【分享帖】RoboMaster一种法拉电容恒功率电源管理方案
az19940414 | 2692 | 2019-03-25 法拉电容恒功率电源管理方案
首先看一下结构图
如上图所示，整个系统连接如上图，法拉电容直接接在负载两端，这里的负载仅针对3508、3510等电机（关于电压波动后面会说）。我们要做的是设计一个控制器，保证从锂电池输入到超级电容以及负载的功率为恒定的。这样，电机们在工作时候，如果功耗超过设定功率时候，电容和锂电池一起为底盘供电，即总功率= 锂电池的80W + 法拉电容放出的功率。如果电机为轻载时候，小于设定功率时候，锂电池为底盘供电的同时，还可以为电容充电，考虑到正常的RM步兵车在平地高速跑时候功率仅40—50W左右，所以大部分时候功率都有富余。仅在爬坡、加速、减速时候会超功率。而且整个过程为自动完成。只要设置好电容容量就可以实现全程满血工作。此方案电容相当于直接接在负载两端，也就是说，电机两端的电压在你超过设定功率时候是不恒定的。这种设计对于电机负载来说，比采用升压设计更有效。为什么呢？因为电机作为电流驱动型设备，大家使用的3508等电机的电调具备优秀的电流环设计，能抑制输入电压的缓慢变化带来的影响。而且电机在刹车等操作的时候，回馈的电流会直接冲回法拉电容组。而如果采用升压方案，首先系统整体的效率会下降，常规同步升压的效率理想情况下也仅仅90%上下，损耗非常大，而且电机刹车会造成升压输出端的泵升电压，如果处理不当，轻则击穿MOS，重则烧毁电调。只要注意不要超功率太久，就可以全程满血。功率控制板如何实现呢？当然是功率闭环咯，采集输入的电流电压然后你懂的就得到了功率。然后经过一些控制算法控制某个电路就OK了。在这里我打算采用同步Buck来实现这一功能，经典的Buck结构如下图，为了简化电路的设计，还是同步Buck好，但是控制比较麻烦。这样，采集输入端的电流、电压得到功率，然后设计一个算法控制MOS管T的导通时间（PWM占空比）就OK，至于电感大小、PWM频率等一些参数，电力电子、电源啥的了解一下吧，至于控制算法呢，我这里采用的PID+前馈控制+滑模控制得到的一个杂交的控制算法，如果你不懂，纯粹的PID也能实现控制，只是功率为非线性的，控制起来有点飘飘然，不过瞎JB调参大法兴许有用。
下面先仿真一下，感谢Matlab（手动滑稽）
经过luck Number调参大法（俗称试凑法，滑稽）整个系统工作稳定。系统输入为24V，下面放点测试图。
80W恒功率模式下带5Ω负载的输入电流（y轴单位A, x轴单位s, Simulink仿真）
80W恒功率模式下带5Ω负载的输入功率（y轴单位W, x轴单位s, Simulink仿真）
80W恒功率模式下带5Ω负载的充电电压（y轴单位V, x轴单位s, Simulink仿真）
当然咯，很多人说电机为动态变化的负载，测试过负载从1R快速变化到5R，反复如此，由于法拉电容强大的惯性，输入功率仅仅微微一硬，表示一下尊重。
仿真验证了可行性，当然要电路搭起来实测咯，放一个测试的主电路，为了帮助大家快速的实现这一功能，特意隐藏了一些参数、型号。选型也是技能，搞不懂很多人动轴选个几百A的MOS。。。。
其他的电路各位自己思索，比如，输出如何关闭等，要符合大赛要求啊。
下面是开始30w恒功率充电，然后更改为70W的电容电压变化图，输入基本稳定的
在充电过程中进行功率切换的实际测试波形（实测）
最后放个古老的充电视频https://www.bilibili.com/video/av44662234 祝大家好运。
最后透漏一个机密，采用100F/12的电容组，在一个接近满载的四麦轮底盘上，此方案爬坡、快跑全程灵活。
附件中有本帖内容和一些电源设计的资料，请需要者自行下载。
由于利益无关，如果大家感兴趣，后期考虑开源全套软硬件。
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