DIY小四轴之电路设计（一）_电池包的电量—电压特性图

作者：不正经 | 2024-04-11 04:59:10

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电池包的电量—电压特性图

DIY小四轴之电路设计（一）

写在前面

前一阵时间一直在做四轴飞行器，略有一点收获吧，在这里分享出来，一方面算是对自己的总结，另一方面希望能给想做小四轴的读者一些思路。本人并非电学专业，如有不对之处，恳请斧正。

综合考虑到读者群体的能力范围，可能会讲的有些细，涉及到单片机、数字电路、模拟电路的一些内容。另一方面，为了更好地学习本篇文章，希望读者具有以下基础：

STM32单片机基础，任意系列都可以；
Altium Designer电路板设计；
一部分数字电路、模拟电路知识。

一、概念篇

四轴飞行器又称四旋翼飞行器，简称四轴，它的基本原理是四个电机直连螺旋桨旋转，产生升力，带动四轴飞行。

四轴飞行器的结构特性是，有两对电机正转、两对电机反转，具有相同旋转方向的电机在对角线上。
在这里插入图片描述

如上图就是1号3号电机逆时针转、2号4号电机顺时针转。这样做的目的是，实现多个自由度的控制。

比如，若1号4号减速，3号2号加速，就可以使得四轴向左侧倾斜，从而向左移动；如果1号3号减速，2号4号加速，则可以使得四轴在不倾斜的情况下，发生旋转，从俯视角度来看四轴会逆时针转动。
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想要理解上面这两个例子，你可以把四轴的螺旋桨在空气中的状态，想象成鸭子的脚蹼在水中划水。要想真正透析其中变化的原因，需要根据牛顿第二定律结合受力分析去推导，然后建立一个模型，从而实现求解，在此不多作展开。

参考资料：
https://baike.baidu.com/item/四轴飞行器/3216074?fromtitle=%E5%9B%9B%E6%97%8B%E7%BF%BC%E9%A3%9E%E8%A1%8C%E5%99%A8&fromid=7293393&fr=aladdin.

四个电机转速相同就能够保持平衡

这是个非常理想的状态，但实际在制作飞行器的过程中，一方面四个电机转速不一定会完美相同，另一方面受限制于工艺，四轴的重心也不一定在几何中心。

因而对于四轴四个电机转速的控制，我们并不是去寻求绝对的平衡，而是需要动态平衡。说句大白话就是，因为它总是会飞歪，所以我们得不断地去纠正它的飞行姿态。

那么既然要纠正它的飞行姿态，我们一般要考虑通过一些传感器（Sensor）去获取这个姿态，才能知道该如何去纠正。四轴飞行器常用的传感器有：陀螺仪、加速度传感器、气压计、激光定高等等，这些传感器具体的功能如下表所示。

传感器类型	作用	常见型号
陀螺仪、加速度传感器	获取飞行姿态、加速度等信息	MPU6050、MPU9250等等
气压计	获取飞行器高度信息	SPL60、BMP250等等
激光定高	获取飞行器高度信息	略（百家争鸣）
光流	获取飞行器位置信息	略（百家争鸣）

除了四个电机、传感器之外，还需要考虑设备之间的通信，比如遥控器信号发送给四轴，四轴把剩余电量信息返回给单片机。常用的通信模块有Si24R1、蓝牙模块等等。
经过上面的讨论，总体来说四轴的功能齐全了，其整体框图可以概括如下：

我们要考虑制作的四轴不需要机架，而是通过Altium Designer将电路板（PCB）制作成机架的样子。其大体形状类似于这样，后面会慢慢讲。
在这里插入图片描述

二、电源设计

电源其实是一种供电方案的设计，小的四轴通常使用3.7v可充电的锂电池供电。
在这里插入图片描述
在此提供一种供电方案，先升压后稳压，这种供电电路的特点是，电量消耗可能比较快，但输出电压稳定。

第一部分是升压，目的是将3.7v的锂电池电压，升压到5V，上面是这个升压电路的原理图。在原理图中最左侧是一个电池的插座，后面由开关S1控制电池的供电情况。再向后看有一个DC-DC升压芯片HT7750SA，这个芯片的具体配置方法应该查询它的数据手册Datasheet，数据手册中往往会给出这种芯片的基本电路。

参考资料：
https://html.alldatasheet.com/html-pdf/947649/HOLTEK/HT7750SA/1109/5/HT7750SA.html.

在它的数据手册中给出的基本电路图如下

![在这里插入图片描述]https://img-blog.csdnimg.cn/20191031091221321.png?x-oss-process=image/watermark,type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk,shadow_10,text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L1hpYW9sdV9ZaXJlbg==,size_16,color_FFFFFF,t_70)

前面有一个电容C-电感L滤波电路，它的作用是去除输入端的交流分量；后面输出端的电容Cout是一个旁路电容，能使升压器的输出均匀化。

对比上面原理图，可以看出，我们其实调整了两个地方，一个是输入端的电感L，经实际测试常用的4.7uH电容效果比较好；另一个是后面的Cout改为两个电容并联，效果是差不多的。

第二部分是稳压，使用一个线性升压器XC6206，目的是将5v的电压降低至3.3v，从而给单片机以及传感器供电。这个电路就基本上按照Datasheet里面给的参考电路去布置就可以。这里有一点不同的就是多了一个二极管，这个二极管是为了避免电流倒灌。

在这里插入图片描述

参考资料：
https://wenku.baidu.com/view/2c9edae8cdbff121dd36a32d7375a417876fc155.html.

这样我们一共有了三条电压主线，一条是VBAT（3.7v），可以直接给空心杯电机供电，外两条分别是5v、3.3v，给单片机和各类传感器等设备供电。

最后还有一个测量电路，如下图所示，原理是将电池电压通过两个相等的大电阻R3、R4，然后测量R4上面的电压VBAT_T，然后实际的电池电压量应该为2倍的VBAT_T，最后根据电池包的电量—电压特性图将电压量转化为电量就可以了。其中VBAT_T连接在STM32单片机的ADC上面，通过ADC读取电压值。

在这里插入图片描述

(未完待续)

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