機電傳動模塊化設計——第5講—機器人能源子系統(tǒng)

1、第五(d w)講能源子系統(tǒng)精品資料能源能源(nngyun)子系統(tǒng)子系統(tǒng) （電能）（電能）v能源子系統(tǒng)是為機電系統(tǒng)上所有的控制子系統(tǒng)、驅動及執(zhí)行子系統(tǒng)提供能源的部分。v通常小型或微型機器人采用直流電作為電源；又因為機器人大多要移動，因此重點介紹(jisho)和對比當今常見的電池技術。精品資料本講重點(zhngdin)內(nèi)容v二次電池及其特性v線型穩(wěn)壓電源v開關電源v北航某型無人機由于能源(nngyun)和電纜問題造成超重，影響設計航程。精品資料本章(bn zhn)的要領v基本要領v（1）電源系統(tǒng)基本信號特征(tzhng)v（2）各種電池的特性v（3）電源轉換（AC-DC、DC-DC）精品資料5.1

2、 能源(nngyun)系統(tǒng)的重要性v機電傳動系統(tǒng)的使命是完成(wn chng)特定規(guī)律的運動，忠實執(zhí)行動作指令（很硬的特性）v所謂“忠實”的前提條件：v 忠實動作到位有力量扭矩足夠電流足夠（特定電壓下）精品資料很硬的特性(txng)v硬提供、吸收電流并轉換為扭矩的能力v數(shù)控銑床如果機電傳動系統(tǒng)的特性不夠硬，無法完成切削的形狀(xngzhun)，或切削速度低v大飛機、戰(zhàn)斗機無法保證舵面的精度和響應速度（數(shù)字舵機和模擬舵機），操縱性差v機器魚無法實現(xiàn)高效的拍動效率精品資料電源系統(tǒng)基本(jbn)信號特征v基本公式vUEIR(t)（巨大的學問）vU分系統(tǒng)輸入的端電壓vE電源的電動勢vR電源內(nèi)阻v (t

3、)從共地線的其他(qt)系統(tǒng)串擾的干擾電壓之和精品資料影響(yngxing)特性的各個方面v機電傳動系統(tǒng)主要是由控制模塊（(t) ）、驅動模塊（I承載電流能力）、機電轉換裝置(zhungzh)（電機）構成（I承載電流能力）v電纜、接插件是不可忽略的環(huán)節(jié)（I承載電流能力）v結構方面，強度和剛度（結構力學）v能源系統(tǒng)是根本，要有足夠的承載能力和好的特性（ IR提供電流的能力）精品資料有同學(tng xu)玩過HI-FI嗎？vHI-FI（高保真音響）可以理解為一種機電傳動系統(tǒng)。最終輸出是揚聲器的運動，并作用在空氣上產(chǎn)生高保真的聲音（具有一定的推動功率(gngl)）v變壓器、放大電路、線纜、接插件、揚

4、聲器精品資料困擾設計著的常常是電源(dinyun)問題UEIR(t)U1E1IR1(t) U2E2IR2(t)U3E3IR3(t)精品資料5.2 機器人常用機器人常用(chn yn)電池電池 在化學電池中，根據(jù)能否用充電方式恢復電池存儲電能(dinnng)的特性，可以分為一次電池（也稱原電池）和二次電池（又名蓄電池，俗稱可充電電池，可以多次重復使用）兩大類。由于需要重復使用，機器人上通常采用二次電池。精品資料鉛酸電池(dinch)精品資料鋰離子電池(dinch)精品資料鎳氫電池精品資料鋰聚合物電池(dinch)精品資料v機器人由于體積、尺寸、重量的限制，對其采用(ciyng)的電源有各種嚴格要

5、求。例如：移動機器人通常不能采取線纜供電的方式（除一些管道機器人、水下機器人外），必須采用(ciyng)電池或內(nèi)燃機供電v相對于汽車等應用，要求電池體積小、重量輕、能量密度大；并且要求在各種震動、沖擊條件下接近或者達到汽車電池的安全性、可靠性。精品資料v5.2.1 鉛酸蓄電池鉛酸蓄電池鉛酸蓄電池是一種具有一百多年應用歷史的蓄電池。構成鉛酸蓄電池之主要成份如下：陽極板(過氧化鉛.PbO2)- 活性物質陰極板(海綿狀鉛.Pb) - 活性物質電解液(稀硫酸) - 硫酸.H2SO4 + 水 .H2O隔離板、電池外殼(wi k)等附件 鉛酸蓄電池的工作原理(yunl)是：電池內(nèi)的陽極(PbO2)及陰極(

6、Pb)浸到電解液(稀硫酸)中，兩極間會產(chǎn)生2V的電力，這是根據(jù)鉛蓄電池原理(yunl)，經(jīng)由充放電，精品資料v則陰陽極(yngj)及電解液即會發(fā)生如下的變化： v(陽極(yngj) (電解液) (陰極) PbO2 + 2H2SO4 + Pb - PbSO4 + 2H2O + PbSO4 (放電反應) (過氧化鉛) (硫酸) (海綿狀鉛) (陽極(yngj) (電解液) (陰極)PbSO4 + 2H2O + PbSO4 - PbO2 + 2H2SO4 + Pb (充電反應) (硫酸鉛) (水) (硫酸鉛)精品資料v鉛酸蓄電池最大的特點價格較低，支持20C以上的大電流放電（20C意味著10Ah的電

7、池可以達到10*20=200A的放電電流），對過充電的耐受強，技術成熟，可靠性相對較高，沒有記憶效應，充放電控制(kngzh)容易。v但壽命較低（充放電循環(huán)通常不超過500次），質量大，維護較困難，是一種優(yōu)點和缺點都很突出的電池。v為了解決由于電解液需要補充、維護困難的問題，人們開發(fā)了免維護鉛酸蓄電池。v200A的概念精品資料放電能力 的標稱(bio chn)參數(shù) C是以電池標稱容量對照電流的一種表示方法(fngf)，如電池是1000mAh的容量，1C就是表示充放電流1000mA。 一般充電器的充電電流控制在1C以下。 C數(shù)：放電能力是電池性能的重要指標精品資料v為了提高鉛蓄電池的使用壽命，改

8、善(gishn)其使用性能，免維護蓄電池的正極板柵架一般采用鉛鈣合金或低銻合金制造。而負極板柵架均用鉛鈣合金制造。為減小極板短路和活性物質脫落，其隔板大多采用超細玻璃纖維棉制作，或將其正極板裝在袋式隔板內(nèi)。v為了防止氧氣、氫氣垂直上溢，減小水分損失和活性物質脫落，極板組多采用緊裝結構。為了縮短聯(lián)接條的長度，減小內(nèi)陰，提高蓄電池啟動性能，各單格極板組之間采用穿壁式接法，露在密封式殼體外面的只有正、負極樁。精品資料v因此從理論上講，免維護蓄電池即使被過充電時，其電解液中的水也不會散失。相對于傳統(tǒng)的鉛酸蓄電池，免維護蓄電池具有以下性能特點(tdin)： v自放電量小v普通鉛蓄電池的柵架上多采用鉛銻合

9、金，且銻的含量較高（一般為4%7%），在充電時，正極柵架的銻逐漸溶解到電解液中，并在負極板表面上沉積，與負極板上的活性物質形成微電池，從而導致自行放電量增大。而免維護蓄電池正極柵架多為鉛鈣合金，其晶粒較細，耐腐蝕，所以自放電量小。精品資料什么(shn me)叫自放電 電池在不使用條件下內(nèi)部會自行(zxng)放電稱為自放電。任何電池都存在自放電，只是大小不同。國家標準規(guī)定鎳鎘鎳氫電池每日自放電容量600次鎳鎘電池含有金屬鎘，是有毒的。該種電池報廢后請妥善處置，最好(zu ho)交由專業(yè)回收機構處理。隨意丟棄會造成環(huán)境污染。精品資料動手動手(dng shu)指南指南 注意：鎳氫電池不宜串聯(lián)、并聯(lián)過

10、多，否則內(nèi)阻大，無法大電流放電，且容易過熱、起火。一般不能超過10節(jié)串聯(lián)、4節(jié)并聯(lián)。市場上容易買到的幾種鎳氫充電電池的性能和價格、供貨商聯(lián)系方式如下：SANYOAA Size21002500mAh，標準AA電池。性能好，價格較高。單價約20元。AA電池在很多地方都能買到。國產(chǎn)電池AA size18002300mAh，標準AA電池。性能尚可。單價約8元。在電子市場可以買到。國產(chǎn)電池D size1000013000mAh，D型大容量，單價約50元。深圳比亞迪電池國產(chǎn)的優(yōu)秀電池。價格適中，性能較好，具有全系列的電池型號。精品資料5.2.3 鋰離子鋰離子/鋰聚合物動力電池鋰聚合物動力電池v鋰離子電池標

11、稱電壓3.7V（3.6V），充電截止電壓4.2V。鋰離子放電過程是非線性的，如下圖所示在4.2伏到3.6伏之間，電池的電壓隨著放電過程緩慢下降，基本是一個比較平緩的直線。當電壓到達3.5-3.6之間電池的電壓會急劇的下降，短時間內(nèi)就到下降到2.8V，如果電池使用到的電壓低于2.8V就會對電池造成永久性的損害(snhi)，所以一般認為電池放電到3.4-3.5之間就是沒電了，需要停止使用，進行充電。精品資料 鋰離子電池對充電有比較高的要求。剛開始要恒流充電，電池電壓隨著充電過程逐步升高，當電池端電壓達到4.2V（4.1V），改恒流充電為恒壓充電，即電壓一定，電流根據(jù)電芯的飽和(boh)程度，隨著充

12、電過程的繼續(xù)逐步減小，當減小到0.01C時，認為充電終止。一般充電器的充電電流控制在1C以下。精品資料v鋰電池(dinch)的優(yōu)勢v鋰離子電池(dinch)與鎳氫電池(dinch)相比，重量較鎳氫輕3040%，能量比卻高出60正因為如此, 鋰離子電池(dinch)生產(chǎn)和銷售量正逐漸超過鎳氫電池(dinch)鋰離子電池(dinch)的能量密度很高，它的容量是同重量的鎳氫電池(dinch)的1.52倍，充放電次數(shù)可達500次以上，而且具有很低的自放電率此外，鋰離子電池(dinch)幾乎沒有“記憶效應”以及不含有毒物質等優(yōu)點也是它廣泛應用的重要原因。精品資料v鋰電池的問題v鋰離子首先影響鋰離子電池使

13、用的是其安全性。v 相對于鉛酸蓄電池、鎳氫電池等具備較強的抗過充、過放電能力的電池，鋰離子電池的充電和放電必須嚴格小心。鋰離子電池具有嚴格的放電底限電壓，通常為2.5V，如果低于此電壓繼續(xù)放電，將嚴重影響電池的容量，甚至對電池造成不可恢復的損壞；另一方面，電池單元的充電截止電壓必須限制在4.2V左右，如果過充，鋰離子電池將會過熱、漏氣甚至發(fā)生猛烈的爆炸。因此，通常在使用鋰離子電池組的時候(sh hou)必須配備專門的過充電、過放電保護電路。精品資料v其次(qc)是價格。鋰離子電池價格較高，并且需要配備保護電路，因此相同能量的鋰離子電池的價格是免維護鉛酸蓄電池的十倍以上。精品資料v為了解決這些(

14、zhxi)問題，最近出現(xiàn)了鋰聚合物電池（Li-Polymer）。其本質同樣是鋰離子電池，而所謂聚合物鋰離子電池是在電解質、電極板等主要構造中至少有一項或一項以上使用高分子材料的電池系統(tǒng)。 精品資料v新一代的聚合物鋰離子電池(dinch)在聚合物化的程度上已經(jīng)很高，所以形狀上可做到很?。ㄗ畋?.5毫米）、任意面積化和任意形狀化，大大提高了電池(dinch)造型設計的靈活性，從而可以配合產(chǎn)品需求，做成任何形狀與容量的電池(dinch)。同時，聚合物鋰離子電池(dinch)的單位能量比目前的一般鋰離子電池(dinch)提高了50%，其容量、充放電特性、安全性、工作溫度范圍、循環(huán)壽命與環(huán)保性能等方面都

15、較鋰離子電池(dinch)有大幅度的提高。 精品資料v各種( zhn)電池特性優(yōu)缺點如下表所示：內(nèi)容 鉛酸蓄電池 鎳鎘電池 鎳氫電池 鋰離子電池 鋰聚合物電池 能量密度 30-50Wh/kg差35-40Wh/kg差 60-80Wh/kg一般90-10Wh/kg較好 130Wh/kg非常好 大電流放電能力 非常好 非常好 較好 較好 較好 可維護性 非常好 較好 好 一般 較好 放電曲線性能 好 好 一般 非常好 較好 循環(huán)壽命 400-600次 300-500次800-1000次500-600次500-600次安全性 非常好較好較好 一般 較好 價格 低 低 較低 高 高 記憶效應 輕微 嚴重

16、 較輕 輕微 輕微 精品資料5.3線性穩(wěn)壓電源線性穩(wěn)壓電源v常見的線性電源主要(zhyo)是三端穩(wěn)壓器件，例如78xx/79xx 系列三端穩(wěn)壓器件是最常用的線性降壓型 DC/DC 轉換器，目前也有大量先進的 DC/DC 轉換器層出不窮，例如低壓差線性穩(wěn)壓器 LDO等, （例如，National Semiconductor 的 LM1085、LM1086、LM2940、LM2651、LM5020，MAXIAM 的 MAX1747 等等）。 v78xx/79 系列簡單易用、價格低廉，直到今天還在大多電路中采用。 如7805，7806，7809，7812，7815，7824，（79）。以及三端可調(diào)穩(wěn)

17、壓器（LM317,337,338.） 精品資料v78xx/79xx系列在降壓電路中應注意以下事項： v1、輸入輸出壓差不能太大,太大則轉換效率急速降低，而且容易擊穿損壞； v2、輸出電流不能太大，1.5A 是其極限值。大電流的輸出，散熱片的尺寸要足夠大，否則會導致高溫(gown)保護或熱擊穿； v3、輸入輸出壓差也不能太小,大小效率很差。v由于線性穩(wěn)壓器是利用晶體管的線性區(qū)域來降壓、穩(wěn)壓，因此顯然其輸入功率并非完全能從輸出端口輸出，兩者的相差都會轉為熱能耗散掉。功率耗散(Pd)可以根據(jù)以下的公式粗略估算： vPd =(VinVout) * Iout 精品資料v若要更精確計算功率耗散，我們必須將

18、Vin * Iq這個變項計算在內(nèi)。功率耗散總額可以根據(jù)以下公式計算出來： vPd =(VinVout) * Iout+Vin * Iq v若按照上述兩條公式，再將5伏(V)電壓調(diào)低至1.5伏 (靜態(tài)(jngti)電流為300mA)，那么線性穩(wěn)壓器耗散為熱能的功率不會少于： v(51.5) * 0.35 =1.225W v究竟這個功耗量應視為高還是低呢？有關這個問題我們不可過早做出判斷，我們必須根據(jù)芯片封裝以及電路板的類型與面積 (若采用表面貼裝封裝)，找出這些變項與溫度上升幅度之間的函數(shù)關系，從而計算 1.225W 的功率耗散究竟會令溫度上升多少。這樣我們才可作出一個較為全面的判斷，確定 1.

19、225W 的功率耗散是高還是低。系統(tǒng)設計工程師一般都喜歡采用最小巧的封裝，但這類封裝的熱阻值非常高，因此散熱能力也最差。 精品資料5.4開關電源開關電源v開關電源是利用現(xiàn)代電力電子技術，控制開關晶體管開通和關斷的時間比率，維持穩(wěn)定輸出電壓的一種電源，開關電源一般由脈沖寬度調(diào)制（PWM）控制IC和MOSFET構成。v開關電源和線性電源相比， 通常具有允許較高的輸入輸出壓差、效率高（滿載效率通?？蛇_到75%以上，甚至可達到95%-97%）、體積小等優(yōu)勢。v但是，由于開關電源是依靠開關晶體管不斷導通和關斷的原理(yunl)工作的，因此也帶來了電源品質通常不如線性電源、瞬態(tài)響應特性不如線性電源、有電磁

20、輻射等先行電源所沒有的缺點。精品資料v開關電源的分類開關電源的分類 v 開關電源可分為開關電源可分為AC/DCAC/DC和和DC/DCDC/DC兩大類，兩大類，DC/DCDC/DC變換器變換器現(xiàn)已實現(xiàn)模塊化，且設計技術及生產(chǎn)工藝在國內(nèi)外均已現(xiàn)已實現(xiàn)模塊化，且設計技術及生產(chǎn)工藝在國內(nèi)外均已成熟和標準化，并已得到用戶的認可，但成熟和標準化，并已得到用戶的認可，但AC/DCAC/DC的模塊化，的模塊化，因其自身的特性使得在模塊化的進程中，遇到較為復雜因其自身的特性使得在模塊化的進程中，遇到較為復雜的技術和工藝制造問題。以下分別對兩類開關電源的結的技術和工藝制造問題。以下分別對兩類開關電源的結構和特性

21、作以闡述。構和特性作以闡述。 v開關電源的選用開關電源的選用 v 開關電源在輸入抗干擾性能上，由于其自身電路結開關電源在輸入抗干擾性能上，由于其自身電路結構的特點（多級串聯(lián)構的特點（多級串聯(lián)(chunlin)(chunlin)），一般的輸入干擾如），一般的輸入干擾如浪涌電壓很難通過，在輸出電壓穩(wěn)定度這一技術指標上浪涌電壓很難通過，在輸出電壓穩(wěn)定度這一技術指標上與線性電源相比具有較大的優(yōu)勢，其輸出電壓穩(wěn)定度可與線性電源相比具有較大的優(yōu)勢，其輸出電壓穩(wěn)定度可達達(0.5(0.51 1）。開關電源模塊作為一種電力電子集成器）。開關電源模塊作為一種電力電子集成器件，在選用中應注意以下幾點：件，在選用中

22、應注意以下幾點： 精品資料v輸出電流的選擇輸出電流的選擇 v因開關電源工作效率高，一般可達到因開關電源工作效率高，一般可達到80以以上，故在其輸出電流的選擇上，應準確測量上，故在其輸出電流的選擇上，應準確測量或計算用電設備的最大吸收電流，以使被選或計算用電設備的最大吸收電流，以使被選用的開關電源具有高的性能價格比，通常輸用的開關電源具有高的性能價格比，通常輸出計算公式為：出計算公式為： vIs=KIfv式中：式中： Is開關電源的額定開關電源的額定( dng)輸出電輸出電流；流； vIf用電設備的最大吸收電流；用電設備的最大吸收電流； vK裕量系數(shù)，一般取裕量系數(shù)，一般取1.51.8； 精品資

23、料v接地接地 v開關電源比線性電源會產(chǎn)生更多的干擾開關電源比線性電源會產(chǎn)生更多的干擾(gnro)，對共模干擾，對共模干擾(gnro)敏感的用電敏感的用電設備，應采取接地和屏蔽措施，按設備，應采取接地和屏蔽措施，按ICE1000、EN61000、FCC等等EMC限制，開關電源均采限制，開關電源均采取取EMC電磁兼容措施，因此開關電源一般應電磁兼容措施，因此開關電源一般應帶有帶有EMC電磁兼容濾波器。如利德華福技術電磁兼容濾波器。如利德華福技術的的HA系列開關電源，將其系列開關電源，將其FG端子接大地或端子接大地或接用戶機殼，方能滿足上述電磁兼容的要求。接用戶機殼，方能滿足上述電磁兼容的要求。 精

24、品資料直流直流-直流開關電源直流開關電源v當今軟開關技術使得DC/DC發(fā)生了質的飛躍，美國VICOR公司設計制造的多種ECI軟開關DC/DC變換器，其最大輸出功率有300W、600W、800W等，相應的功率密度為(6.2、10、17)W/cm3，效率為（8090）。日本NemicLambda公司最新推出的一種采用軟開關技術的高頻開關電源模塊RM系列，其開關頻率為（200300)kHz，功率密度已達到27W/cm3，采用同步(tngb)整流器（MOSFET代替肖特基二極管），使整個電路效率提高到90。 下圖是一種典型的DC-DC模塊電源。 精品資料動手動手(dng shu)指南指南 DC-DC種

25、類非常繁多，無法一一列舉。高可靠性、比較著名的幾個品牌包括：Densi-Lamba,VICOR, Erricsion,AT&T,朝陽電源，等等。精品資料動力(dngl)電源管理系統(tǒng)設計動力電池動力電池(選型、實驗選型、實驗(shyn) SPC3-UUV機器魚動力電源管理機器魚動力電源管理系統(tǒng)設計主要完成：系統(tǒng)設計主要完成：硬件設計硬件設計軟件設計軟件設計精品資料動力(dngl)電源管理系統(tǒng)動力(dngl)電池v鎳氫電池鎳氫電池(dinch)v電池電池(dinch)為為48V 500W.h v形式為一個大電池形式為一個大電池(dinch)v2004年北戴河海上實驗航行年北戴河海上實驗航行2-3小

26、時小時vSPC3-UUV最佳拍動頻率（最佳拍動頻率（1.5Hz）下功耗為）下功耗為96W,速度速度1.12m/sv60公里需要公里需要1500W.hv電源系統(tǒng)是否能給機器魚提供充足可靠的動力是長航時實驗的關鍵電源系統(tǒng)是否能給機器魚提供充足可靠的動力是長航時實驗的關鍵精品資料動力(dngl)電源管理系統(tǒng)動力(dngl)電池v3Hz拍動頻率下，對機器魚拍動過程中驅動器加載的電流進行拍動頻率下，對機器魚拍動過程中驅動器加載的電流進行(jnxng)測測量。周期量。周期350ms,峰值峰值12A。精品資料動力(dngl)電源管理系統(tǒng)動力(dngl)電池主要參數(shù)鎳氫電池鋰離子電池鋰聚合物電池工作電壓1.23.63.6質量比能(W h/Kg)65105-140120-160體積比能(W h/L )200300500自放電率(%M )30-356-920放電能力3C2C10C精品資料動力(dngl)電源管理系統(tǒng)動力(dngl)電池v電池電池(dinch)(dinch)參數(shù)（長：參數(shù)（長：106mm,106mm,寬：寬：66mm,66mm,高：高：42mm42mm）v電池所能釋放的能量為電池所能釋放的能量為（72-75）W.h,在實際使用中在實際使用中以這個參數(shù)為參考。以這個參數(shù)為參考。v安全放電壓電區(qū)間（安