信號傳給控制器，STM32將處理后的信號傳給電機驅(qū)動電路的相關(guān)端口，電機驅(qū)動電路開始工作，驅(qū)動電機正轉(zhuǎn)，推動推桿。在停機平臺依據(jù)推桿起始位置到設(shè)定位置的距離安裝限位開關(guān)，當推桿將無人機推到固定位置時觸發(fā)限位開關(guān)，給出一個信號令電機停止轉(zhuǎn)動，推桿固定無人機在設(shè)定的位置，同時給出無人機到位的信號，通過STM32觸發(fā)自動充電電路繼電器開關(guān)，開始充電。同理，當無人機要起飛時給出一個信號，首先斷開充電電路，給驅(qū)動電機的電路一個反向信號，控制電機反轉(zhuǎn)，推桿開始回收，同樣利用限位開關(guān)測試推桿回收到固定位置后電機停止工作，一次完整的固定和充電工作完成，控制開關(guān)和電機狀態(tài)復(fù)位，等待下一次無人機降落的信號。圖4-2主控邏輯流程展示框圖1.3控制電路設(shè)計1.1.1整體電路布局如下圖所示為整個四路電機驅(qū)動的控制電路原理圖，電路主要由STM32F405以及外圍電路做控制電路模塊、電壓轉(zhuǎn)換模塊、四路電機驅(qū)動模塊、限位開關(guān)模塊、充電電路繼電器開關(guān)信號等模塊組成。其中主控芯片為STM32F405及其外圍電路構(gòu)成，STM32F405通過引腳20通過網(wǎng)絡(luò)端口Pressure與壓力傳感器的信號輸出接口相連，當壓力傳感器受到壓力時轉(zhuǎn)化為電平信號傳給控制器。STM32F405主要通過引腳14、引腳41以及引腳34通過網(wǎng)絡(luò)端口SD1、PWM1以及PWM2與第一路驅(qū)動電機控制電路的輸入接口相連，通過編寫相應(yīng)的控制程序控制第一路電機驅(qū)動狀態(tài)進行控制。通過引腳15、引腳42、引腳35通過網(wǎng)絡(luò)端口SD2、PWM3以及PWM4與第二路驅(qū)動電機控制電路的輸入接口相連，通過編寫相應(yīng)的控制程序控制第二電機驅(qū)動狀態(tài)進行控控制。通過引腳16、引腳43以及引腳36通過網(wǎng)絡(luò)端口SD3、PWM5以及PWM6與第三路驅(qū)動電機控制電路的輸入接口相連，通過相應(yīng)的控制程序控制第三電機驅(qū)動狀態(tài)進行控制。通過引腳17、引腳44以及引腳45通過網(wǎng)絡(luò)端口SD4、PWM7以及PWM8與第四路驅(qū)動電機控制電路的輸入接口相連，通過編寫相應(yīng)的控制程序?qū)Φ谒碾姍C驅(qū)動狀態(tài)進行控制。圖4-3電機驅(qū)動控制電路原理圖主控芯片STM32F405的引腳21與充電電路繼電器開關(guān)接口相連，可以通過主控芯片STM32F405的網(wǎng)絡(luò)端口Charge實現(xiàn)對充電電路繼電器進行開關(guān)控制。同時，主控芯片STM32F405通過引腳9、引腳10、引腳11、引腳24、引腳25、引腳58、引腳59以及引腳61，通過網(wǎng)絡(luò)接口XW1、XW2、XW3、XW4、XW5、XW6、XW7以及XW8與限位開關(guān)接口進行連接，通過編程實現(xiàn)通過限位開關(guān)對電路的控制。1.1.2電路分模塊介紹（1）主控芯片——STM32F405STM32F4系列芯片具有Cortex-M4的高性能內(nèi)核，集成了豐富的可以處理數(shù)字信號的單元，可以實現(xiàn)計算量復(fù)雜的控制。芯片有豐富的I/O端口，可以連接多種外部設(shè)備，并且支持多種通信接口。STM32F4系列微控制器主控系統(tǒng)由32位多層AHB總線矩陣構(gòu)成，通過該總線矩陣，其主要的八條主控總線和七條被控總線部分可以實現(xiàn)互聯(lián)，在處理連接的較為復(fù)雜的外部設(shè)備時系統(tǒng)運行也是高效有序。STM32F4系列器件的系統(tǒng)構(gòu)架如下，展示了主控總線與被控總線的互聯(lián)關(guān)系。圖4-4STM32F4系列器件的系統(tǒng)架構(gòu)·八條主控總線：1）CortexTM-M4F內(nèi)核I總線2）CortexTM-M4F內(nèi)核D總線3）CortexTM-M4F內(nèi)核S總線4）DMA1存儲器總線5）DMA2存儲器總線6）DMA2外設(shè)總線7）以太網(wǎng)DMA總線8）USBOTGHSDMA總線·七條被控總線1）內(nèi)部FlashICode總線2）內(nèi)部FlashDCode總線3）主要內(nèi)部SRAM1（112KB）4）輔助內(nèi)部SRAM2（16KB）5）AHB1外設(shè)（包括AHB-APB總線橋和AOB外設(shè)）6）AHB2外設(shè)7）FSMC下圖所示的控制電路中STM32F405芯片的引腳依次根據(jù)需要與各個外部模塊之間實現(xiàn)連接，并且根據(jù)使用手冊做了簡單的外圍電路的連接。5號和6號引腳外接晶振電路，作為芯片的時鐘電路；因為整個項目是通過SWD下載程序，所以具有串口程序下載功能的28號引腳和60號引腳依據(jù)芯片使用手冊引導(dǎo)接地；其余部分均是根據(jù)用戶手冊在相應(yīng)的引腳處接入去偶電容，保證電路的穩(wěn)定。圖4-5主控芯片及外圍電路（2）電壓轉(zhuǎn)換模塊4路直流有刷電機驅(qū)動電路中還有一部分重要的設(shè)計，其中由外部輸入供電接口PIN2，該接口由外部直流電源接24V的直流電壓，通過芯片MP9486將24V的直流電壓轉(zhuǎn)換成12V的直流電壓，其中24V的電壓、12V的電壓以及5V的電壓都接到了4路電機驅(qū)動電路上，為電機的驅(qū)動控制提供電壓，其中24V的電壓接到了場效應(yīng)管上，12V電壓為芯片IR2104提供供電電源，保證芯片IR2104可以實現(xiàn)相應(yīng)的功能，還需要5V的電壓為4路電機驅(qū)動電路中的芯片TLP521提供工作電壓，此外主控芯片STM32F405的供電電壓為1.3V，因此使用了芯片SY8120B實現(xiàn)12V到5V的電壓轉(zhuǎn)換，利用芯片HT7533實現(xiàn)5V到1.3V的電壓轉(zhuǎn)換，這些電壓轉(zhuǎn)換模塊的設(shè)計直接對輸入的24V直流電做了相應(yīng)各個器件需要的電壓的轉(zhuǎn)換，所以對外部供電要求簡單，給內(nèi)部所有芯片提供額定的工作電壓，保證芯片正常穩(wěn)定工作。其中24V轉(zhuǎn)12V電壓轉(zhuǎn)換模塊電路圖參考已有的電壓轉(zhuǎn)換電路用MP9486芯片設(shè)計，MP9486是一種降壓型開關(guān)穩(wěn)壓器，其較廣的輸入電壓范圍多用于高壓降壓電路，且具有良好的短路保護和過溫保護特性，在較高壓的電壓轉(zhuǎn)換電路中工作穩(wěn)定可靠，MP9486的開關(guān)頻率高達1MHz，典型應(yīng)用是如下的電壓轉(zhuǎn)換電路：圖4-6MP9486電壓轉(zhuǎn)換電路連接和引腳封裝示意圖根據(jù)上圖的電路連接和引腳示意，通過計算電路中電氣件的參數(shù)，設(shè)計需要的電壓轉(zhuǎn)換電路，根據(jù)公式（4-1）和（4-2）：（4-1）（4-2）根據(jù)設(shè)計需求其中的Vout=12V，Vin=24V，Vfb=0.2，MP9486的開關(guān)頻率為1MHz，即Fsw為1000000，Iout為1A，系數(shù)K在0.15到0.85之間，計算得RL/Rg=59，所以取Rg=1k，RL近似取58k，計算得電感L取47μF。設(shè)計24V轉(zhuǎn)12V電路原理圖如下：圖4-724V轉(zhuǎn)12V電路模塊原理圖12V轉(zhuǎn)5V利用SY8120B芯片，SY8120是常用的直流同步降壓轉(zhuǎn)換器，常用于輸入電壓范圍為5V-18V的降壓轉(zhuǎn)換電路中，其工作頻率為500kHz，響應(yīng)速度快，本例中使用SY8120實現(xiàn)快速的12V轉(zhuǎn)5V電壓轉(zhuǎn)換，參照如下電路原理：圖4-8SY8120電壓轉(zhuǎn)換電路連接和引腳封裝示意圖圖4-9SY8120工作效率示意圖（4-3）通過公式（4-3）由設(shè)計需求輸出電壓Vout=5V，計算選取RH為22k，RL為3k時可滿足電壓轉(zhuǎn)換的要求。由圖可以看到12V轉(zhuǎn)5V當電流為1A時電路效率為94%左右。設(shè)計12V轉(zhuǎn)5V電路原理圖如下：圖4-1012V轉(zhuǎn)5V電路模塊原理圖5V轉(zhuǎn)3V直接利用HT7533芯片實現(xiàn)。HT75xx系列芯片是一種低功耗的低壓降壓芯片，可輸出3V-8V的固定輸出電壓，輸出電流可達100mA,依據(jù)下列表格選擇HT7533作為5V轉(zhuǎn)3V的芯片。圖4-11HT75xx系列芯片選擇表圖4-125V轉(zhuǎn)1.3V電路模塊原理圖（3）電機驅(qū)動模塊整體控制方案中最主要的就是主控STM32和電機驅(qū)動電路的設(shè)計，根據(jù)第二章的電機選型介紹，對推桿的驅(qū)動電機選擇了24V直流電機，因此針對24V直流電機設(shè)計驅(qū)動控制電路，設(shè)計出發(fā)點在于達到如下目的：接收主控STM32發(fā)出的觸發(fā)信號，驅(qū)動電機正轉(zhuǎn)推動推桿，達到位置后通過限位開關(guān)信號使電機停止，主控收到無人機起飛信號后再給電機驅(qū)動電路反轉(zhuǎn)信號使電機反轉(zhuǎn)，推桿回收到位后同理使用限位開關(guān)觸發(fā)信號使電機停止。所以電機驅(qū)動電路的關(guān)鍵在于通過接收的信號轉(zhuǎn)換電機狀態(tài)。圖4-13H橋電機驅(qū)動電路原理電機驅(qū)動電路依據(jù)典型的H橋直流電機控制原理設(shè)計，之前使用的集成芯片實現(xiàn)驅(qū)動電機的方式技術(shù)過于陳舊，驅(qū)動功率較小，且控制規(guī)律固定，無法實現(xiàn)以目標為導(dǎo)向的驅(qū)動控制要求，故參考H橋原理，利用功率MOS管進行驅(qū)動。MOS管是一種基于場效應(yīng)原理工作的半導(dǎo)體晶體管，因其良好的抗干擾等特性在集成電路中得到了廣泛的應(yīng)用，MOS管屬于場效應(yīng)管中的絕緣柵型場效應(yīng)管，可分為增強型和耗盡型，又根據(jù)溝道不同分為P溝道和N溝道，所以常見MOS管的分類組合有四種，常用的是增強型。在工程應(yīng)用中更常用的是NMOS管，因為其制造工藝簡單、成本較低、導(dǎo)通電阻小，更能滿足廣泛的不同使用條件和靈活的控制要求，所以本方案中選用增強型的NMOS管作為電機驅(qū)動電路的導(dǎo)通閉合控制端裝置。H橋控制下的四個MOS管，當處于對角位置的兩個管導(dǎo)通時，電機轉(zhuǎn)動，如上圖當Q1，Q4導(dǎo)通時設(shè)電機的狀態(tài)為正轉(zhuǎn)，則Q3，Q2導(dǎo)通時電機狀態(tài)為反轉(zhuǎn)，當橋臂上的四個MOS管均處截止時電機兩端就沒有電壓驅(qū)動，即處于停止狀態(tài)?；谝陨匣驹?，控制直流電機的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)和停止的狀態(tài)就是控制H橋臂上的四個MOS管的導(dǎo)通與截止，通過對比，選用導(dǎo)通阻抗較低、適用范圍較廣、高效可靠的IRF3205N溝道場效應(yīng)管。對于4路電機驅(qū)動電路的原理相同，以下針對其中一路電機驅(qū)動的原理進行說明。圖4-14電機驅(qū)動控制電路圖由原理圖可以看出，主控芯片STM32通過網(wǎng)絡(luò)端口SD4、PWM7、PWM8分別于與芯片TLP521和兩個芯片6N135進行了連接，芯片TLP521和芯片6N135均為光耦芯片，關(guān)于光耦芯片的作用和原理以及TLP521的結(jié)構(gòu)和用法在第三章已經(jīng)作過說明，6N135是一款8引腳的高速光耦，其高速的原因在于內(nèi)部封裝有一個高速LED，開關(guān)速度可達1Mbit/s，在電機驅(qū)動電路中引入光耦的作用是對輸入、輸出電信號起隔離作用，將通過光耦隔離的電信號再傳輸給兩個控制芯片IR2104，如上圖，6N135的2號引腳接5V的供電電壓，3號引腳接主控STM32的控制電平信號。兩個光耦6N135的輸出分別連接到了兩個芯片IR2104的輸入引腳，本電路中芯片IR2104是專門用于控制和驅(qū)動N溝道MOS管的驅(qū)動器芯片，SD端是IR2104的使能端，當使能端為高電平時，IR2104的兩個輸出端輸出端信號均與輸入信號有關(guān)，其中Ho=IN，Lo=-IN。圖4-15IR2104輸入輸出關(guān)系對于IR2104芯片引腳的連接參照如下的應(yīng)用圖。圖4-16IR2104引腳接口圖芯片IR2104的引腳H0與引腳L0連接到兩個MOS管，因為場效應(yīng)管是電壓控制型器件，因此通過電壓來控制場效應(yīng)管的關(guān)斷，原理圖中4個場效應(yīng)管相當于4個開關(guān)，N溝道MOS管在柵極高電平時導(dǎo)通，低電平時關(guān)斷，因此原理圖中兩路IR2104芯片輸出就相當于兩個控制臂，上邊IR2104芯片輸出高電平時對應(yīng)的下邊IR2104芯片輸出低電平，Q1,Q4關(guān)閉，Q2、Q3導(dǎo)通，此時電機M+一側(cè)為低電平，右M-一側(cè)為高電平，設(shè)為電機反轉(zhuǎn)。當上邊IR2104芯片輸出低電平時，下邊IR2104芯片輸出高電平，Q1,Q4導(dǎo)通，Q2、Q3關(guān)閉，此時電機M-一側(cè)為高電平，M-一側(cè)為低電平，設(shè)為電機正轉(zhuǎn)。（4）其他模塊圖4-17壓力傳感器和限位開關(guān)模塊圖4-18充電電路繼電器開關(guān)信號在實際應(yīng)用中，由于電源存在對控制信號的干擾，對電源的優(yōu)化也是一項重要舉措。為了減少電源噪聲干擾對電路的影響，電源模塊的設(shè)計很重要，除了要考慮給其他模塊進行供電以外，電路板中的很多噪聲也來源于電源，因此設(shè)計電源模塊，需要考慮噪聲帶來的影響以及如何盡可能的減小電源噪聲對電路的影響，提供一個低噪聲的電源（包括VCC和地），對于電路的設(shè)計尤其重要。為了電源模塊中的VCC與地盡可能的減小噪聲，需要采取一些措施，包括在電源接口處放一些數(shù)值較小的電容，用于濾除電源中的高頻噪聲，同時有源器件與電源相接的輸入引腳處放置數(shù)值比較大的電容，用于濾除電源噪聲中的低頻噪聲部分。其次，為了盡可能的減小電源噪聲問題，還需要在實際布線的過程中，將電源線以及地線進行加粗處理，盡可能的是走線比較寬，減少交叉，有利于減小噪聲對電源的影響。1.1.3設(shè)計創(chuàng)新點（1）4路直流有刷電機驅(qū)動電路中放置了較多的去耦電容，目的是減少電源噪聲，其中放入了1uF、10uF電容去除低頻噪聲，放入了一些10NF、0.1uF的