Skocz do zawartości

Robot balansujący - Zasilanie


Pomocna odpowiedź

Witam!

Sterownik silników skończony, czas na zasilanie. Będzie to oddzielna płytka.

Założenia projektu:
- Zasilanie z pakietu Li-Ion 4S4P lub 4S/3P. Pakiet na zamówienie ze zintegrowanym balncerem.
- Napięcia wyjściowe:
    a. Bezpośrednio z baterii
    b. 3,3V / min 2A
    c. 5V lub 6V / min 3A - do zasilania serw
    d. 5V / 3A - do zailania Raspberry Pi
    e. Regulowane / 2A - do zasilania płytek funkcyjnych
- Kontrola przez STM32 (jeszcze nie wybrałem, pewnie jakiś mały z serii L)
- Komunikacja przez SPI i UART
- Zabezpieczenie każdego kanału bezpiecznikiem polimerowym
- Zabezpieczenie przed odwrotnym podłączeniem baterii
- Załączanie / wyłączanie każdego kanału z mikrokontrolera
- Pomiar prądu na każdym kanale
- Soft power button - coś jak zrobiłem w projekcie Minikonsolka
- Zintegrowana ładowarka CC/CV (pewnie coś niedużego do 5A)

Pozdrawiam,
Marek

 

Link do komentarza
Share on other sites

Zarejestruj się lub zaloguj, aby ukryć tę reklamę.
Zarejestruj się lub zaloguj, aby ukryć tę reklamę.

jlcpcb.jpg

jlcpcb.jpg

Produkcja i montaż PCB - wybierz sprawdzone PCBWay!
   • Darmowe płytki dla studentów i projektów non-profit
   • Tylko 5$ za 10 prototypów PCB w 24 godziny
   • Usługa projektowania PCB na zlecenie
   • Montaż PCB od 30$ + bezpłatna dostawa i szablony
   • Darmowe narzędzie do podglądu plików Gerber
Zobacz również » Film z fabryki PCBWay

Ten post prosi się o przypięcie jako wzór jak należy robić pomiary, brać pod uwagę ograniczenia i wyciągać wnioski. 🙂 Wciąż świetny projekt, sukcesywnie do przodu, jakość wykonania godna pochwały. 🏅

  • Lubię! 1
Link do komentarza
Share on other sites

Witam!

Prace na chwilę ustały, bo czekałem na zamówiony pakiet baterii. Dziś w końcu doszedł:

Technologia: Li-Ion
Konfiguracja: 4S4P
Napięcie: 14,8V
Pojemność pakietu: 13,6Ah
Zastosowane Ogniwa: Panasonic NCR-18650B 3400mAh (16 sztuk)
Max prąd pakietu: 4,87A x 4 = 19.48A
Max prąd ładowania: 1625mA x 4 = 6500 mA
Mas napięcie ładowania: 4 x 4,2V = 16,8 V
Prąd odcięcia: 65mA x 4 = 260 mA
Wbudowany balancer oraz zabezpieczenie termiczne, przeciwzwarciowe, przed nadmiernym rozładowaniem itp, itd.
Wbudowany dodatkowy termistor do monitorowania temp pakietu (niektóre układy ładujące mają taką możliwość)
Waga: 800g.

Wciąż planuję wbudować w płytkę układ ładowania baterii. Dla bezpieczeństwa ograniczę jednak parametry ładowania:
Napięcie ładowania: 16,8V (to pozostanie bez zmian)
Prąd ładowania: 2A
Prąd odcięcia: 400mA (nie będę więc wykorzystywał max pojemności)

Teraz mogę dokończyć płytkę zasilającą robota, oraz kontynuować projekt konstrukcji mechanicznej (bo już znam ostateczne wymiary i masę pakietu).
 

IMG-20210125-WA0001.thumb.jpg.2b79d2ebfd1f57cdb89cec6c90969560.jpg

  • Lubię! 1
Link do komentarza
Share on other sites

(edytowany)

Witam!

Prace projektowe trwają. Właśnie ukończyłem projekt moduł chargera, który posłuży mi do prototypownia płytki zasilania oraz testów.
Tak jak jest pełno układów ładowania pod baterie 1S ze zintegrowanymi MOSFETami, tak pod 4S wybór jest bardzo ograniczony.

Ostatecznie zdecydowałem się na wersję rozbudowaną modułu ładowania i wybrałem układ Texas Instruments BQ25703A. Posiada on następujące parametry:

- Obsługuje wiele typów baterii (w tym Li-Ion i Li-Po)
- Konfiguracja Buck-Boost
- Interfejs I2C
- Pomiar wielu parametrów (w tym prąd / napięcie na wejściu oraz na baterii)
- Zintegrowany Power-Path
- Możliwość pracy w trybie OTG (czyli teoretycznie można dostarczyć napięcie z baterii na wejście zasilania)
- Różnego rodzaju wbudowane zabezpieczenia których parametry można programować
 

Układ jest bardzo rozbudowany, wymaga zewnętrznych tranzystorów MOSFET i w robocie na pewno nie będę wykorzystywał jego pełnych możliwości.
Moduł do prototypownia oraz biblioteki pod STM32 na pewno się przydadzą w przyszłości do innych projektów.

Poniżej rendery płytki PCB którą zaprojektowałem:

Charger001.thumb.JPG.23bf9ed5fe79596b8a63b0bd3e4f6a86.JPGCharger002.thumb.JPG.3d05814613018df1e6a2c95f5d33196f.JPGCharger003.thumb.JPG.1cf1ee5e241621e5fa85bd3415a04634.JPG

UWAGA: Na renderze jest model 3D cewki Bourns SRP7328 3,3uH, w rzeczywistości użyję Bourns SRP7050 2,2uH. Nie mogłem jednak nigdzie znaleźć prawidłowego modelu 3D.

Wymiary płytki to 55x33mm, więc niewiele.

Pozdrawiam,
Marek

 

Edytowano przez MR1979
  • Lubię! 2
Link do komentarza
Share on other sites

@MR1979 Gratuluję, jestem pod olbrzymim wrażeniem staranności i solidności Twojej pracy, podzielam zdanie Kolegi @Gieneq, iż faktycznie Twoje wpisy mogłyby stanowić wzór prawidłowo przeprowadzonych testów i pomiarów. Mam pytanie, przepraszam, że nieco naiwne - czy tak rozbudowane prace na torem zasilania, połączone z zamówieniem akumulatora i projektowaniem własnej przetwornicy mają aspekt czysto edukacyjny, czy bezpośrednio przemawia za tym jakiś aspekt "projektowy"? Rozumiem, że nie chcesz iść na skróty, skorzystać z gotowego Li-Pol'a i dedykowanej ładowarki oraz gotowych modułów-przetwornic? 😉

Jeszcze raz - jestem pełen podziwu, trzymam kciuki za rozwój robota 🙂

  • Lubię! 1
Link do komentarza
Share on other sites

@wn2001 Faktycznie nie lubię iść na skróty i mam wiele pomysłów z których nie lubię rezygnować 🙂 Zobaczymy czy mnie to nie zgubi i czy ukończę projekt 🙂 W każdym razie niezależnie od wyników końcowych, ilość wiedzy i doświadczenia którą zdobędę przy tym projekcie jest ogromna i myślę że warto się czasem trochę zgłębić w temat i pokombinować. Mój synek z zainteresowaniem śledzi postępy nad projektem i to także daje motywację 🙂

Wszystkie moduły które tworzę przy okazji budowy robota (przetwornice, ładowarka, układy sterowania silnikiem) traktuję jako klocki, które będę mógł wykorzystać w kolejnych projektach. Tworzenie własnych modułów ma jedną ważną zaletę: mogę je później razem zintegrować na pojedynczej płytce, co nie zawsze jest możliwe przy gotowych modułach bo albo brakuje dokumentacji, albo części są niedostępne, albo specyfikacja nie taka jak potrzebujemy. A to jest ważne jeżeli chcę na końcu uzyskać estetyczny projekt w ładnej obudowie. Estetyka jest dla mnie ważna.

Dla przykładu przy poprzednim projekcie (Mini konsolka na STM32) także stworzyłem moduł zasilania oraz zarządzania baterią od podstaw. Teraz ten moduł mogę wykorzystać w każdym kolejnym projekcie gdzie zasilanie jest z baterii 1S. Gdybym korzystał z gotowych modułów konsolka nie byłaby tak funkcjonalna i na pewno nie dał bym rady umieścić jej w estetycznej obudowie.

Pozdrawiam i dzięki za zainteresowanie projektem.

Pozdrawiam,
Marek

  • Lubię! 2
Link do komentarza
Share on other sites

Witam po przerwie 🙂

Ostatnio czas spędziłem głównie nad modułem ładowarki baterii którą chcę zintegrować z płytką zasilania:

1. PCB wykonane. Przed wysłaniem gerberów na produkcję wprowadziłem kilka zmian które zasugerowano mi na grupie KiCad na FB. Umieściłem najważniejsze kondensatory jak najbliżej IC. Ścieśniłem na ile to możliwe mosfety przetwornicy DC/DC. Dodałem LED informujący o stanie ładowarki.

2. Zmontowałem całą płytkę. Jest to chyba najtrudniejsza płytka jaką do tej pory składałem. Obudowa QNF-32 dała mi się we znaki i udało mi się zmontować płytkę dopiero za drugim razem. W pierwszym egzemplarzu spłonął (dosłownie) tranzystor podczas testów 🙂 Po czymś takim laminat płytki został uszkodzony i naprawa nie wchodziła w grę. Przyczyną było zwarcie padów albo niedolutwany pad układu ładowarki. Teraz zamówiłem cienki grot 0,2mm do stacji oraz porządny topnik w żelu w strzykawce, więc w przyszłości może obejdzie się bez fajerwerków.

3. Zacząłem pisać bibliotekę do obsługi układu ładowania. Układem oraz pozostałymi funkcjami będzie sterować uC z rodziny STM32L0.

4. Testy modułu:

- Pierwsze testy zacząłem już podczas montażu. A więc każdy element po przylutowaniu sprawdzałem na potencjalne zwarcia. Nie jestem jednak w stanie sprawdzić niedolutowanych padów układu w obudowie QFN.
- Następnie sprawdziłem wszystkie główne wyjścia/wejścia układu na zwarcie
- Kolejnym testem było uruchomienie zasilania (bez podłączonej baterii) z ustawionym limitem prądu.
- Kolejnym testem sprawdziłem wydolność przetwornicy DC/DC. Do wyjścia modułu podłączyłem obciążenie elektroniczne i stopniowo zwiększałem obciążenie do 3A. Na wyjściu przetwornicy miałem stabilne 12,28V (zgodnie z dokumentacją układu). Temperatury na tranzystorach i cewce były akceptowalne, więc mogę uznać że 3A jest max prądem jakim mogę ładować baterię. Najbardziej nagrzewała się cewka (temp ustabilizowała się na poziomie 70C). Sprawdziłem też przebiegi na sygnałów sterujących tranzystory i wszędzie był ładny prostokątny przebieg z niewielkimi przeregulowaniami (tzw. overshoot).
- Następnie podłączyłem samą baterię bez zewnętrznego zasilania. Przetestowałem wydajność modułu do 10A. MOSFET-P który odpowiada za podłaczenie baterii do wyjścia praktycznie się nie nagrzewał. Większego obciążenia niż 10A z baterii nie przewiduję (to jest 150W przy 15V).
- Kolejnym testem było przetestowanie sterowania tzw power path. Czyli czy układ poradzi sobie z płynnym przejściem z zasilania zewnętrznego na bateryjne i odwrotnie.
- Ostatni testem było jednoczesne podłączenie baterii i zasilania oraz przetestowania ładowania. Układ radził sobie dobrze z ładowaniem baterii i płynnie przechodził z trybu CC na CV.

Poniżej kilka fotek:

IMG_20210213_153119_1.thumb.jpg.5cb552527043eedd56d1d8deab27ae3c.jpgIMG_20210212_212014_3.thumb.jpg.86f8f3da7cfd871ac1bbfc04e634b04a.jpgIMG_20210212_212023_3.thumb.jpg.50855d77c777249103ea8d75cceab3b2.jpgIMG_20210213_145558.thumb.jpg.ea2b9502ef2e417bf72a323406ef7a45.jpgIMG_20210213_145629_1.thumb.jpg.549d8dd699807f950df142b2eeb72d05.jpgIMG_20210213_145736_2.thumb.jpg.32dcd97d236f670178d92e07e1bb8260.jpg

Na ostatniej fotce informacje których dostarcza mi sam układ ładowania.

Wnioski:

- W stosunku do pierwotnych założeń układ ładowania wbudowany w robota będzie mógł ładować baterię prądem 2,5 do 3A.
- W robocie będzie wbudowana mechaniczna wentylacja - wentylator 5V
- Po doczytaniu kilku publikacji o bateriach Li-Ion oraz kilku próbnych ładowaniach zasilaczem laboratoryjnym, uznałem że będę się trzymał zasady żeby zakończyć ładowanie gdy prąd ładowania spadnie do zakresu 1/10 do 1/20 pojemności pakietu. W moim przypadku przy całkowitej pojemności 13200mAh, będzie to między 1,3A a 0,66A. Uznałem że granica na poziomie 1A będzie dobrym kompromisem na początek.
- Ponieważ płytka zasilania będzie w pobliżu baterii, uznałem że ze względu bezpieczeństwa musi być ona odwrócona stroną bez komponentów w stosunku do baterii. W ten sposób ewentualne uszkodzenie tranzystorów lub układów przetwornic nie spowoduje uszkodzenia obudowy pakietu baterii, bo będą oddzielone warstwą laminatu.
- W finalnej płytce zasilania robota zaimplementuje zabezpieczenie przed odwrotnym podłączeniem zasilania zewnętrznego (oparte na mosfecie), oraz 8A bezpiecznik polimerowy na wejściu baterii. Rozważam też dodanie dodatkowych zabezpieczeń ESD na wejściu zasilania zewnętrznego (nigdy tego nie robiłem, więc będzie ciekawy temat do rozważenia)

Pozdrawiam,
Marek

  • Lubię! 1
Link do komentarza
Share on other sites

Marku, twój projekt powinien być lekturą obowiązkową dla uczniów i studentów. Z przyjemnością przypominam sobie zasady, które Ty stosujesz. Ja je często, z lenistwa, zaniedbuję.  Ale dziś obiecuję, że dokończę, przynajmniej kilka rozgrzebanych projektów i będę czekał na kolejne twoje.
Pozdrawiam Darek

  • Lubię! 1
Link do komentarza
Share on other sites

Witam,

Ostatnie dwa dni to rysowanie schematu płytki zasilania robota. Ciekawe czy uda mi się to wszystko zmieścić na laminat 😉 W razie czego jest plan awaryjny że nie uwzględnię linii zasilania o zmiennym napięciu (regulowanym potencjometrem). Niemniej jednak jestem optymistą, bo na podstawie powierzchni modułów do prototypownia które już wykonałem mam pewną orientację ile będą zajmować poszczególne obwody.

Poniżej schemat:

001.thumb.JPG.53b5cffd7fb409bed0a4c480ee248d5a.JPG002.thumb.JPG.7bb46bc1be8a774c75b6bfb310d5807b.JPG003.thumb.JPG.b339f9f638f12cf8777e983e15038a5d.JPG004.thumb.JPG.f661db95e5c98a948ed4ac857a01959e.JPG005.thumb.JPG.d32b5b94ebcc109c6b75f38ea9896b58.JPG006.thumb.JPG.b0c17e7c4449364f188a6501f4b564ee.JPG007.thumb.JPG.b034f9fb910d1ace8203a511d051f67c.JPG008.thumb.JPG.177d50c8f784e581558973ada329fe38.JPG009.thumb.JPG.f4514757a41c076d6e1f5bba953383a7.JPG

Uwagi:

- Na płytce będzie zworka pozwalająca obejść całkowicie power-path oraz układ ładowania. Także w razie czego będę mógł polutować PCB bez modułu ładowarki.

- Złącze SWD będzie miało identyczną konfigurację jak w płytce do sterowania silnikami i serwo, którą już wykonałem.

 

Plan na kolejne dni:

- Jeszcze raz wszystko sprawdzić i porównać z datasheets. Szczególnie przyporządkowanie połączeń do nóżek uC.

- Przyporządkować foot printy

- Zaprojektować PCB

- Ukończyć oprogramowanie

Także jeszcze duuuużo roboty przede mną 🙂

Pozdrawiam,
Marek

 

 

  • Lubię! 1
  • Pomogłeś! 1
Link do komentarza
Share on other sites

Projekt płytki gotowy. Udało się zmieścić wszystkie układy na płytce, choć nie było to łatwe.

001.thumb.JPG.5c2df068687ecd30e19242dfa9ea3d7e.JPG002.thumb.JPG.19264308ec48b23a823fddedf46c6e29.JPG003.thumb.JPG.09d5b0b638e9103d179a96bff424867c.JPG004.thumb.JPG.a10703ad51a9d9da60f32cb32f224505.JPG

Pozdrawiam,
Marek

 

  • Lubię! 1
Link do komentarza
Share on other sites

Bądź aktywny - zaloguj się lub utwórz konto!

Tylko zarejestrowani użytkownicy mogą komentować zawartość tej strony

Utwórz konto w ~20 sekund!

Zarejestruj nowe konto, to proste!

Zarejestruj się »

Zaloguj się

Posiadasz własne konto? Użyj go!

Zaloguj się »
×
×
  • Utwórz nowe...

Ważne informacje

Ta strona używa ciasteczek (cookies), dzięki którym może działać lepiej. Więcej na ten temat znajdziesz w Polityce Prywatności.