Moduł zasilania robota czterokołowego

Czerwiec 29, 2015
Wysłane przez Michał Drwięga

W celu dostarczenia napięć dla poszczególnych modułów opisanego wcześniej robota czterokołowego, a także zabezpieczenia jego akumulatorów, zdecydowano się zaprojektować osobny moduł zasilania. Napięcie zasilania dostarczane z akumulatorów zostało w module rozdzielone na trzy linie. Pierwsza odpowiada za dostarczenie napięcia zasilania do silników i płyną w niej największe prądy. Druga linia dostarcza prąd do przetwornic impulsowych obniżających napięcie, z których następnie zasilana jest większa część układów logicznych. Natomiast trzecia linia wykorzystuje stabilizator liniowy i dostarcza zasilanie pomocnicze o napięciu 5 V do układów kontrolujących stan akumulatora. Projekt modułu wykonano w studenckiej wersji oprogramowania Altium Designer. W dalszej części znajdują się schematy modułu oraz jego wizualizacje 3D.

4wd_power_supply_scheme1
Schemat głównej części modułu zasilania

Przetwornice impulsowe i przełączniki zasilania

W module wykorzystano dwie przetwornice impulsowe oparte na układach ST1S10 firmy STMicroelectronics obniżające napięcie akumulatora do około 3,3 V i 5 V. Aby zapewnić poprawną pracę przetwornic opartych na wymienionych układach wymaga się dość starannie dobranych elementów dyskretnych, a także odpowiedniego projektu obwodów drukowanych. Proces doboru elementów, a także projektowania obwodów drukowanych został opisany w nocie aplikacyjnej ST1S10 Application Note.

 

Układ zaprojektowano w taki sposób, aby z poziomu komputera nadrzędnego (Raspberry Pi) była możliwość odłączania napięć zasilających dla poszczególnych modułów robota. Przełączniki wykonano z wykorzystaniem tranzystorów unipolarnych MOSFET z kanałem P (modele IRLML6402) w odpowiedniej konfiguracji. Dodatkowo, przełączanie napięcia zasilającego silniki wymagało zastosowania tranzystora unipolarnego Si7141DP firmy Vishay, który dopuszcza przepływ znacznie większych prądów przez złącze źródło-dren. Rozwiązanie takie umożliwia odłączanie nieużywanych aktualnie modułów i jednocześnie oszczędność zużycia energii.

Zabezpieczenia i filtracja

W module zrealizowano różnego rodzaju zabezpieczenia akumulatorów, jak i zasilanych układów. Linia dostarczająca prąd do silników, jak i linia zasilająca układy logiczne zostały zabezpieczone przed odwrotną polaryzacją napięcia zasilającego. Zrealizowano to z wykorzystaniem tranzystorów unipolarnych MOSFET z kanałem N. Ponadto, linie zostały zabezpieczone przed nadmiernym poborem prądu, do czego wykorzystano zwłoczny, szklany bezpiecznik na linii zasilającej silniki. Natomiast na linii zasilającej logikę znajduje się bezpiecznik polimerowy, którego zaletą są niewielkie wymiary, a także możliwość wielorazowego użytku. Warto zauważyć, także, że każda linia logiczna podłączona do komputera nadrzędnego, została zabezpieczona przed przepięciami za pomocą diod Zenera.

 

W celu ochrony akumulatorów przed nadmiernym rozładowaniem, zrealizowano układ odłączający zasilanie części logicznej i silników w przypadku, gdy napięcie zasilania spadnie poniżej zadanego poziomu. Wykorzystano do tego celu układ komparatora z histerezą, który został zasilony napięciem pomocniczym. Próg napięcia, przy którym zasilanie jest odłączane ustalony został jako 9,3 V. Natomiast ponowne załączenie zasilania wymaga napięcia akumulatorów na poziomie 9,6 V.

 

W układzie starano się zminimalizować tętnienia napięcia na linii zasilania, a także zmniejszyć wpływ skoków napięcia, inaczej zwanych szpilkami napięciowymi. Do realizacji tego zadania wykorzystano szereg elementów, do których zaliczyć można: kondensatory elektrolityczne, kondensatory tantalowe, kondensatory ceramiczne, a także diody zabezpieczające (transile). Kondensatory elektrolityczne i tantalowe wykorzystane zostały jako magazyny energii, czyli źródła energii o znacznej, chwilowej wydajności. Stosowano je z reguły w pobliżu układów pobierających chwilowo lub ciągle duże prądy, a także na liniach, które takie prądy przenoszą. Odpowiednio dobrane pojemności pozwalają odfiltrować zakłócenia o niskich częstotliwościach. W celu odfiltrowania zakłóceń o wyższych częstotliwościach, zastosowano kondensatory ceramiczne. Wykorzystano także diody zabezpieczające, chroniące układ przed przepięciami.

Wskaźnik napięcia oraz pomiar napięć poszczególnych ogniw akumulatorów litowo-polimerowych

Moduł zasilania wyposażono w prosty wskaźnik napięcia akumulatorów, zrealizowany na trzech diodach LED. Jego rola ogranicza się w zasadzie do wykorzystania przy testach układu, ponieważ umieszczony został bezpośrednio na płycie modułu. Ponadto, w module zamieszczono przetwornik analogowy-cyfrowy AS1540 produkcji firmy Austria Microsystems, wraz z odpowiednimi dzielnikami napięć wejściowych. Umożliwia on mierzenie napięć poszczególnych ogniw akumulatora. Komunikacja z przetwornikiem realizowana jest przez magistralę I2C, co pozwala na odczytywanie stanu akumulatora z poziomu komputera nadrzędnego.

4wd_power_supply_scheme2
Schemat części modułu zasilania odpowiedzialnej za pomiar napięć akumulatorów

 

Wizualizacje 3D modułu zasilania robota czterokołowego

4wd_power_supply_a
Wizualizacja modułu zasilania – widok z góry
4wd_power_supply_b
Wizualizacja modułu zasilania – widok z dołu

Źródło:

  • Michał Drwięga. Fuzja sygnałów sensorycznych dla potrzeb lokalizacji kołowego robota mobilnego. Praca inżynierska, Politechnika Wrocławska, Wrocław, 2013

Tagi: ,

Dodaj komentarz

Twój adres email nie zostanie opublikowany. Pola, których wypełnienie jest wymagane, są oznaczone symbolem *

  • Polski
  • English