導言：自從美國iRobot在2002年推出全球第一款掃地機器人之後，掃地機器人開始風靡全球。由於家庭清潔是智能掃地機器人獨自完成的，對於智能掃地機器人的生產廠家來說，除了產品的智能化，產品的可靠質量對於消費者而言更加重要。本文重點討論智能掃地機器人的保護解決方案。

近些年隨著計算機技術、人工智能技術、傳感技術以及移動機器人技術的發展，很多智能係統開始運用到小家電中，其中有代表性的就是智能掃地機器人。自從美國iRobot在2002年推出全球第一款掃地機器人之後，掃地機器人開始風靡全球，全球包括中國的消費者都可以在打掃家庭衛生時享受到智能掃地機器人帶給我們的愉悅輕鬆感。由於家庭清潔是智能掃地機器人獨自完成的，在打掃衛生時可能並沒有人來看管這些智能掃地機器人，碰到故障時機器人要能及時保護，同時在故障排除後能恢複正常工作。所以對於智能掃地機器人的生產廠家來說，產品的智能化固然重要，但是質量可靠的產品對於消費者而言更加重要。本文就是重點討論智能掃地機器人的保護解決方案。

一、TE connectivity公司PolySwitch係列產品介紹

TE connectivity是全球最大的無源器件專業提供商，同時也是全球最大的電路保護器件專業供應商，它是高分子材料正溫度係數電阻的發明者，其過流過壓保護器件廣泛應用於消費電子、IT、通信、工業、汽車等多個領域。在過流保護方麵，泰科電子提供PolySwith自恢複元件，在過壓保護方麵，泰科電子提供GDT氣體放電管和PESD/SESD靜電保護元件，此外，泰科電子還提供綜合保護元件2Pro和PolyZEN，MHP，RTP等眾多產品。

TE connectivity有眾多的PolySwitch型號可供用戶選擇，比如Radial-leaded、Surface-mount和LVR係列可複位電路保護元件，它們是專門用於防止商用和家用電器中使用的馬達和變壓器因過載、過熱、堵轉、零線故障和其它潛在因素導致的損壞的器件，以及電池上專用的Strap封裝可複位電路保護元件等。TE connectivity公司Radial-leaded、Surface-mount和LVR係列產品包括了多種額定值為16VDC，24VDC，30VDC，72VDC乃至 110VAC和240VAC線電壓等級產品，這些產品阻抗低、動作時間快、體積小並具備可複位功能，有助於電路設計者推出安全和可靠性良好的產品，並且減少了保修期內的修理費用。

與一次性使用的保險絲不同，PolySwitch元件無需在發生故障後進行更換。在過電流狀況排除以及供電斷開後，電路將恢複至正常的運行條件。與雙金屬型斷路器產品相比，PolySwitch具有更高的靈活性、更長的使用期限以及更低的電磁幹擾（EMI）。

二、智能掃地機器人介紹

智能掃地機器人利用了超聲波測距的原理，通過向前進方向發射超聲波脈衝，並接受相應的返回聲波脈衝，對障礙物進行判斷，通過MCU或者DSP為核心的控製器實現對超聲發射和接受的控製，並在處理返回脈衝信號的基礎上加以判斷，從而選出一個優化的路徑，通過驅動器驅動兩個步進馬達，帶動驅動輪而實現行走功能。同時，由其自身攜帶的吸塵部件，對經過的地麵進行吸塵清掃。

通常智能掃地機器人由移動機構、感知係統、控製係統、清掃係統以及電源係統五部分構成的複雜係統，移動機構是智能掃地機器人的主體，它決定了機器人的運動空間，家庭用的掃地機器人一般采用輪式機構。感知係統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綜複雜的環境信息。控製係統是通過以上各種傳感器的使用，得到機器人控製所需要的各種信號，這些信號被送到控製器，由控製器進行存儲、運算、處理，然後發出相應命令通過執行機構使智能掃地機器人的機械本體完成規定動作。清掃係統一般有主地刷、邊刷和吸塵器，主地刷和邊刷用於強力清掃地板上的吸附物，吸塵器吸取地板上較小的物體。電源係統是指智能掃地機器人的供電方式，由於掃地機器人是以自主方式工作的，因而所用的電源為采用隨機身攜帶的蓄電池，這樣不但可實現無人控製，而且工作時較靈活，一次充電可以連續工作幾個小時。

 
 
                           圖1 智能掃地機器人的原理框圖

下頁內容：PolySwitch元件選型的一般流程

三、PolySwitch元件選型的一般流程

下麵首先介紹一下PolySwitch選型的一般流程。

首先確認PolySwitch的阻值上限R1max。下圖2為PolySwitch阻值上限R1max的計算流程。
 



其次確認PolySwitch阻值下限Rmin。下圖3為PolySwitch阻值下限Rmin的計算流程。
 


最後確認PolySwitch的物理參數，比如元件的封裝尺寸等是否滿足要求。

下頁內容：智能掃地機器人馬達堵轉保護

四、智能掃地機器人馬達堵轉保護

本文主要討論智能掃地機器人的馬達堵轉保護解決方案，由於在使用地麵清潔功能時，由於地麵物品的不可預測性，比如地麵上有一些異物，比如頭發以及線繩等，掃地機器人在行走的過程中往往會被這些異物纏住而發生馬達堵轉。馬達堵轉是指異物將馬達軸承固定不使其轉動，這時電壓還加在馬達的兩端，這時候的電流就是堵轉電流，一般的馬達設計時都是不允許發生堵轉的，因為馬達發生堵轉之後馬達線圈的溫度會急劇上升，溫度超過線圈的最高溫度之後，時間稍長就會燒壞馬達，這即增加了消費者的不便，也增加了生產者的維修成本。所以在智能掃地機器人中增加馬達保護裝置是必不可少的，而且是在堵轉消除後能自動恢複的保護方案，基於以上原因，TE connectivity公司的可恢複電阻PolySwitch是一個較完善的方案。

關於馬達的堵轉保護，在IEC/EN60950信息技術設備的安全性一般要求5.3.2子條款裏麵，就有關於馬達保護的描述。在UL1017真空吸塵機、鼓風機及家用地板清潔類產品的安規要求裏，子條款4.8.3.1也有馬達過載保護的詳細描述，另外在EN 60335-1家用電器及類似電器的安全一般性要求裏，也有類似的保護描述。

智能掃地機器人有左右二個行走輪，每個輪子都裝有馬達和光電傳感器，他們接受控製係統的控製信號，並反饋給控製係統運動信息。智能掃地機器人的清掃係統部分，包括主地刷馬達驅動的主地刷清掃裝置，以及邊刷馬達驅動的邊刷清掃裝置，以及一個吸塵裝置。這樣在智能掃地機器人裏分別會有兩個驅動輪馬達、一個主地刷馬達、一個邊刷馬達以及一個吸塵馬達共5個馬達。

下麵以某智能掃地機器人的行走輪為例來分析馬達的堵轉保護問題。

設計時要求如下：行走輪馬達的最大工作電流為0.3A，掃地機器人的PCB周圍環境最低溫度為10C，最高溫度為50C，充電電池的最高電壓為22.5V，客戶需要表麵貼裝的保護元件來保護馬達，馬達的保護時間要在10S以內。

首先可以考慮TE connectivity公司的miniSMDC050F PolySwitch元件，參考該公司的產品說明書，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。

然後在10C環境溫度下測試馬達在堵轉情況下的保護時間，看能否滿足10S的要求。

選取電阻為Rmin的miniSMDC050元件，圖4為行走輪馬達的堵轉保護實測波形，從圖中可以看出，它的堵轉保護時間為3.0S，遠遠小於客戶要求的10S要求，所以miniSMDC050F能完全滿足智能掃地機器人行走輪馬達的保護。



                             圖4    行走輪馬達的堵轉保護實測波形

下頁內(nei) 容：智能掃地機器人電源充電端口保護和充電電池保護

同理也可以選取出各自的表麵貼裝PolySwitch元件來保護主地刷馬達和邊刷馬達。但是對於(yu) 吸塵馬達，由於(yu) 它的工作電流較大，最大為(wei) 2.9A，而且PolySwitch元件的最大電壓要超過22.5V，這樣從(cong) Surface-mount封裝的PolySwitch裏不能選出合適的產(chan) 品來滿足在50C溫度下能維持 2.9A電流。這樣可以從(cong) TE connectivity公司的Radial-leaded係列裏挑選合適的PolySwitch。可以首先選取RUEF400，它在50C環境溫度下hold電流能力為(wei) 3.08A，它的最高電壓為(wei) 30V，然後就挑選Rmin的RUEF400測試在10C溫度下的堵轉保護時間。圖5為(wei) 吸塵馬達的堵轉保護實測波形，從(cong) 圖中可以看出，它的堵轉保護時間為(wei) 6.0S，小於(yu) 客戶要求的10S要求，所以RUEF400能完全滿足智能掃地機器人吸塵馬達的堵轉保護。

 

                                   圖5    吸塵馬達的堵轉保護實測波形

五、智能掃地機器人電源充電端口保護和充電電池保護

智能掃地機器人可以在家中沒人的情況下，按照最優化的清潔路徑自行進行全麵的清掃，當它沒有電的時候，還可以自動回到充電樁去充電。可見智能掃地機器人的自動充電功能非常實用。由於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自恢複元件來實現充電端口的保護，一旦PolySwitch元件檢測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又可以恢複到原有的阻值來幫助係統重新正常工作。圖6 是智能掃地機器人充電端口的電路原理示意圖，由於PolySwitch是放置在交流變壓器的後端，故不必采用TE connectivity公司LVR係列自恢複元件，隻需要用Radial-leaded係列自恢複元件。根據智能掃地機器人的實際工作電流和環境溫度的考量，最後選擇RUEF400可以滿足要求。
 

                                         圖6   智能掃地機器人充電端口電路示意圖

智能掃地機器人都是采用機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，TE connectivity公司PolySwitch元件可以實現電池的二次保護。這些保護包括過電流保護功能和過充電保護功能等，過電流保護功能指大電流異常充放電情況下PolySwitch元件產生保護動作，達到電池安全防護功能。過充電保護功能指通過合適的PolySwitch元件安裝在電池組內感觸電芯溫度，以實現電池過充電保護功能。

六、結束語

伴隨著智能掃地機器人的普及，安全可靠性是設計工程師不能回避的課題，本文針對智能掃地機器人中出現的馬達堵轉保護，電源充電端口保護以及充電電池的保護問題，TE connectivity公司有範圍廣泛的創新保護器件，提出了一整套完整的應用解決方案。經過試驗驗證，TE connectivity公司的PolySwitch自恢複元件，能完全解決智能掃地機器人中的馬達堵轉保護，電源充電端口保護以及充電電池的保護問題。