基于AVR的电源管理系统的设计

0 引言

当今， 由于在民用及国防等诸多领域中的广泛应用， 空中机器人技术已经越来越被人们所重视， 并吸引了各国专家学者的注意。小型旋翼机器人是以模型直升机为载体， 装备上传感器单元， 控制单元和伺服机构等装置以实现自主飞行。而为了提高飞机的安全性， 需要设计一套设备监测系统， 实时的监测飞机的姿态信息， 机载设备的状况以及电源的情况等。

该平台所使用的电源是两节锂电池串联组成的电池组， 利用锂离子电池的充放电特性， 设计了一套以mega16l 为核心的充放电管理系统。锂电池具有体积小、能量密度高、无记忆效应、循环寿命高、高电压电池和自放电率低等优点， 与镍镉电池、镍氢电池不太一样的是必须考虑充电、放电时的安全性，以防止特性劣化。因此在系统运行过程中， 为了保护锂电池的安全， 设计了一套欠压保护电路， 以防止电源管理系统因过用而发生电池特性和耐久性特性劣化。

1 电源管理系统总体框架

无人机电源管理系统是飞机实现自主飞行的重要组成部分， 其大致框架如图1 所示。在该系统中， 利用AXI 公司生产的2212/ 34 型号发电机将动能转换为220V 交流电， 再经过整流稳压后输出11.6V 的直流电压， 可由该输出电压为两节锂电池充电。电源管理系统的控制器是meg a161 单片机， 该控制器通过检测两节锂电池的电压大小从而控制继电器开关来对电池进行充放电管理。

图1 电源管理系统框架

控制器采集到电源系统中的信息后， 通过无线传输设备将该数据实时传输给地面。地面监控平台还可以发送一些指令给mega16l, 通过控制继电器开关来控制电池充放电， 从而实现监测和控制飞机的目的。

机上电源模块由两节英特曼电池有限公司生产的锂电池组成， 电池组电量充足时电压为8?? 4V.电池的荷电量与整个供电系统的可靠性密切相关， 电池剩余电量越多， 系统的可靠性越高， 因此飞行时能实时获得电池的剩余电量， 这将大大提高飞机的可靠性。

2 电源监控系统的实现

直升机能顺利完成飞行任务， 充足的电源供应不可或缺。

由锂电池的特性可知， 在过度放电的情况下， 电解液因分解而导致电池特性劣化并造成充电次数降低。因此为了保护电池的安全， 电源系统在给控制系统供电前要经过欠压保护模块和稳压模块。为了预测电源系统中剩余的电量， 这里采用检测电源系统电压的方法， 在测得系统的电源电压后， 查找由放电曲线建立的数据库， 就能估计出电源系统中所剩余的电量。

单片机所需要的电源电压是2. 7 ~ 5.5V, 因此可为meg a16l 设计外部基准电压为2.5V, 该基准稳压电路如图2所示。所以系统要检测电池的电压， 需要将电池用电阻进行分压且最大分得的电压值不能超过2.5V.控制器测得的电压值乘上电压分压缩小的倍数后， 就能得到电源系统中的实时电压。时刻监测锂电池的用电情况， 防止电池过用现象出现， 就能达到有效使用电池容量和延长寿命的目的。

图2 基准电压电路

2.1 硬件设计

2.1.1 直流无刷电机电路

无刷直流电机是由电动机主体和驱动器组成， 是一种典型的机电一体化产品。直流无刷电机与一般直流电机具有相同的工作原理和应用特性， 而其组成是不一样的， 除了电机本身外， 前者还多一个换向电路， 直流无刷电动机的电机本身是机电能量转换部分， 它除了电机电枢、永磁励磁两部分外， 还带有传感器。该发电机的部分AC-DC 电路如图3 所示。

图3 无刷电机AC-DC 电路