智能掃地機器人的保護解決方案

自從美國 iRobot 在 2002 年推出全球第一款掃地機器人之后，掃地機器人開(kāi)始風(fēng)靡全球。由于家庭清潔是智能掃地機器人獨自完成的，對于智能掃地機器人的生產(chǎn)廠(chǎng)家來(lái)說(shuō)，除了產(chǎn)品的智能化，產(chǎn)品的可靠質(zhì)量對于消費者而言更加重要。本文重點(diǎn)討論智能掃地機器人的保護解決方案。

　　近些年隨著(zhù)計算機技術(shù)、人工智能技術(shù)、傳感技術(shù)以及移動(dòng)機器人技術(shù)的發(fā)展，很多智能系統開(kāi)始運用到小家電中，其中有代表性的就是智能掃地機器人。自從美國 iRobot 在 2002 年推出全球第一款掃地機器人之后，掃地機器人開(kāi)始風(fēng)靡全球，全球包括中國的消費者都可以在打掃家庭衛生時(shí)享受到智能掃地機器人帶給我們的愉悅輕松感。由于家庭清潔是智能掃地機器人獨自完成的，在打掃衛生時(shí)可能并沒(méi)有人來(lái)看管這些智能掃地機器人，碰到故障時(shí)機器人要能及時(shí)保護，同時(shí)在故障排除后能恢復正常工作。所以對于智能掃地機器人的生產(chǎn)廠(chǎng)家來(lái)說(shuō)，產(chǎn)品的智能化固然重要，但是質(zhì)量可靠的產(chǎn)品對于消費者而言更加重要。本文重點(diǎn)討論智能掃地機器人的保護解決方案。

　　一、TE connectivity 公司 PolySwitch 系列產(chǎn)品介紹

　　TE connectivity 是全球最大的無(wú)源器件專(zhuān)業(yè)提供商，同時(shí)也是全球最大的電路保護器件專(zhuān)業(yè)供應商，它是高分子材料正溫度系數電阻的發(fā)明者，其過(guò)流過(guò)壓保護器件廣泛應用于消費電子、IT、通信、工業(yè)、汽車(chē)等多個(gè)領(lǐng)域。

　　在過(guò)流保護方面，泰科電子提供 PolySwith 自恢復元件，在過(guò)壓保護方面，泰科電子提供 GDT 氣體放電管和 PESD/SESD 靜電保護元件，此外，泰科電子還提供綜合保護元件 2Pro 和 PolyZEN，MHP，RTP 等眾多產(chǎn)品。

　　TE connectivity 有眾多的 PolySwitch 型號可供用戶(hù)選擇，比如 Radial-leaded、Surface-mount和 LVR 系列可復位電路保護元件，它們是專(zhuān)門(mén)用于防止商用和家用電器中使用的馬達和變壓器因過(guò)載、過(guò)熱、堵轉、零線(xiàn)故障和其它潛在因素導致的損壞的器件，以及電池上專(zhuān)用的Strap 封裝可復位電路保護元件等。

　　TE connectivity 公司 Radial-leaded、Surface-mount 和 LVR系列產(chǎn)品包括了多種額定值為 16VDC，24VDC，30VDC，72VDC 乃至 110VAC 和 240VAC線(xiàn)電壓等級產(chǎn)品，這些產(chǎn)品阻抗低、動(dòng)作時(shí)間快、體積小并具備可復位功能，有助于電路設計者推出安全和可靠性良好的產(chǎn)品，并且減少了保修期內的修理費用。

　　與一次性使用的保險絲不同，PolySwitch 元件無(wú)需在發(fā)生故障后進(jìn)行更換。在過(guò)電流狀況排除以及供電斷開(kāi)后，電路將恢復至正常的運行條件。與雙金屬型斷路器產(chǎn)品相比，PolySwitch具有更高的靈活性、更長(cháng)的使用期限以及更低的電磁干擾(EMI)。

　　二、智能掃地機器人介紹

　　智能掃地機器人利用了超聲波測距的原理，通過(guò)向前進(jìn)方向發(fā)射超聲波脈沖，并接受相應的返回聲波脈沖，對障礙物進(jìn)行判斷，通過(guò) MCU 或者 DSP 為核心的控制器實(shí)現對超聲發(fā)射和接受的控制，并在處理返回脈沖信號的基礎上加以判斷，從而選出一個(gè)優(yōu)化的路徑，通過(guò)驅動(dòng)器驅動(dòng)兩個(gè)步進(jìn)馬達，帶動(dòng)驅動(dòng)輪而實(shí)現行走功能。同時(shí)，由其自身攜帶的吸塵部件，對經(jīng)過(guò)的地面進(jìn)行吸塵清掃。

　　通常智能掃地機器人由移動(dòng)機構、感知系統、控制系統、清掃系統以及電源系統五部分構成的復雜系統，移動(dòng)機構是智能掃地機器人的主體，它決定了機器人的運動(dòng)空間，家庭用的掃地機器人一般采用輪式機構。感知系統一般采用超聲波傳感器、接觸和接近傳感器、紅外線(xiàn)傳感器等來(lái)感知外部錯綜復雜的環(huán)境信息?？刂葡到y是通過(guò)以上各種傳感器的使用，得到機器人控制所需要的各種信號，這些信號被送到控制器，由控制器進(jìn)行存儲、運算、處理，然后發(fā)出相應命令通過(guò)執行機構使智能掃地機器人的機械本體完成規定動(dòng)作。清掃系統一般有主地刷、邊刷和吸塵器，主地刷和邊刷用于強力清掃地板上的吸附物，吸塵器吸取地板上較小的物體。電源系統是指智能掃地機器人的供電方式，由于掃地機器人是以自主方式工作的，因而所用的電源為采用隨機身攜帶的蓄電池，這樣不但可實(shí)現無(wú)人控制，而且工作時(shí)較靈活，一次充電可以連續工作幾個(gè)小時(shí)。

　　

　　圖1 智能掃地機器人的原理框圖

三、PolySwitch 元件選型的一般流程

　　下面首先介紹一下 PolySwitch 選型的一般流程。

　　首先確認 PolySwitch 的阻值上限 R1max。下圖 2 為 PolySwitch 阻值上限 R1max 的計算流程。



　　其次確認 PolySwitch 阻值下限 Rmin。下圖 3 為 PolySwitch 阻值下限 Rmin 的計算流程。



　　四、智能掃地機器人馬達堵轉保護

　　本文主要討論智能掃地機器人的馬達堵轉保護解決方案，由于在使用地面清潔功能時(shí)，由于地面物品的不可預測性，比如地面上有一些異物，比如頭發(fā)以及線(xiàn)繩等，掃地機器人在行走的過(guò)程中往往會(huì )被這些異物纏住而發(fā)生馬達堵轉。馬達堵轉是指異物將馬達軸承固定不使其轉動(dòng)，這時(shí)電壓還加在馬達的兩端，這時(shí)候的電流就是堵轉電流，一般的馬達設計時(shí)都是不允許發(fā)生堵轉的，因為馬達發(fā)生堵轉之后馬達線(xiàn)圈的溫度會(huì )急劇上升，溫度超過(guò)線(xiàn)圈的最高溫度之后，時(shí)間稍長(cháng)就會(huì )燒壞馬達，這即增加了消費者的不便，也增加了生產(chǎn)者的維修成本。所以在智能掃地機器人中增加馬達保護裝置是必不可少的，而且是在堵轉消除后能自動(dòng)恢復的保護方案，基于以上原因，TE connectivity 公司的可恢復電阻 PolySwitch 是一個(gè)較完善的方案。

　　關(guān)于馬達的堵轉保護，在 IEC/EN60950 信息技術(shù)設備的安全性一般要求 5.3.2 子條款里面，就有關(guān)于馬達保護的描述。在 UL1017 真空吸塵機、鼓風(fēng)機及家用地板清潔類(lèi)產(chǎn)品的安規要求里，子條款 4.8.3.1 也有馬達過(guò)載保護的詳細描述，另外在 EN 60335-1 家用電器及類(lèi)似電器的安全一般性要求里，也有類(lèi)似的保護描述。

　　智能掃地機器人有左右二個(gè)行走輪，每個(gè)輪子都裝有馬達和光電傳感器，他們接受控制系統的控制信號，并反饋給控制系統運動(dòng)信息。智能掃地機器人的清掃系統部分，包括主地刷馬達驅動(dòng)的主地刷清掃裝置，以及邊刷馬達驅動(dòng)的邊刷清掃裝置，以及一個(gè)吸塵裝置。這樣在智能掃地機器人里分別會(huì )有兩個(gè)驅動(dòng)輪馬達、一個(gè)主地刷馬達、一個(gè)邊刷馬達以及一個(gè)吸塵馬達共 5 個(gè)馬達。

　下面以某智能掃地機器人的行走輪為例來(lái)分析馬達的堵轉保護問(wèn)題。

　　設計時(shí)要求如下：行走輪馬達的最大工作電流為 0.3A，掃地機器人的 PCB 周?chē)h(huán)境最低溫度為 10C，最高溫度為 50C，充電電池的最高電壓為 22.5V，客戶(hù)需要表面貼裝的保護元件來(lái)保護馬達，馬達的保護時(shí)間要在 10S 以?xún)取?br />
　　首先可以考慮 TE connectivity 公司的 miniSMDC050F PolySwitch 元件，參考該公司的產(chǎn)品說(shuō)明書(shū)，它可以承受的最大電壓為 24V，它在 50C 溫度下能 hold 的電流為 0.43A，完全可以滿(mǎn)足 50C 最高溫度下 0.3A 電流承受的要求。

　　然后在 10C 環(huán)境溫度下測試馬達在堵轉情況下的保護時(shí)間，看能否滿(mǎn)足 10S 的要求。選取電阻為 Rmin 的 miniSMDC050 元件，圖 4 為行走輪馬達的堵轉保護實(shí)測波形，從圖中可以看出，它的堵轉保護時(shí)間為 3.0S，遠遠小于客戶(hù)要求的 10S 要求，所以 miniSMDC050F能完全滿(mǎn)足智能掃地機器人行走輪馬達的保護。

　

　　圖4 行走輪馬達的堵轉保護實(shí)測波形

　　同理也可以選取出各自的表面貼裝 PolySwitch 元件來(lái)保護主地刷馬達和邊刷馬達。但是對于吸塵馬達，由于它的工作電流較大，最大為 2.9A，而且 PolySwitch 元件的最大電壓要超過(guò) 22.5V，這樣從 Surface-mount 封裝的 PolySwitch 里不能選出合適的產(chǎn)品來(lái)滿(mǎn)足在 50C 溫度下能維持 2.9A 電流。這樣可以從 TE connectivity 公司的 Radial-leaded 系列里挑選合適的PolySwitch?？梢允紫冗x取 RUEF400，它在 50C 環(huán)境溫度下 hold 電流能力為 3.08A，它的最高電壓為 30V，然后就挑選 Rmin 的 RUEF400 測試在 10C 溫度下的堵轉保護時(shí)間。圖5為吸塵馬達的堵轉保護實(shí)測波形，從圖中可以看出，它的堵轉保護時(shí)間為 6.0S，小于客戶(hù)要求的 10S 要求，所以 RUEF400 能完全滿(mǎn)足智能掃地機器人吸塵馬達的堵轉保護。

　　

　　圖5 吸塵馬達的堵轉保護實(shí)測波形

　五、智能掃地機器人電源充電端口保護和充電電池保護

　　智能掃地機器人可以在家中沒(méi)人的情況下，按照最優(yōu)化的清潔路徑自行進(jìn)行全面的清掃，當它沒(méi)有電的時(shí)候，還可以自動(dòng)回到充電樁去充電?？梢?jiàn)智能掃地機器人的自動(dòng)充電功能非常實(shí)用。由于充電端口是裸露在外部，要防止一切的外部短路等故障，就需要 TE connectivity公司的 PolySwitch 自恢復元件來(lái)實(shí)現充電端口的保護，一旦 PolySwitch 元件檢測到有外部短路等故障，它就可以切斷電源，等到外部故障排除，PolySwitch 又可以恢復到原有的阻值來(lái)幫助系統重新正常工作。圖 6 是智能掃地機器人充電端口的電路原理示意圖，由于PolySwitch 是放置在交流變壓器的后端，故不必采用 TE connectivity 公司 LVR 系列自恢復元件，只需要用 Radial-leaded 系列自恢復元件。根據智能掃地機器人的實(shí)際工作電流和環(huán)境溫度的考量，最后選擇 RUEF400 可以滿(mǎn)足要求。

　　

　　圖6 智能掃地機器人充電端口電路示意圖

　　智能掃地機器人都是采用機載可充電電池作為直流電源，如鎳氫電池、鋰離子電池和聚合物電池等，這些電池都需要保護，TE connectivity 公司 PolySwitch 元件可以實(shí)現電池的二次保護。這些保護包括過(guò)電流保護功能和過(guò)充電保護功能等，過(guò)電流保護功能指大電流異常充放電情況下 PolySwitch 元件產(chǎn)生保護動(dòng)作，達到電池安全防護功能。過(guò)充電保護功能指通過(guò)合適的 PolySwitch 元件安裝在電池組內感觸電芯溫度，以實(shí)現電池過(guò)充電保護功能。

　　六、結束語(yǔ)

　　伴隨著(zhù)智能掃地機器人的普及，安全可靠性是設計工程師不能回避的課題，本文針對智能掃地機器人中出現的馬達堵轉保護，電源充電端口保護以及充電電池的保護問(wèn)題，TEconnectivity 公司有范圍廣泛的創(chuàng )新保護器件，提出了一整套完整的應用解決方案。經(jīng)過(guò)試驗驗證，TE connectivity 公司的 PolySwitch 自恢復元件，能完全解決智能掃地機器人中的馬達堵轉保護，電源充電端口保護以及充電電池的保護問(wèn)題。