Bateria e fonte de alimentação do robô

O que é

O conjunto de alimentação é a parte em que os iniciantes menos pensam e mais erram. É simplesmente a bateria que fornece corrente aos motores e à eletrônica—mas, se você escolher mal, o robô dará solavancos, reiniciará ou se recusará a andar, por mais bom que seja o código. Fornecer alimentação corretamente é muitas vezes a diferença entre um robô que funciona e outro que fica reiniciando.

A ideia principal é que um robô tem duas necessidades de corrente bem diferentes: os motores a consomem em grandes picos, enquanto a lógica a consome de forma constante. Uma única bateria pode alimentar os dois, mas é preciso organizá-los para que os motores, que exigem muito mais corrente, não deixem o cérebro sensível sem corrente.

Como funciona

Acompanhe a corrente a partir do conjunto:

1. A bateria fornece a tensão bruta — 6 V com quatro AA ou 7,4 V com duas 18650.
2. A trilha dos motores vai diretamente do conjunto ao Vin do driver L298N. É daqui que vem a corrente intensa e pulsante dos motores, totalmente separada do Arduino.
3. A trilha da lógica é uma tensão regulada de 5 V (do regulador da placa do driver ou por USB) que alimenta o Arduino e os sensores com tensão limpa e estável.
4. Uma massa comum conecta tudo. Todas as trilhas devem compartilhar a mesma linha de massa, ou os sinais lógicos não terão referência comum e as leituras ficarão sem sentido.

Com essa divisão, um motor que provoca um pico de corrente de repente pode derrubar sua própria trilha sem levar junto os 5 V do Arduino.

Por que um bloco de 9 V falha

O erro mais comum no primeiro robô é alimentar os motores com uma bateria retangular de 9 V PP3. Ela parece prática, mas armazena pouquíssima energia e tem alta resistência interna. No instante em que os motores puxam corrente, a tensão desaba — o Arduino fica abaixo do mínimo e reinicia, fazendo o robô avançar aos trancos e reiniciar em um ciclo. Um bloco de 9 V serve para uma protoboard que consome miliamperes; é a escolha errada para qualquer sistema que move rodas.

Escolha e conexão

• Combine a tensão com os motores. Motores de 3–6 V funcionam bem com um conjunto de 6 V ou 7,4 V; use PWM para controlar a velocidade, em vez de subalimentar o conjunto.
• A capacidade determina a autonomia. Mais mAh significa mais tempo entre as recargas; células 18650 duram muito mais que AA, mas exigem um suporte protegido.
• Use uma chave geral e confira a polaridade. Instale um interruptor geral no conjunto e verifique a polaridade antes da primeira alimentação — a inversão pode destruir uma placa instantaneamente.
• Não injete tensão de volta. Evite alimentar o Arduino por USB e pela bateria ao mesmo tempo, a menos que a placa seja projetada para isso.
• Acrescente um capacitor de reserva em paralelo com a alimentação dos motores para absorver o pico de partida e estabilizar a trilha.

Resistência interna: o número que decide tudo

Toda bateria se comporta como uma fonte de tensão ideal com um resistor em série. Esse resistor explica por que um conjunto funciona e outro reinicia sua placa.

V_under_load = V_open_circuit - (I x R_internal)

Um robô que puxa um pico de 2 A por um conjunto com 0,5 Ω de resistência interna perde um volt antes que os circuitos a jusante vejam. Veja o que isso significa nas opções comuns:

Esta tabela explica completamente o bloco de 9 V. O problema não é a tensão — o bloco tem a maior tensão da lista. É que, com um pico de 2 A, entrega 3 V, e o robô reinicia. A tensão sem carga não diz nada; a queda sob carga diz tudo.

Meça o seu conjunto em dois minutos

1. Meça a tensão do conjunto com o conjunto desconectado.        -> V_open
2. Cause o travamento dos motores e meça novamente durante o travamento. -> V_load
3. Meça a corrente de travamento com o multímetro em série.       -> I
4. R_internal = (V_open - V_load) / I

Anote o número no conjunto com uma caneta. Ele aumenta com o desgaste das células, e um conjunto cuja resistência dobrou já começou a causar reinícios “aleatórios”.

Orçamento de corrente

Some tudo no papel antes de comprar qualquer coisa. Use a corrente de travamento, não a típica.

Um robô típico que desvia de obstáculos — Uno, dois motores TT e um sensor ultrassônico em um servomotor — exige aproximadamente 360 mA de consumo típico e 2,7 A de pico. Dimensione o conjunto pelo pico e dimensione a autonomia pelo consumo típico:

runtime (hours) = capacity (mAh) / average draw (mA)

2000 mAh de AA NiMH a 360 mA duram cerca de 5,5 horas de operação, muito mais do que a bateria da maioria dos robôs costuma durar. A capacidade raramente é a limitação — a capacidade de fornecer picos é.

Conectando corretamente

Battery + ──── master switch ──┬──── motor driver VM  (the heavy path)
                               │
                               └──── 5 V regulator ──── Arduino, sensors
Battery − ─────────────────────┴──── COMMON GROUND ──── everything

Quatro regras, na ordem em que mais são violadas:

Massa comum, sempre. Todas as fontes, placas e sensores devem ser conectados a uma única massa. A ausência de massa comum deixa os sinais lógicos sem referência, e a falha é silenciosa — nada funciona, nada fica quente e nada parece errado.

Ligue as massas em estrela, não em cascata. Leve cada retorno de massa a um único ponto, em vez de encadear os retornos pelo driver de motor. A corrente de retorno dos motores por um fio de massa compartilhado cria uma diferença de tensão ao longo dele, e as leituras dos sensores mudam sempre que os motores se movem.

Interruptor geral no polo positivo, antes de qualquer coisa. A possibilidade de desligar imediatamente um robô descontrolado vale os dois minutos de instalação.

Proteção contra polaridade invertida. Um único diodo Schottky em série custa ~0,3 V, enquanto um MOSFET de canal P custa quase nada. Ambas as opções são mais baratas que a placa que um conjunto invertido destrói — e inverter um conjunto basta um instante de distração.

Capacitores: o que fazem e o que não resolvem

Acrescente um capacitor eletrolítico de 470–1000 µF em paralelo com a alimentação dos motores, perto do driver. Vale a pena. Só que ele costuma ser usado para tentar fazer algo que não pode.

O que ele corrige: os transitórios rápidos de chaveamento do PWM e da comutação dos motores, que ocorrem na escala de microssegundos e entram na trilha lógica como ruído.

O que ele não corrige: um surto sustentado. A aritmética não perdoa:

dV = I x t / C
1000 uF supplying 2 A for 10 ms -> dV = 2 x 0.01 / 0.001 = 20 V

Um capacitor que tivesse de fornecer um pico de motor de 2 A durante 10 ms precisaria deixar cair 20 V, mais do que o conjunto possui. Somente uma bateria com menor resistência fornece um pico. Se sua placa reinicia quando os motores começam, um capacitor maior não é a resposta — um conjunto com menor resistência interna é.

Acrescente também um capacitor cerâmico de 100 nF junto ao pino de alimentação de cada CI. É uma função completamente diferente: ele atende à demanda de alta frequência da comutação interna do chip, para a qual o eletrolítico é lento demais.

Escolhendo uma química

NiMH é a primeira escolha adequada. Seis células fornecem 7,2 V com baixa resistência interna, toleram erros e transformam um conjunto morto em um incômodo, não em um acidente.

Células íon-lítio 18650 são a melhoria sensata: muito mais energia para o mesmo peso, resistência interna muito baixa e baixo custo. Use um suporte protegido ou uma placa BMS — células de lítio levadas abaixo de cerca de 3,0 V por célula sofrem danos permanentes, e um robô que funciona até parar faz exatamente isso.

LiPo é o que projetos de alto desempenho usam, e é a opção que exige cuidado. Nunca carregue sem acompanhamento, nunca perfure e nunca deixe uma célula totalmente descarregada; use um carregador com balanceamento.

Solução de problemas

Monitorando o conjunto

A última melhoria que vale a pena: um robô que conhece a própria tensão de bateria pode parar antes de sofrer queda de tensão, e isso custa dois resistores.

// 100k / 33k divider: 8.4 V max in -> ~2.09 V at the pin. Safe for a 3.3 V ADC.
const float DIVIDER = (100.0 + 33.0) / 33.0;

float packVolts() {
  return analogRead(A0) * (5.0 / 1023.0) * DIVIDER;
}

Uma ressalva que torna este cuidado importante: em um Arduino, analogRead é proporcional à trilha de 5 V, que por sua vez cai quando os motores funcionam. Medir uma bateria em queda por meio de uma referência que também cai faz a leitura subir. Mude para a referência interna de 1,1 V com analogReference(INTERNAL), dimensione o divisor para ela e a leitura será fiel — o tutorial de entrada analógica explica exatamente essa armadilha.