扫地机器人的设计都将面临着什么样的挑战

（文章来源：21IC电子网）

扫地机器人车轮的力量决定了它的越障能力。为了能够通过厚地毯和越过门槛，其电机功率需要达到至少30W或更高。如果发生失速或过载事件，例如车轮被电线卡住，电机绕组电流将立即上升。延迟检测到这种情况会导致电机过热并缩短其寿命。

在该应用中用作运算放大器（op amps）电机控制系统中的电流感测电路的关键参数是压摆率。例如，当发生失速事件时，绕组电流会从0．5A上升到3．5A，运算放大器的相应输出为0．5V至3．5V（50mΩ分流电阻和20－V／V增益）。使用压摆率为0．5V／μs的运算放大器时，阶跃变化的安定时间约为6μs，而使用TI的TLV905x等压摆率为15V／μs的运算放大器，相同阶跃变化的安定时间仅为0．2μs。因此，使用瞬态响应速度提高30倍的TLV905x将增加控制器执行过流保护的余量。

扩大电池容量是扫地机器人面临的一大重要设计挑战。消费者期望机器人在需要再次充电前，能够完成一个完整的清洁周期。使用低质量电流感测的高输出电压纹波将产生无法使用的电池容量。例如，如果4．2V时的电池精度为±3．5％，经过250次充电循环后会将可用电池容量降低至40％，而如果4．2V时的电池精度为±0．5，则会使可用电池容量保持在85％。

电压和电流感应电路在控制回路中产生反馈电压和电流信号。为了实现高精度和稳定性，偏移电压和温度漂移是此处所用运算放大器的两大关键参数。监控电池组的温度是扫地机器人的一大主要安全问题。与温度传感器的解决方案相比，监控电池组温度的具有成本效益的方法是使用NTC热敏电阻感测电路。温度感测不准可能导致电池组过热或烧坏。

测量温度的一种方法是使用电阻和热敏电阻来分配电源，并将分压器输出直接连接到系统控制器内部的模数转换器（ADC）引脚。分压器的输出阻抗很低，输出电压范围对ADC来说并不理想，因此这种方式效率不高，且测量结果不准确。当扫地机器人构建环境地图时，里程计应提供用于绘图的准确行进距离。里程计测量不准将导致机器人的定位和导航精度较低。

测量里程的常用方法是使用光电解码器或霍尔效应传感器并对脉冲进行计数，以获得里程信息。通常来讲，里程计安装在车轮内部，因此印刷电路板走线很长，更容易受到开关噪声的影响，从而导致输出信号在MCU的输入端口失真。

系统控制器通常位于控制板的中心，而电机安装在电路板的边缘。因此，直接连接到MCU端口的驱动信号更容易产生噪声或失真，导致电机意外运行。

此处的解决方案是加装一个用作增强器的运算放大器，而不是将驱动信号与MCU引脚连接的电路。控制器通过图腾柱场效应晶体管驱动器产生PWM信号，以驱动H桥功率晶体管。PWM增强器电路有助于最大限度地减少延迟并增强PWM信号，同时降低噪声和失真。

防跌落传感器用于检测楼梯的高度，而碰撞传感器用于检测扫地机器人周围的障碍物。距离检测出错时，会导致传感器性能不准，从而发生碰撞或跌落事件，并导致机器人损坏。具有低输入偏置电流的互阻抗运算放大器电路在此处被广泛使用。

TI的TLV906x、TLV905x和TLV900x通用放大器非常适用于上述的六种情况，设计人员可以利用其缩短产品上市时间，并克服常见的设计挑战。