智能掃地機(jī)器人的保護(hù)解決方案

自從美國(guó) iRobot 在 2002 年推出全球第一款掃地機(jī)器人之后，掃地機(jī)器人開始風(fēng)靡全球。由于家庭清潔是智能掃地機(jī)器人獨(dú)自完成的，對(duì)于智能掃地機(jī)器人的生產(chǎn)廠家來說，除了產(chǎn)品的智能化，產(chǎn)品的可靠質(zhì)量對(duì)于消費(fèi)者而言更加重要。本文重點(diǎn)討論智能掃地機(jī)器人的保護(hù)解決方案。

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

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

　　TE connectivity 是全球最大的無源器件專業(yè)提供商，同時(shí)也是全球最大的電路保護(hù)器件專業(yè)供應(yīng)商，它是高分子材料正溫度系數(shù)電阻的發(fā)明者，其過流過壓保護(hù)器件廣泛應(yīng)用于消費(fèi)電子、IT、通信、工業(yè)、汽車等多個(gè)領(lǐng)域。

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

　　TE connectivity 有眾多的 PolySwitch 型號(hào)可供用戶選擇，比如 Radial-leaded、Surface-mount和 LVR 系列可復(fù)位電路保護(hù)元件，它們是專門用于防止商用和家用電器中使用的馬達(dá)和變壓器因過載、過熱、堵轉(zhuǎn)、零線故障和其它潛在因素導(dǎo)致的損壞的器件，以及電池上專用的Strap 封裝可復(fù)位電路保護(hù)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線電壓等級(jí)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(fù)位功能，有助于電路設(shè)計(jì)者推出安全和可靠性良好的產(chǎn)品，并且減少了保修期內(nèi)的修理費(fèi)用。

　　與一次性使用的保險(xiǎn)絲不同，PolySwitch 元件無需在發(fā)生故障后進(jìn)行更換。在過電流狀況排除以及供電斷開后，電路將恢復(fù)至正常的運(yùn)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(zhǎng)的使用期限以及更低的電磁干擾(EMI)。

　　二、智能掃地機(jī)器人介紹

　　智能掃地機(jī)器人利用了超聲波測(cè)距的原理，通過向前進(jìn)方向發(fā)射超聲波脈沖，并接受相應(yīng)的返回聲波脈沖，對(duì)障礙物進(jìn)行判斷，通過 MCU 或者 DSP 為核心的控制器實(shí)現(xiàn)對(duì)超聲發(fā)射和接受的控制，并在處理返回脈沖信號(hào)的基礎(chǔ)上加以判斷，從而選出一個(gè)優(yōu)化的路徑，通過驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)兩個(gè)步進(jìn)馬達(dá)，帶動(dòng)驅(qū)動(dòng)輪而實(shí)現(xiàn)行走功能。同時(shí)，由其自身攜帶的吸塵部件，對(duì)經(jīng)過的地面進(jìn)行吸塵清掃。

　　通常智能掃地機(jī)器人由移動(dòng)機(jī)構(gòu)、感知系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、清掃系統(tǒng)以及電源系統(tǒng)五部分構(gòu)成的復(fù)雜系統(tǒng)，移動(dòng)機(jī)構(gòu)是智能掃地機(jī)器人的主體，它決定了機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)空間，家庭用的掃地機(jī)器人一般采用輪式機(jī)構(gòu)。感知系統(tǒng)一般采用超聲波傳感器、接觸和接近傳感器、紅外線傳感器等來感知外部錯(cuò)綜復(fù)雜的環(huán)境信息。控制系統(tǒng)是通過以上各種傳感器的使用，得到機(jī)器人控制所需要的各種信號(hào)，這些信號(hào)被送到控制器，由控制器進(jìn)行存儲(chǔ)、運(yùn)算、處理，然后發(fā)出相應(yīng)命令通過執(zhí)行機(jī)構(gòu)使智能掃地機(jī)器人的機(jī)械本體完成規(guī)定動(dòng)作。清掃系統(tǒng)一般有主地刷、邊刷和吸塵器，主地刷和邊刷用于強(qiáng)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(tǒng)是指智能掃地機(jī)器人的供電方式，由于掃地機(jī)器人是以自主方式工作的，因而所用的電源為采用隨機(jī)身攜帶的蓄電池，這樣不但可實(shí)現(xiàn)無人控制，而且工作時(shí)較靈活，一次充電可以連續(xù)工作幾個(gè)小時(shí)。

　　

　　圖1 智能掃地機(jī)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(rèn) PolySwitch 的阻值上限 R1max。下圖 2 為 PolySwitch 阻值上限 R1max 的計(jì)算流程。



　　其次確認(rèn) PolySwitch 阻值下限 Rmin。下圖 3 為 PolySwitch 阻值下限 Rmin 的計(jì)算流程。



　　四、智能掃地機(jī)器人馬達(dá)堵轉(zhuǎn)保護(hù)

　　本文主要討論智能掃地機(jī)器人的馬達(dá)堵轉(zhuǎn)保護(hù)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(yù)測(cè)性，比如地面上有一些異物，比如頭發(fā)以及線繩等，掃地機(jī)器人在行走的過程中往往會(huì)被這些異物纏住而發(fā)生馬達(dá)堵轉(zhuǎn)。馬達(dá)堵轉(zhuǎn)是指異物將馬達(dá)軸承固定不使其轉(zhuǎn)動(dòng)，這時(shí)電壓還加在馬達(dá)的兩端，這時(shí)候的電流就是堵轉(zhuǎn)電流，一般的馬達(dá)設(shè)計(jì)時(shí)都是不允許發(fā)生堵轉(zhuǎn)的，因?yàn)轳R達(dá)發(fā)生堵轉(zhuǎn)之后馬達(dá)線圈的溫度會(huì)急劇上升，溫度超過線圈的最高溫度之后，時(shí)間稍長(zhǎng)就會(huì)燒壞馬達(dá)，這即增加了消費(fèi)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(jī)器人中增加馬達(dá)保護(hù)裝置是必不可少的，而且是在堵轉(zhuǎn)消除后能自動(dòng)恢復(fù)的保護(hù)方案，基于以上原因，TE connectivity 公司的可恢復(fù)電阻 PolySwitch 是一個(gè)較完善的方案。

　　關(guān)于馬達(dá)的堵轉(zhuǎn)保護(hù)，在 IEC/EN60950 信息技術(shù)設(shè)備的安全性一般要求 5.3.2 子條款里面，就有關(guān)于馬達(dá)保護(hù)的描述。在 UL1017 真空吸塵機(jī)、鼓風(fēng)機(jī)及家用地板清潔類產(chǎn)品的安規(guī)要求里，子條款 4.8.3.1 也有馬達(dá)過載保護(hù)的詳細(xì)描述，另外在 EN 60335-1 家用電器及類似電器的安全一般性要求里，也有類似的保護(hù)描述。

　　智能掃地機(jī)器人有左右二個(gè)行走輪，每個(gè)輪子都裝有馬達(dá)和光電傳感器，他們接受控制系統(tǒng)的控制信號(hào)，并反饋給控制系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)信息。智能掃地機(jī)器人的清掃系統(tǒng)部分，包括主地刷馬達(dá)驅(qū)動(dòng)的主地刷清掃裝置，以及邊刷馬達(dá)驅(qū)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(jī)器人里分別會(huì)有兩個(gè)驅(qū)動(dòng)輪馬達(dá)、一個(gè)主地刷馬達(dá)、一個(gè)邊刷馬達(dá)以及一個(gè)吸塵馬達(dá)共 5 個(gè)馬達(dá)。

　下面以某智能掃地機(jī)器人的行走輪為例來分析馬達(dá)的堵轉(zhuǎn)保護(hù)問題。

　　設(shè)計(jì)時(shí)要求如下：行走輪馬達(dá)的最大工作電流為 0.3A，掃地機(jī)器人的 PCB 周圍環(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，客戶需要表面貼裝的保護(hù)元件來保護(hù)馬達(dá)，馬達(dá)的保護(hù)時(shí)間要在 10S 以內(nèi)。

　　首先可以考慮 TE connectivity 公司的 miniSMDC050F PolySwitch 元件，參考該公司的產(chǎn)品說明書，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(cè)試馬達(dá)在堵轉(zhuǎn)情況下的保護(hù)時(shí)間，看能否滿足 10S 的要求。選取電阻為 Rmin 的 miniSMDC050 元件，圖 4 為行走輪馬達(dá)的堵轉(zhuǎn)保護(hù)實(shí)測(cè)波形，從圖中可以看出，它的堵轉(zhuǎn)保護(hù)時(shí)間為 3.0S，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于客戶要求的 10S 要求，所以 miniSMDC050F能完全滿足智能掃地機(jī)器人行走輪馬達(dá)的保護(hù)。

　

　　圖4 行走輪馬達(dá)的堵轉(zhuǎn)保護(hù)實(shí)測(cè)波形

　　同理也可以選取出各自的表面貼裝 PolySwitch 元件來保護(hù)主地刷馬達(dá)和邊刷馬達(dá)。但是對(duì)于吸塵馬達(dá)，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 22.5V，這樣從 Surface-mount 封裝的 PolySwitch 里不能選出合適的產(chǎn)品來滿足在 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。可以首先選取 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(cè)試在 10C 溫度下的堵轉(zhuǎn)保護(hù)時(shí)間。圖5為吸塵馬達(dá)的堵轉(zhuǎn)保護(hù)實(shí)測(cè)波形，從圖中可以看出，它的堵轉(zhuǎn)保護(hù)時(shí)間為 6.0S，小于客戶要求的 10S 要求，所以 RUEF400 能完全滿足智能掃地機(jī)器人吸塵馬達(dá)的堵轉(zhuǎn)保護(hù)。

　　

　　圖5 吸塵馬達(dá)的堵轉(zhuǎn)保護(hù)實(shí)測(cè)波形

　五、智能掃地機(jī)器人電源充電端口保護(hù)和充電電池保護(hù)

　　智能掃地機(jī)器人可以在家中沒人的情況下，按照最優(yōu)化的清潔路徑自行進(jìn)行全面的清掃，當(dāng)它沒有電的時(shí)候，還可以自動(dòng)回到充電樁去充電?？梢娭悄軖叩貦C(jī)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(fù)元件來實(shí)現(xiàn)充電端口的保護(hù)，一旦 PolySwitch 元件檢測(cè)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(fù)到原有的阻值來幫助系統(tǒng)重新正常工作。圖 6 是智能掃地機(jī)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(fù)元件，只需要用 Radial-leaded 系列自恢復(fù)元件。根據(jù)智能掃地機(jī)器人的實(shí)際工作電流和環(huán)境溫度的考量，最后選擇 RUEF400 可以滿足要求。

　　

　　圖6 智能掃地機(jī)器人充電端口電路示意圖

　　智能掃地機(jī)器人都是采用機(jī)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(hù)，TE connectivity 公司 PolySwitch 元件可以實(shí)現(xiàn)電池的二次保護(hù)。這些保護(hù)包括過電流保護(hù)功能和過充電保護(hù)功能等，過電流保護(hù)功能指大電流異常充放電情況下 PolySwitch 元件產(chǎn)生保護(hù)動(dòng)作，達(dá)到電池安全防護(hù)功能。過充電保護(hù)功能指通過合適的 PolySwitch 元件安裝在電池組內(nèi)感觸電芯溫度，以實(shí)現(xiàn)電池過充電保護(hù)功能。

　　六、結(jié)束語

　　伴隨著智能掃地機(jī)器人的普及，安全可靠性是設(shè)計(jì)工程師不能回避的課題，本文針對(duì)智能掃地機(jī)器人中出現(xiàn)的馬達(dá)堵轉(zhuǎn)保護(hù)，電源充電端口保護(hù)以及充電電池的保護(hù)問題，TEconnectivity 公司有范圍廣泛的創(chuàng)新保護(hù)器件，提出了一整套完整的應(yīng)用解決方案。經(jīng)過試驗(yàn)驗(yàn)證，TE connectivity 公司的 PolySwitch 自恢復(fù)元件，能完全解決智能掃地機(jī)器人中的馬達(dá)堵轉(zhuǎn)保護(hù)，電源充電端口保護(hù)以及充電電池的保護(hù)問題。