第五屆全國大學生智慧型汽車競賽
（競賽秘書處技術組版本1.1）
第五屆全國大學「飛思卡爾杯」智慧型汽車競賽新增加了「電磁組」。根據比賽技術要求，電磁組競賽，需要選手設計的智慧型車能夠檢測到道路中心線下電線中20khz交表電流產生的磁場來導引小車沿著道路行駛。在平時除錯和比賽過程中需要能夠滿足比賽技術要求的20khz的交流電源驅動賽道中心線下的線圈。
本文件給出了電源設計參考方案，參賽隊伍可以根據這些參考設計方案自行設計製作所使用電源。
一、 電源技術指標要求：
根據《競賽比賽細則》附件三關於電磁組賽道說明，20khz電源技術要求如下：
1、 驅動賽道中心線下鋪設的0.1-0.3mm直徑的漆包線；
2、 頻率範圍：20k±2k；
3、 電流範圍：50-150ma；
下圖是賽道起跑區示意圖，在中心線鋪設有漆包線。
圖1 競賽跑道起跑區示意圖
首先分析賽道鋪設銅線的電抗，從而得到電源輸出的電壓範圍。
我們按照普通的練習賽道總長度50，使用直徑為0.2mm漆包線。在30攝氏度下，銅線的電阻率大約為 0.
0185歐姆平方公釐/公尺。計算可以得到中心線的電阻大約為29.4歐姆。
按照導線電感量計算機公式：。其中l, d的單位均為cm。可以計算出直徑為0.2mm，長度50公尺的銅線電感量為131微亨。對應20khz下，感抗約為16.5歐姆。
可以看出，線圈的電感量小於其電阻值。由於導線的電感量與鋪設的形狀有關係，上述計算所得到的電感量不是準確數值。另外，我們可以在輸出時串接電容來抵消電感的感抗。
所以估算電源電壓輸出範圍的時候，我們不再特別考慮線圈的電感對於電流的影響。
為了方便設計，我們設計電源輸出電壓波形為對稱方波。由於線圈電感的影響，線圈中的電流為上公升、下降沿緩變的方波波形。如下圖所示
圖2 線圈驅動電壓與電流示意圖
對於電阻為29.4歐姆的賽道導線，流過100ma的電流，電壓峰值應該大於3v。考慮到賽道長度有可能進一步增加、漆包線的直徑減少等原因，設計電源輸出電壓的峰值為6v。
在輸出電流為150ma的時候，電源輸出功率大約為0.9w。
二、 電源組成
電源電路包括振盪電路、功率輸出電路、恆流控制電路以及電源等組成。如下圖所示：
圖3 電源組成框圖
如上各分部功能可以採用不同的電路實現。下面分別給出各個電流的參加考設計方案。
1、 振盪電路：
產生中心頻率為20khz的對稱方波訊號。為了滿足功率輸出電路的需要，一般輸出極性相反的訊號。可以使用普通的555時基電路產生振盪訊號，也可以使用簡易的微控制器產生振盪訊號。
為了方便除錯，訊號頻率能夠在一定範圍內進行調整。
圖4 由555時基電路組成的振盪電路
、圖6 由mega8微控制器組成的訊號發生電路
在上圖所示使用微控制器mega8產生20khz的訊號。可是使用微控制器中定時器、pwm模組或者中斷來實現。同時還可以外部連線顯示介面顯示當前的輸出頻率、輸出電流的大小。
2、 功率輸出電路：
由於輸出驅動訊號電壓、電流、頻率較大，需要一定輸出功率驅動跑道線圈，因此最後需要功率輸出電路。可以採用分立大功率電晶體搭建輸出電路，也可以使用的電機驅動橋電路整合模組。選擇時需要注意電路的頻率響應應該大於20khz，輸出功率大於2w。
在製作時需要注意電路的散熱。
圖7 基於分立元器件的功率輸出電路
圖8 由l298組成的功率輸出電路
圖9 基於vmos/ir2153功率輸出電路。
在上面電路中，ir2153一方面內部整合了類似於555的時基振盪電路以及vmos管驅動電路。
3、 恆流控制：
恆流電路控制輸出電流在100ma左右穩定，不隨著電源的變化而發生波動。根據比賽規則的要求，恆流輸出控制不需要特別的精確。
一般要求不高的情況下可以使用限流電阻控制電流的穩定。如下圖所示：
圖10 輸出限流電阻
也可以利用電晶體的在放大區集電極的恆流特性進行控制。下圖所示為npn電晶體和n溝道的mos管的輸出特性的橫流特點：
具體恆流電路如下圖所示：
圖11 利用npn電晶體的恆流輸出電流
圖12 利用pnp電晶體的恆流輸出電流
電晶體可使用大功率雙極性電晶體，也可以使用功率mos管。從電流設定穩定性和恆流特性來看，使用功率雙極性電晶體更好。
4、 電源：
電源部分提供電路中所需要的各種低壓穩壓電源。保證訊號振盪電路和恆流控制電路的穩定性。可以使用一般串聯穩壓積體電路實現。
三、 參考設計電路：
如下給出了三個完整的參考設計電路圖。電路設計可以有很多的組合方式，大家可以根據自己的理解和經驗自行設計。
圖12 基於ir2153的設計
圖13 基於555的設計
圖14 第五屆競賽秘書處提供20khz電源電路
四、 除錯：
電源設計完製作完畢後需要進行如下的除錯：
1、 輸出電流除錯：
電源安裝完畢後可以外接10-100歐姆的負載進行調整輸出電流。可以直接使用示波器測量阻性負載的外加電壓的峰峰值，再除以電阻的阻值，便可以得到輸出電流的數值。也可以在電路的功率輸出橋下外接乙個直流毫安表來顯示輸出電流的大小。
如圖12，13中的外接電流錶所示。
調節恆流設定電位器，使得輸出電流在100ma左右。外部負載電阻在10和100歐姆的時候，都應該在50-150ma之內。
2、 輸出頻率除錯：
可使用的示波器或者具有頻率測量的萬用表測量輸出電壓的頻率。外接10歐姆的負載進行測量負載上電壓的頻率。
調節頻率設定電位器使得電源頻率輸出在20±2khz。
圖15 安裝完畢的電源和頻率測試萬用表
除錯完畢後，使得電源在負載10歐姆之下連續工作1個小時，電源輸出的電流、頻率都不會漂移出要求的範圍。
注意事項：
1、 功率管散熱：
在外部負載比較小的時候，電路中功率輸出電晶體、恆流控制電晶體上的功耗比較大。特別是在整個電路的電源電壓較高（比如+12v）的時候，需要對於功耗比較大的電晶體進行合理的散熱，以提高電源的工作熱穩定性。
2、 電源：
根據賽道線圈的阻抗，選擇電源電壓值。如果外部線圈阻抗較低，可以選擇5-7.2v的工作電壓。
如果道路線圈阻抗較大，超過了100歐姆，使用+12v的直流電源。可以使用直流穩壓電源，也可以使用蓄電池進行供電。
3、 串接諧振電容：
當賽道比較長的時候，賽道線圈的電感較大，可以在賽道線圈連線中通過串聯電容抵消賽道線圈的感抗。具體電容的大小可以根據實際測量賽道的電感進行匹配。
第五屆全國大學生智慧型汽車競賽
秘書處技術組
2010-12-10
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