[嵌入式] 【RM2021-超级电容+功率管理原理图PCB硬件开源】北师大珠海

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梯队队员DanHou
2021-3-31 23:58:59 显示全部楼层

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第一次写帖子,写的不好请大家见谅!

我的微信是DanHou1104

希望能和大家一起共同进步!


                               
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翻出了之前做的功率管理模块,突然萌生了与其让他吃尘,不如把他开源的想法

先上图↓


                               
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整体思路是使用PWM斩波的设计思路,一共做了两版,这个图是第一版本的设计,纯硬件,成本大概在300块钱(不算超级电容),第二版本的设计是单片机版本的,带有测试台可以调试,由于后来时间不够,只进行了原理图的设计。


下面是电源部分和超级电容的补偿设计思路↓


                               
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主电路设计思路框图

电路中L1C1C2C3C5组成LC低通滤波电路,以抑制由Q1斩波引起的矩形脉冲峰值电流和超级电容升压充电电路脉冲峰值电流造成对电池侧供电的合并影响,改善从电池获取电流的波动幅度。Q1为功率限制斩波开关,Q9为能量补充开关,其动作也是以斩波形式工作。


                               
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举个例子,我们以RM2019的规则解释。
机器人的底盘功率会被裁判系统持续监控,超出功率后会触发惩罚机制,对步兵机器人和英雄机器人将会被扣除机器人的血量。底盘功率超限扣除的机器人血量值由底盘功率超限比例而定。超限比例的计算公式是:(Pr-Pl)/Pl,其中Pr代表瞬时底盘输出功率,Pl代表比赛规定的限制功率,步兵机器人和英雄机器人均为80W。考虑到机器人在运动过程中,很难做到瞬时输出功率的控制,因此官方在裁判系统服务器上限定了一个缓冲能量W缓冲,其值等于60焦耳。裁判系统做底盘功率检测的频率是10Hz,即每0.1秒检测计算一次功率消耗:
            W=W缓冲 -(Pr-Pl)×0.1
当检测结果W<=0时,表示60J的缓冲能量已经用完,按超限比例扣血。当结果0〈W〈60时,表示有超功率情况发生,此时W的值将存入W缓冲 作为下一次检测的缓冲剩余值进行运算。以三级步兵机器人底盘功率80W限制为例,假如该机器人以140W的功率持续输出,那么1S后消耗掉60J能量。在下一个100mS的检测周期,计算得到的超限比例(140-80)/80=75%,超过限定功率20%,扣除血量值等于300*40%*0.1=12。当检测结果W>0时,例如在小功率状态下,W会大于60,可理解为有较大的功率余量,在下一次检测周期中,W缓冲 的值仍按60赋值。
因规则的要求,必须要对底盘进行功率限制,但功率的限制又不能对机器人的机动性有太大的影响,这就是功率限制器的难点。



                               
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我不知道上面说的有没有错误!!恳请各位大佬不吝斧正!!




                               
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功率限制器的设计要点分析




为了合理设计功率限制器,我们首先要对功率限制器的工况条件进行分折。

1、遥控给定功率最大值与过载功率给定时间的确定。
2、电池输出电压变化引起的最大电流值变化。
3、过载时功率限制器输出给驱动电机的最小电压,不得影响电机的CAN总线通讯。一般的电子产品,其下限电压一般允许由额定电压下降15%至20%,电机的输入电压为24V,我们取最低供电电压为20V。




                               
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在RM2019中,容许使用储存10KJ的超级电容,在解决功率限制的问题中,我们可以使用超级电容制作功率限制器,这对功率限制的调节带来了很有利的条件,也能较好地提高机甲的机动性能。所以在设计中应加入超级电容的应用。

1、为了监测输入功率,要对输入功率进行采样,取得一个焦耳消耗取样量。
2、用PWM控制器以斩波输出形式进行输入功率限制
3、当进入功率限制状态时,输入功率监测电路输出一个信号去控制超级电容的升压充电电路,将升压电路的电源输入由电池供电改由超级电容供电
4、为保证功率限制器不被裁判系统误判,在进入功率限制状态后,可使受限功率稍小于触发功率,退出时具有回滞的特性。
5、因运放器件要对零电压附近的信号进行放大,需要±15V的电源供电,而电池只有24V,要设计一个由24V单电源转换±15V的供电电路。



                               
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但是在实际工作中,随输出瞬态功率的加大,会使功率限制器的输出电压过低,造成对CAN总线的干扰,要十分注意这个问题!!我们在实验的时候就出现了CAN总线被干扰的情况,直接导致机器人乱来。

功率限制能过渡的时间,取决于电机的最大运行功率及运行时间和电容能预存的能量,而电容能预存的能量大小则是决定过渡时间长短的关键,而使用超级电容则能很好地解决这个问题。以140W电机功率为例,电机从电池获取80W,从电容获取60W,如10KJ的电容可放出6KJ,则这个过渡时间可维持100秒。
↑这个还是以RM2019的比赛规则来计算的,新的比赛规则大家可以同理进行类推


                               
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完全版的框图在这↓

                               
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阿巴阿巴怎么十二点了!!要断网了啊啊啊我先写到这里,明天晚上上完课继续啊啊啊啊啊!
各位大佬对不起!!!

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梯队队员DanHou
 楼主| 2021-4-1 23:21:41 显示全部楼层
本帖最后由 DanHou 于 2021-4-1 23:28 编辑

继续接着上次的写
目前有较多的设计是将超级电容的能量直接转换输出到电机作为过载能量供给,其缺点是浪费了电池的额定功率供给,其次是重新对超级电容充电时会有较大的损耗,而系统上电后的能量是全部由电池供给的,对电源供给的不合理利用,应充分利用好超级电容的能量。我们设计的这个电路采用了能量补偿形式的PWM功率限制电路,在过载过渡期,相当一部分的功率能量是直接从电池获取,其余功率能量由超级电容获取,所以我们的电路具有效率高,过渡时间长且输出电压相对稳定的优点。
VC电压的选取,考虑到一般的电机其上限使用电压可达10%-15%,而电池电压最高时达26V,MOS管也存在管压降,取28V.
二、超级电容的充、放电电路及其充放电转换控制电路。
对超级电容进行升压充电的电路,从零电压起至接近+24V阶段,应以恒流或恒功率的形式进行,不能使用常用的电感升压电路,如图4。C为超级电容,当超级电容电压为零时,其内阻近似为零,要在很短的时间内将电压充上来,是需要很大的能量的。在上电时+24V通过电感L与二极管D直接就对C充电,因C的内阻很小,且需很大的能量才可以将电压充上来,这个能量足以使二极管D烧毁,且其需要的功率非常大,数KJ的能量轻易地使裁判系统让步兵死亡。我们使用了反激变压器作出了能量传送,对超级电容进行充电,控制了原边的输入功率,就可以控制充电的能量大小。最后在底下附上PCB,是使用了双层板

                               
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实在太困顶不住了,今天先写这么多,应该大致上将第一版的设计思路说明的比较清楚了
下午去珠海一中上课的时候感觉人都飘起来了,第二版的设计明天晚上继续敲键盘分享给大家
感激各位大佬!!!!!!

图5

图5

图4

图4

pcb

pcb
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梯队队员DanHou
 楼主| 2021-4-1 00:12:55 显示全部楼层
晨曦 发表于 2021-4-1 00:11
大佬,这个上车试过了没,效果如何

刚刚爬上床看见有回复小激动哈哈哈
上过,能够限制在80W,因为裁判系统和其他云台乱七八糟的东西有基本的功率消耗,最后实测大概在58-62W左右
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梯队队员电机小王子
2021-9-23 17:13:23 显示全部楼层
DanHou 发表于 2021-4-1 23:21
继续接着上次的写
目前有较多的设计是将超级电容的能量直接转换输出到电机作为过载能量供给,其缺点是浪费 ...

大佬,这个板子开源分享吗?资源能发一下吗
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英雄晨曦
2021-4-1 00:11:06 显示全部楼层
大佬,这个上车试过了没,效果如何
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英雄南新小白
2021-4-1 23:48:41 显示全部楼层
顶啊,兄弟,必须赞一波
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正式队员小全小全
2021-8-1 21:57:25 显示全部楼层
大佬,还是不懂为啥用反激式

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英雄北吉星
2021-8-16 15:07:24 显示全部楼层
只能说,六六六

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梯队队员WWWWu
2022-11-26 21:32:00 显示全部楼层
大佬,微信是不是换了

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梯队队员我感到兴奋
2022-11-27 00:30:44 显示全部楼层
这也太厉害了吧,请收下我的膝盖大佬呜呜呜呜,要是能有幸看到电路板的资料,直接磕头了大佬呜呜呜
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