CN110355748B - 燃爆驱动机器人的点火系统 - Google Patents

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Abstract

燃爆驱动机器人的点火系统，它涉及燃爆驱动机器人的点火领域。本发明是为了解决多腔精准控制燃爆时间同时点火的问题。它包括锂电池、脉冲升压电路、ESP32控制器、多个储能电容、多个IGBT开关电路和多个放电管，锂电池的电压输出端通过脉冲升压电路的电压输出端连接每个储能电容的电压输入端，每个储能电容的电压输出端连接一个IGBT开关电路的电压输入端，每个IGBT开关电路的电压输出端连接一个放电管的电压输入端，ESP32控制器的采样脉冲升压电路，脉冲升压电路的使能信号输入端连接ESP32控制器，ESP32控制器的控制信号输出端分别连接在每个IGBT开关电路的开关控制信号输入端上。

Description

燃爆驱动机器人的点火系统
技术领域
本发明涉及一种多腔同时燃爆的点火系统。属于燃爆驱动机器人的点火领域。
背景技术
过去的仿青蛙跳跃机器人是基于气动肌肉驱动的，这种驱动方式决定了其体形庞大，质量也比较重，而且机器人的结构也相对复杂，因此很难实现仿青蛙机器人的灵活跳跃能力。近年来随着化学燃料爆炸驱动技术的快速发展，机器人的能源供给方式得以变得更加小型化、清洁化、便捷化。燃爆驱动的仿青蛙软体跳跃机器人采用氢气作为可燃气体，氧气作为助燃剂进行燃爆化学反应。
点火系统用来点燃料和助燃剂的混合气体，是燃爆机器人的重要元件之一。目前国内外燃爆驱动的机器人的点火方式主要有两种：第一种是高压模块放电点火，第二种方式是使用热火头点火。
传统的高压模块放电点火是由振荡电路所产生的高频电压，之后经过升压变压器升成一万伏左右的高电压，然后进行尖端放电，放电频率为3～5Hz左右。这种脉冲点火器点火率高，能迅速点燃混合气体，可连续放电，如图11所示，这也是国内外燃爆机器人最常用的引爆方式。但脉冲点火的方法虽然点火率高，能迅速点燃混合气体，但不确定是第几次震荡放电才能点燃混合气体，因此燃爆时间会有几百毫秒的误差，而且一套装置只能点燃一个燃爆容腔。高压脉冲点火器的这两个缺点使其在燃爆机器人的应用上，尤其是多腔燃爆的精准控制上，存在很大的缺陷。另外，脉冲点火器需要很大的升压变压器，增大了机器人的重量，不利于装置的机载。
第二种方式是使用热火头点火，通电后，热火头上的铂合金金属丝开始发热，当热度达到一定程度时，混合气体被点燃。与高压脉冲点火系统相比，热火头点火所需的电压小，常用的3.3伏电池即可，而且具有结构紧凑的优点，但无法精准控制燃爆时间。
发明内容
本发明是为了解决多腔精准控制燃爆时间同时点火的问题，提供一种燃爆驱动机器人的点火系统。它包括锂电池1、脉冲升压电路2、ESP32控制器3、多个储能电容4、多个IGBT开关电路5和多个放电管6，锂电池1的电压输出端连接脉冲升压电路2的电压输入端，脉冲升压电路2的电压输出端连接每个储能电容4的电压输入端，每个储能电容4的电压输出端连接一个IGBT开关电路5的电压输入端，每个IGBT开关电路5的电压输出端连接一个放电管6的电压输入端，ESP32控制器3的采样信号输入端连接脉冲升压电路2的电压状态信号输出端上，脉冲升压电路2的使能信号输入端连接在ESP32控制器3的使能控制信号输出端上，ESP32控制器3的控制信号输出端分别连接在每个IGBT开关电路5的开关控制信号输入端上。
点火系统工作过程如图1所示，当ESP32控制器3发出开始充电信号时，锂电池1通过脉冲升压电路2将储能电容4两端电压充电至300伏左右，并向EPS32控制器3发送充电完成信号。放电管6通过基于IGBT的大功率开关电路控制，ESP32控制器3向IGBT开关电路5发出开关信号，从而控制储能电容4放电，击穿放电管中的电极，产生电火花。
本发明设计了一种点火系统，兼具背景技术所介绍的两种点火方式的优点，既能迅速的点燃混合气体，并且能精准控制多个腔燃爆的时间，而且结构紧凑，体积小重量轻，有效的降低机器人的自身重量。另外，还可以同时控制多路点火头点火，可以满足多腔体燃爆机器人的要求。
附图说明
图1是本发明的结构示意图，图2是实施方式二中脉冲升压电路的工作原理框图，图3是脉冲升压电路的电路结构示意图，图4是脉冲升压芯片A8437的多个引脚以及储能电容两端电压时序图，图5是外部电阻RSET的值、供电电流及供电电压关系曲线图，图6是IGBT的引脚结构示意图，图7是IGBT驱动器的引脚结构示意图，图8是IGBT开关电路5工作原理示意图，图9是IGBT开关电路5的电路结构示意图，图10是点火电极外形图片，图11是现有技术的外形图片。
具体实施方式
具体实施方式一：参照图1具体说明本实施方式，本实施方式包括锂电池1、脉冲升压电路2、ESP32控制器3、多个储能电容4、多个IGBT开关电路5和多个放电管6，锂电池1的电压输出端连接脉冲升压电路2的电压输入端，脉冲升压电路2的电压输出端连接每个储能电容4的电压输入端，每个储能电容4的电压输出端连接一个IGBT开关电路5的电压输入端，每个IGBT开关电路5的电压输出端连接一个放电管6的电压输入端，ESP32控制器3的采样信号输入端连接脉冲升压电路2的电压状态信号输出端上，脉冲升压电路2的使能信号输入端连接在ESP32控制器3的使能控制信号输出端上，ESP32控制器3的控制信号输出端分别连接在每个IGBT开关电路5的开关控制信号输入端上。
所述锂电池1为电压参数2.3伏至5.5伏的电池。
本实施方式应用在仿青蛙软体燃爆机器人。
具体实施方式二：下面结合图2至图5具体说明本实施方式。本实施方式是对具体实施方式一的进一步解释和限定，本实施方式中，脉冲升压电路2使用了直流斩波升压的原理向储能电容4充能。这一功能基于脉冲升压芯片A8437实现，如图3所示。A8437芯片功能是给电容进行充电，使用3.7伏的锂电池电源，将电容两端电压充电至数百伏，从而实现一级升压。
脉冲升压芯片A8437工作基本原理示意图如图2所示，脉冲升压芯片由3.7V锂电池供电，利用直流升压斩波的原理，借助升压变压器给电容充能，最终将电容两端的电压充至330V左右。图3中，VBAT与锂电池电源相连，CAP_V+与储能电容的正极相连。
A8437芯片的CHARGE引脚与ESP32控制芯片的GPIO相连。当CHARGE引脚为高电平时，A8437芯片使能并开始给储能电容充电。充电时基于直流斩波升压的原理，借助升压变压器给储能电容充电。A8437芯片的SW引脚可以检测升压变压器的主极电压。当变压器主极一侧的电压达到阈值a，例如31.5V时，停止充电。并将开漏输出的DONE引脚拉低。此时，储能电容两侧的电压为
VOUT＝31.5×N-Vd-----(1)
其中，N为升压变压器的匝数比，Vd为输出侧二极管的正向压降。
选择升压变压器的匝数比为1∶10.5，输出侧二极管SMA的选择耐压值较高的RS1M，其正向导通压降为1.3V。根据以上数据，带入式---(1)可得
Vout＝31.5X 10.5-1.3＝329.45V
因此在充电完成后，储能电容的两端的电压约为330V。
在使用过程中，电容中储存的电量会不断消耗，为了能有足够的电量进行放电点火，因此设计一个阈值b，当电容的电量低于此阈值b，且芯片的CHARGE依旧为高电平时，对电容进行充电，直到SW引脚检测到变压器主极一侧的电压达到31.5V，重复以上的循环，直到CHARGE引脚拉低。
设计电阻分压电路，对电容两端的电压进行测量。如图中的R2、R3。电阻R3一端接地，另一端与A8437的RGE引脚相连。因此REG引脚可以采集R3两端的电压，进而计算出储能电容4两端的电压。当REG采集到的电压低于0.96V时，对储能电容4进行充电操作。储能电容的最低电压阈值计算公式如下
VOUT(Low)＝VREG(L)×(R1/R2+1)＝290V-----(2)
式中，Vreg＝0.96V。
通过改变电阻R2和R3的阻值，即可设置电容最低电压的阈值大小。选择R2＝10M欧，R3＝33.2k，带入式---(2)可得V＝290V。
因此，当储能电容4两端的电压低于290V时，电容开始充电，直到SW引脚检测到变压器主极一侧的电压达到31.5V。上述过程各个引脚以及电容两端电压时序图如图4所示。
脉冲升压芯片A8437可以调节电容的充电电流，介于0.4和1.2A之间。这是通过选择从A8437芯片的ISET引脚连接的外部电阻RSET的值来完成的，它决定了ISET供电电流，从而决定了给电容充电的电流大小。充电电流与外部电阻Rset的对应关系如图5所示。
图5中，Vin即为锂电池的供电电压，电压为3.7V，设置外部电阻Rset的阻值为30K，则根据图5，可得电容充电的电流大小约为1.16A。
具体实施方式三：下面结合图6至图9体说明本实施方式。本实施方式与实施方式二的不同点是：设计多路开关电路，可以同时控制多个放电管同时放电。
由于储能电容4两端的电压高达330V，一般的用于开关电路的元器件，如三极管和莫斯管等，很难承受如此高的工作电压，而继电器虽然可以使用，但是其体积太大，并且每一路放电电路都需要一个继电器，这大大的增加的电路系统的体积和和重量，非常不利于跳跃机器人的小型化设计。而绝缘栅双极型晶体管IGBT具有耐压高，体积小的特点，可以用在电压几十到几百伏量级、电流几十到几百安量级的强电上。非常适合此处的应用场景，因此选择IGBT作为开关电路。
选择IGBT的型号为为RJP4002ASA，其最高耐压为400V，可以通过的最大电流为150A。其原理图如图6所示。其中，引脚1～4为集电极，引脚5～6位发射极，引脚8为栅极。IGBT具有MOS结构，其栅极由薄氧化硅绝缘。因此需要小心处理以保护设备免受静电影响。驱动信号的地必须仅连接到引脚7。如果其中流过大电流的发射极端子引脚5和6作为驱动信号从引脚7给予器件，则由于指定的栅极电压没有施加到器件内的IGBT，所以器件可能由于大电流而损坏。
由于绝缘栅双极型晶体管需要的驱动电流较大，单片机的IO引脚的电流难以直接驱动，故需要借助IGBT驱动器来使用。选择的IGBT驱动器型号为RD3CYD08，其采用5引脚封装，具有双输入与门，原理图及封装如图7所示。
单路放电电路的基本构成如图8所示，其基本原理为IGBT驱动器的控制引脚连接到单片机ESP32的GPIO引脚上，ESP32通过IGBT驱动器控制IGBT的通断，进而控制储能电容放电电路的通断。
单路放电电路的原理图如图9所示。IGBT驱动器RD3CYD08的引脚IN_A和引脚IN_B是与门双输入，将这两个引脚连接到同一个ESP32的GPIO口。当相连的ESP32的IO输出高电平时，驱动器输出引脚OUT_Y输出相应的控制信号，该引脚与IGBT的栅极，即引脚Gate相连，此时IGBT的集电极引脚1～4和发射极引脚5、6导通，即其相应的控制电路导通，输出电压一侧输出电容的高电压。
输出电压U用于提供给之后的电极点火。电极点火的原理是高压击穿两个电极之间的空气，产生电弧，此时电极等效于短路。因此，为了防止电极击穿时电流过大，在此回路中串联一个电阻，即图9中的R1，以限制电流的大小。选择的限流电阻需要有较大的耐压值的水泥电阻，大小为5欧。
接入限流电阻后的，此时最大的电流不超过66A，在IGBT的最大工作电流之内。但是此电流值依旧远远大于单片机的控制电流，因为击穿时产生的高次谐波通过地平面会对单片机侧控制电路造成电压扰动，引起单片机RESET复位引脚电压波动，导致单片机重启，对单片机的运行造成干扰。
为了避免以上情况发生，在单片机电路的控制地与点火系统的地之间，加入一个磁珠隔离，如图中的FB1所示。磁珠可以阻断在电极击穿点火的瞬间，击穿的大电流造成的高频信号干扰。与此同时，增大单片机复位电路的复位电容的大小，并减小复位引脚上拉电阻的阻值，增强其抗干扰的能力。
以上为单路放电电路，电容的容量为60uF，每次放电用的电量很少，因此一个电容可以供给多个放电电路同时使用。仅需重复上述放电电路，即可实现同时控制多路放电。根据燃爆机器人的实际情况，设计四路放电电路，即同时可以控制四个燃爆腔体的点燃。
具体实施方式四：一般情况下，空气介质击穿电压也可近似地用30kv/cm的击穿场强来估计。一级升压电路将锂电池3.7V的电压升压至330V并储存在电容中，但这远远不够空气的击穿电压。想要求得点火电极击穿气体所需要的电压值的大小，需先确定两个电极之间的距离。
使用金属排针制作点火的电极，如图10所示。设计两个电极尖端的间距为2毫米，因此击穿气体介质需要的电压约为6Kv左右。
采用触发线圈变压器进行第二级升压，触发线圈变压器的初级电感为28UH，次级电感为400UH，次级最高可输出25KV的高压。将触发线圈变压器的主级与上一级升压电路相连，并由多路放电电路控制通断。触发变压器的次级与点火电极相连。
触发线圈变压器即拍摄闪光灯的触发线圈，它可以瞬间产生8000V以上的触发电压触发闪光灯闪光。
本发明采用两级升压的方式，一级升压电路将锂电池3.7伏～4.2伏的电压升高至320伏左右，二级升压电路再将320伏左右的电压升到10000伏以上。点火系统通过击穿空气产生电弧从而引燃混合气体。空气的击穿场强大约为30kV/cm，设计点火头电极距离为2～3毫米，产生一万伏左右的电压。可以顺利电火花。如果直接升压，升压变压器的体积太大，非常不利于机器人的小型化设计。并且，如果机器人是多腔体燃爆，每一个点火头都需要一组升压模块，这又大大增加了机器人的体积和重量。

Claims (9)

1.燃爆驱动机器人的点火系统，其特征在于，它包括锂电池(1)、脉冲升压电路(2)、ESP32控制器(3)、多个储能电容(4)、多个IGBT开关电路(5)和多个放电管(6)，锂电池(1)的电压输出端连接脉冲升压电路(2)的电压输入端，脉冲升压电路(2)的电压输出端连接每个储能电容(4)的电压输入端，每个储能电容(4)的电压输出端连接一个IGBT开关电路(5)的电压输入端，每个IGBT开关电路(5)的电压输出端连接一个放电管(6)的电压输入端，ESP32控制器(3)的采样信号输入端连接脉冲升压电路(2)的电压状态信号输出端上，脉冲升压电路(2)的使能信号输入端连接在ESP32控制器(3)的使能控制信号输出端上，ESP32控制器(3)的控制信号输出端分别连接在每个IGBT开关电路(5)的开关控制信号输入端上；
脉冲升压电路(2)基于脉冲升压芯片A8437，借助升压变压器给储能电容(4)充电；A8437芯片的CHARGE引脚与ESP32控制芯片的GPIO相连，当CHARGE引脚为高电平时，A8437芯片使能并开始给储能电容充电；脉冲升压芯片A8437的SW引脚检测升压变压器的主极电压；当变压器主极一侧的电压达到阈值a时，停止充电；并将开漏输出的DONE引脚拉低。
2.根据权利要求1所述燃爆驱动机器人的点火系统，其特征在于为保证能有足够电量进行放电点火的过程包括：检测储能电容(4)中储存的电量是否低于一个阈值，当储能电容(4)的电量低于此阈值b，且芯片的CHARGE依旧为高电平时，对储能电容(4)进行充电，直到SW引脚检测到变压器主极一侧的电压达到阈值a；重复以上的过程，直到CHARGE引脚拉低。
3.根据权利要求2所述燃爆驱动机器人的点火系统，其特征在于，它还包括电阻分压电路，电阻分压电路由电阻R2和电阻R3组成，电阻R3一端接地，电阻R3另一端与A8437的RGE引脚和电阻R2的一端相连，电阻R2的另一端与储能电容(4)的正极相连。
4.根据权利要求1所述燃爆驱动机器人的点火系统，其特征在于，选择绝缘栅双极型晶体管IGBT作为开关电路，IGBT的型号为RJP4002ASA。
5.根据权利要求4所述燃爆驱动机器人的点火系统，其特征在于，它还包括 IGBT驱动器，IGBT驱动器的型号为RD3CYD08。
6.根据权利要求5所述燃爆驱动机器人的点火系统，其特征在于IGBT驱动器RD3CYD08的引脚IN_A和引脚IN_B是与门双输入，这两个引脚连接到同一个ESP32的GPIO口；当相连的ESP32的IO输出高电平时，驱动器输出引脚OUT_Y输出相应的控制信号，该引脚与IGBT的栅极，即引脚Gate相连，此时IGBT的集电极引脚1~4和发射极引脚5、6导通，即其相应的控制电路导通，输出电压一侧输出储能电容(4)的高电压；储能电容(4)的正极与放电电极之间串联一个电阻R1，为水泥电阻，阻值为5欧姆。
7.根据权利要求6所述燃爆驱动机器人的点火系统，其特征在于在IGBT驱动器的控制地与IGBT的地之间，加入一个磁珠隔离。
8.根据权利要求1所述燃爆驱动机器人的点火系统，其特征在于每个放电管(6)包括两个放电电极和一个触发线圈变压器，两个放电电极分别连接触发线圈变压器的一个输出侧接线端，触发线圈变压器输入侧的一端接地，触发线圈变压器输入侧的另一端接IGBT开关电路(5)的电压输出端。
9.根据权利要求8所述燃爆驱动机器人的点火系统，其特征在于放电电极使用金属排针制作，两个放电电极尖端的间距为2毫米。
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