[嵌入式] RoboMaster一种法拉电容恒功率电源管理方案

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中士az19940414
2019-3-25 13:43:49 显示全部楼层

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本帖最后由 快拆小分队 于 2019-3-29 10:19 编辑

法拉电容恒功率电源管理方案
首先看一下结构图
1.png
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。
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下面先仿真一下,感谢Matlab(手动滑稽)
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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。

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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)

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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)

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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。
7.png
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
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在充电过程中进行功率切换的实际测试波形(实测)

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。

一种法拉电容恒功率电源管理方案.pdf

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中士az19940414
 楼主| 2019-4-6 13:33:46 显示全部楼层
vizeee 发表于 2019-4-6 00:11
我看了你的测试视频,你充电应该不是直接接电容组的吧。
我设计的方案是升压的,目的是为了更多的能量,但 ...

我接的是电容组+一个功率电阻。还有你这个升压,我不懂你是直接接在电容组上还是接在哪里的~~

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中士az19940414
 楼主| 2019-3-31 22:47:24 显示全部楼层
Hideous 发表于 2019-3-31 21:17
请问12个100F串联会总安全电压上升,但是会让电容组容值变小。不过我们的电源电压只有24V(最多26V左右), ...

因为我买的电容组刚好那么大。。。。而且,留有裕量,尽量防止平衡电路起作用,是有好处的

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下士vizeee
2019-4-6 00:11:32 显示全部楼层
我看了你的测试视频,你充电应该不是直接接电容组的吧。
我设计的方案是升压的,目的是为了更多的能量,但是后期要么达不到升压要求,要么电流飙升导致超功率。
大神有没有知道为什么啊,给点提示啊

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版主快拆小分队
2019-3-25 14:40:31 显示全部楼层
我真的喜欢了!!!  楼主能不能把原内容也复制粘贴出来?

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中士az19940414
 楼主| 2019-3-25 15:52:15 显示全部楼层
快拆小分队 发表于 2019-3-25 14:40
我真的喜欢了!!!  楼主能不能把原内容也复制粘贴出来?

就是我自己写的,没原帖

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版主快拆小分队
2019-3-25 18:39:01 显示全部楼层
az19940414 发表于 2019-3-25 15:52
就是我自己写的,没原帖

我是说直接贴内容,不下载那种

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中士az19940414
 楼主| 2019-3-25 20:49:34 显示全部楼层
快拆小分队 发表于 2019-3-25 18:39
我是说直接贴内容,不下载那种

已经整改。。。

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版主快拆小分队
2019-3-26 09:49:57 显示全部楼层

优秀啊!

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版主快拆小分队
2019-3-29 10:00:57 显示全部楼层
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版主火星探索
2019-3-29 20:00:53 显示全部楼层
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版主火星探索
2019-3-29 20:12:44 显示全部楼层
100F  12V?  没搞懂啊

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中士az19940414
 楼主| 2019-3-30 00:10:59 显示全部楼层
火星探索 发表于 2019-3-29 20:12
100F  12V?  没搞懂啊

12个100F的串联,就是100/12F

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