Батарейный блок питания робота

Что это такое

Батарейный блок — та часть, о которой новички думают меньше всего и в которой чаще всего допускают ошибку. Это просто батарея, подающая ток на двигатели и электронику, но при неудачном выборе робот начинает дёргаться, перезагружаться или отказывается двигаться независимо от качества кода. Правильное питание часто определяет разницу между работающим роботом и роботом, который постоянно перезагружается.

Главная идея состоит в том, что у робота два совершенно разных аппетита на ток: двигатели поглощают его всплесками, а логика пьёт понемногу. Одна батарея может питать оба узла, но их необходимо подключить так, чтобы ненасытные двигатели не лишали питания чувствительного мозга.

Как это работает

Проследите путь тока от батарейного блока:

1. Батарея подаёт необработанное напряжение — 6 V от четырёх элементов AA или 7.4 V от двух 18650.
2. Шина двигателей идёт непосредственно от блока на вход Vin драйвера L298N. Здесь возникает большой пульсирующий ток двигателей, полностью изолированный от Arduino.
3. Шина логики обеспечивает стабилизированные 5 V (от встроенного регулятора драйвера или через USB) и питает Arduino и датчики чистым постоянным напряжением.
4. Общая земля объединяет всю схему. Все шины должны иметь одну и ту же линию земли, иначе логические сигналы не получат общего опорного уровня, а показания станут бессмысленными.

При таком разделении двигатель, внезапно потребляющий целый ампер, может просадить только свою шину, не снижая 5 V на Arduino.

Почему батарея 9 V не подходит

Самая распространённая ошибка при создании первого робота — питание двигателей от прямоугольной батареи 9 V PP3. Она выглядит удобной, но имеет очень малую энергоёмкость и высокое внутреннее сопротивление. Как только двигатели начинают потреблять ток, напряжение падает — Arduino опускается ниже минимального уровня и перезагружается, поэтому робот дёргается и перезагружается по кругу. Батарея 9 V подходит для макетной платы, потребляющей ток в миллиамперах, но не для схем, приводящих в движение колёса.

Выбор и подключение

• Согласуйте напряжение с двигателями. Двигатели 3–6 V нормально работают от блока 6 V или 7.4 V; ограничивайте скорость с помощью PWM, а не понижая напряжение блока.
• Ёмкость определяет время работы. Большее значение mAh означает больше времени между зарядками; элементы 18650 работают намного дольше элементов AA, но требуют защищённого держателя.
• Один выключатель, правильная полярность. Установите на блок главный выключатель и тщательно проверьте полярность перед первым включением — обратное питание может мгновенно вывести плату из строя.
• Не допускайте обратного питания. Не питайте Arduino одновременно от USB и батареи, если плата не рассчитана на это.
• Добавьте электролитический конденсатор параллельно питанию двигателей, чтобы поглотить бросок тока при запуске и стабилизировать шину.

Внутреннее сопротивление: число, определяющее всё

Любая батарея ведёт себя как идеальный источник напряжения с последовательным резистором. Именно этот резистор объясняет, почему один батарейный блок работает, а другой перезагружает плату.

V_under_load = V_open_circuit - (I x R_internal)

Если робот создаёт бросок 2 A через блок с внутренним сопротивлением 0.5 Ω, просадка достигает одного вольта ещё до того, как его увидит последующая схема. Вот что это означает для распространённых вариантов:

Эта таблица полностью объясняет поведение батареи 9 V. Дело не в неверном напряжении — в списке у неё самое высокое напряжение. При броске 2 A она отдаёт 3 V, и робот перезагружается. Напряжение без нагрузки ничего не сообщает; просадка под нагрузкой сообщает всё.

Измерьте свой блок за две минуты

1. Measure the pack's voltage with nothing connected.       -> V_open
2. Stall the motors and measure again while stalled.        -> V_load
3. Measure the stall current with the meter in series.      -> I
4. R_internal = (V_open - V_load) / I

Напишите маркером это число на батарейном блоке. Оно растёт по мере старения элементов, а блок, сопротивление которого удвоилось, уже начинает вызывать «случайные» перезагрузки.

Бюджет тока

Подсчитайте всё на бумаге до покупки. Используйте ток останова, а не типичный.

Типичный робот, обходящий препятствия, — Uno, два двигателя TT и ультразвуковой датчик на сервоприводе — имеет бюджет примерно 360 mA в типичном режиме и 2.7 A в пиковом. Выбирайте блок по пиковому току, а время работы рассчитывайте по типичному:

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

Ёмкость 2000 mAh у NiMH AA при токе 360 mA обеспечивает около 5.5 часов движения, что почти всегда значительно больше фактического времени работы батареи в большинстве роботов. Ёмкость редко становится ограничением — ограничивает именно способность выдерживать пиковый ток.

Правильное подключение

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

Четыре правила в порядке частоты их нарушения:

Всегда используйте общую землю. Каждый источник питания, каждая плата и каждый датчик соединяются с одной землёй. Без общей земли логические сигналы не получают опорного уровня, и отказ проходит бессимптомно — ничего не работает, ничего не нагревается, и ничто не выглядит неправильным.

Подключайте землю звездой, а не цепочкой. Проводите каждую землю обратно к одной точке, а не соединяйте последовательно через драйвер двигателей. Обратный ток двигателей в общем проводе земли создаёт на нём разность потенциалов, и показания датчиков изменяются всякий раз, когда двигатели движутся.

Главный выключатель на положительном проводе, до всего остального. Возможность мгновенно остановить вышедший из-под контроля робот стоит двух минут работы.

Защита от переполюсовки. Один последовательный диод Шоттки стоит ~0.3 V, а P-канальный MOSFET почти ничего не стоит. Любой вариант дешевле платы, которую уничтожит переполюсовка, — а невнимательность при подключении блока длится секунду.

Конденсаторы: что они устраняют, а что нет

Добавьте электролитический конденсатор 470–1000 µF параллельно питанию двигателей как можно ближе к драйверу. Это стоит сделать. Но от него часто ожидают больше, чем он может обеспечить.

Что он устраняет: резкие переходные процессы от PWM и коммутации двигателей; они возникают за микросекунды и попадают в шину логики в виде шума.

Чего он не может устранить: длительный бросок тока. Арифметика неумолима:

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

Конденсатор, который должен обеспечить бросок 2 A от двигателя в течение 10 ms, должен был бы снизить напряжение на 20 V, а это больше, чем есть в батарейном блоке. Только более жёсткая батарея выдерживает бросок тока. Если плата перезагружается при запуске двигателей, увеличение ёмкости конденсатора не поможет — нужен блок с меньшим внутренним сопротивлением.

Также добавьте керамический конденсатор 100 nF рядом с выводом питания каждой микросхемы (IC). Это другая задача: он удовлетворяет высокочастотные требования к переключению самой микросхемы, с которыми электролитический конденсатор справляется слишком медленно.

Выбор химического состава

NiMH — правильный первый выбор. Шесть элементов дают 7.2 V при низком внутреннем сопротивлении, прощают ошибки, а вышедший из строя блок становится лишь неудобством, а не происшествием.

Li-ion 18650 — разумное усовершенствование: при той же массе значительно больше энергии, очень низкое внутреннее сопротивление и низкая цена. Используйте защищённый держатель или плату BMS — литиевые элементы при напряжении ниже примерно 3.0 V на элемент получают необратимые повреждения, и робот, работающий до полной остановки, обязательно это сделает.

LiPo используют в скоростных конструкциях, и с ним необходимо обращаться осторожно. Никогда не заряжайте без присмотра, не прокалывайте и не оставляйте разряженным; используйте балансировочное зарядное устройство.

Диагностика

Контроль батарейного блока

Последнее, что стоит добавить: робот, знающий напряжение своей батареи, может остановиться до наступления просадки питания, и для этого достаточно двух резисторов.

// 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;
}

Одна предосторожность, из-за которой это следует сделать внимательно: на Arduino функция analogRead ратиометрична относительно шины 5 V, а она сама проседает при работе двигателей. Измерение падающего напряжения батареи по падающему опорному уровню приводит к росту показания. Переключитесь на внутренний опорный уровень 1.1 V с помощью analogReference(INTERNAL), рассчитайте делитель для него, и показание станет достоверным — именно на эту ловушку подробно указано в руководстве по аналоговым входам.