機(jī)電傳動(dòng)模塊化設(shè)計(jì)——第5講—機(jī)器人能源子系統(tǒng)

1、第五講能源子系統(tǒng)能源子系統(tǒng)能源子系統(tǒng) （電能）v能源子系統(tǒng)是為機(jī)電系統(tǒng)上所有的控制子系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)及執(zhí)行子系統(tǒng)提供能源的部分。v通常小型或微型機(jī)器人采用直流電作為電源；又因?yàn)闄C(jī)器人大多要移動(dòng)，因此重點(diǎn)介紹和對比當(dāng)今常見的電池技術(shù)。本講重點(diǎn)內(nèi)容v二次電池及其特性v線型穩(wěn)壓電源v開關(guān)電源北航某型無人機(jī)由于能源和電纜問題造成超重，影響設(shè)計(jì)航程。本章的要領(lǐng)v基本要領(lǐng)v（1）電源系統(tǒng)基本信號(hào)特征v（2）各種電池的特性v（3）電源轉(zhuǎn)換（AC-DC、DC-DC）5.1 能源系統(tǒng)的重要性v機(jī)電傳動(dòng)系統(tǒng)的使命是完成特定規(guī)律的運(yùn)動(dòng)，忠實(shí)執(zhí)行動(dòng)作指令（很硬的特性）v所謂“忠實(shí)”的前提條件： 忠實(shí)動(dòng)作到位有力量扭矩足夠電

2、流足夠（特定電壓下）很硬的特性v硬提供、吸收電流并轉(zhuǎn)換為扭矩的能力v數(shù)控銑床如果機(jī)電傳動(dòng)系統(tǒng)的特性不夠硬，無法完成切削的形狀，或切削速度低v大飛機(jī)、戰(zhàn)斗機(jī)無法保證舵面的精度和響應(yīng)速度（數(shù)字舵機(jī)和模擬舵機(jī)），操縱性差v機(jī)器魚無法實(shí)現(xiàn)高效的拍動(dòng)效率電源系統(tǒng)基本信號(hào)特征v基本公式vUEIR(t)（巨大的學(xué)問）vU分系統(tǒng)輸入的端電壓vE電源的電動(dòng)勢vR電源內(nèi)阻v (t)從共地線的其他系統(tǒng)串?dāng)_的干擾電壓之和影響特性的各個(gè)方面v機(jī)電傳動(dòng)系統(tǒng)主要是由控制模塊（(t) ）、驅(qū)動(dòng)模塊（I承載電流能力）、機(jī)電轉(zhuǎn)換裝置（電機(jī)）構(gòu)成（I承載電流能力）v電纜、接插件是不可忽略的環(huán)節(jié)（I承載電流能力）v結(jié)構(gòu)方面，強(qiáng)度和剛

3、度（結(jié)構(gòu)力學(xué)）v能源系統(tǒng)是根本，要有足夠的承載能力和好的特性（ IR提供電流的能力）有同學(xué)玩過HI-FI嗎？vHI-FI（高保真音響）可以理解為一種機(jī)電傳動(dòng)系統(tǒng)。最終輸出是揚(yáng)聲器的運(yùn)動(dòng)，并作用在空氣上產(chǎn)生高保真的聲音（具有一定的推動(dòng)功率）v變壓器、放大電路、線纜、接插件、揚(yáng)聲器困擾設(shè)計(jì)著的常常是電源問題UEIR(t)U1E1IR1(t) U2E2IR2(t)U3E3IR3(t)5.2 機(jī)器人常用電池機(jī)器人常用電池 在化學(xué)電池中，根據(jù)能否用充電方式恢復(fù)電池存儲(chǔ)電能的特性，可以分為一次電池（也稱原電池）和二次電池（又名蓄電池，俗稱可充電電池，可以多次重復(fù)使用）兩大類。由于需要重復(fù)使用，機(jī)器人上通常

4、采用二次電池。鉛酸電池鋰離子電池鎳氫電池鋰聚合物電池v機(jī)器人由于體積、尺寸、重量的限制，對其采用的電源有各種嚴(yán)格要求。例如：移動(dòng)機(jī)器人通常不能采取線纜供電的方式（除一些管道機(jī)器人、水下機(jī)器人外），必須采用電池或內(nèi)燃機(jī)供電v相對于汽車等應(yīng)用，要求電池體積小、重量輕、能量密度大；并且要求在各種震動(dòng)、沖擊條件下接近或者達(dá)到汽車電池的安全性、可靠性。v5.2.1 鉛酸蓄電池鉛酸蓄電池鉛酸蓄電池是一種具有一百多年應(yīng)用歷史的蓄電池。構(gòu)成鉛酸蓄電池之主要成份如下：陽極板(過氧化鉛.PbO2)- 活性物質(zhì)陰極板(海綿狀鉛.Pb) - 活性物質(zhì)電解液(稀硫酸) - 硫酸.H2SO4 + 水 .H2O隔離板、電池

5、外殼等附件 鉛酸蓄電池的工作原理是：電池內(nèi)的陽極(PbO2)及陰極(Pb)浸到電解液(稀硫酸)中，兩極間會(huì)產(chǎn)生2V的電力，這是根據(jù)鉛蓄電池原理，經(jīng)由充放電，v則陰陽極及電解液即會(huì)發(fā)生如下的變化： v(陽極) (電解液) (陰極) PbO2 + 2H2SO4 + Pb - PbSO4 + 2H2O + PbSO4 (放電反應(yīng)) (過氧化鉛) (硫酸) (海綿狀鉛) (陽極) (電解液) (陰極)PbSO4 + 2H2O + PbSO4 - PbO2 + 2H2SO4 + Pb (充電反應(yīng)) (硫酸鉛) (水) (硫酸鉛)v鉛酸蓄電池最大的特點(diǎn)價(jià)格較低，支持20C以上的大電流放電（20C意味著10

6、Ah的電池可以達(dá)到10*20=200A的放電電流），對過充電的耐受強(qiáng)，技術(shù)成熟，可靠性相對較高，沒有記憶效應(yīng)，充放電控制容易。v但壽命較低（充放電循環(huán)通常不超過500次），質(zhì)量大，維護(hù)較困難，是一種優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)都很突出的電池。v為了解決由于電解液需要補(bǔ)充、維護(hù)困難的問題，人們開發(fā)了免維護(hù)鉛酸蓄電池。v200A的概念放電能力 的標(biāo)稱參數(shù) C是以電池標(biāo)稱容量對照電流的一種表示方法，如電池是1000mAh的容量，1C就是表示充放電流1000mA。 一般充電器的充電電流控制在1C以下。 C數(shù)：放電能力是電池性能的重要指標(biāo)v為了提高鉛蓄電池的使用壽命，改善其使用性能，免維護(hù)蓄電池的正極板柵架一般采用鉛鈣合

7、金或低銻合金制造。而負(fù)極板柵架均用鉛鈣合金制造。為減小極板短路和活性物質(zhì)脫落，其隔板大多采用超細(xì)玻璃纖維棉制作，或?qū)⑵湔龢O板裝在袋式隔板內(nèi)。v為了防止氧氣、氫氣垂直上溢，減小水分損失和活性物質(zhì)脫落，極板組多采用緊裝結(jié)構(gòu)。為了縮短聯(lián)接條的長度，減小內(nèi)陰，提高蓄電池啟動(dòng)性能，各單格極板組之間采用穿壁式接法，露在密封式殼體外面的只有正、負(fù)極樁。v因此從理論上講，免維護(hù)蓄電池即使被過充電時(shí)，其電解液中的水也不會(huì)散失。相對于傳統(tǒng)的鉛酸蓄電池，免維護(hù)蓄電池具有以下性能特點(diǎn)： v自放電量小普通鉛蓄電池的柵架上多采用鉛銻合金，且銻的含量較高（一般為4%7%），在充電時(shí)，正極柵架的銻逐漸溶解到電解液中，并在負(fù)極

8、板表面上沉積，與負(fù)極板上的活性物質(zhì)形成微電池，從而導(dǎo)致自行放電量增大。而免維護(hù)蓄電池正極柵架多為鉛鈣合金，其晶粒較細(xì)，耐腐蝕，所以自放電量小。什么叫自放電 電池在不使用條件下內(nèi)部會(huì)自行放電稱為自放電。任何電池都存在自放電，只是大小不同。國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定鎳鎘鎳氫電池每日自放電容量600次鎳鎘電池含有金屬鎘，是有毒的。該種電池報(bào)廢后請妥善處置，最好交由專業(yè)回收機(jī)構(gòu)處理。隨意丟棄會(huì)造成環(huán)境污染。動(dòng)手指南動(dòng)手指南 注意：鎳氫電池不宜串聯(lián)、并聯(lián)過多，否則內(nèi)阻大，無法大電流放電，且容易過熱、起火。一般不能超過10節(jié)串聯(lián)、4節(jié)并聯(lián)。市場上容易買到的幾種鎳氫充電電池的性能和價(jià)格、供貨商聯(lián)系方式如下：SANYOAA

9、 Size21002500mAh，標(biāo)準(zhǔn)AA電池。性能好，價(jià)格較高。單價(jià)約20元。AA電池在很多地方都能買到。國產(chǎn)電池AA size18002300mAh，標(biāo)準(zhǔn)AA電池。性能尚可。單價(jià)約8元。在電子市場可以買到。國產(chǎn)電池D size1000013000mAh，D型大容量，單價(jià)約50元。深圳比亞迪電池國產(chǎn)的優(yōu)秀電池。價(jià)格適中，性能較好，具有全系列的電池型號(hào)。5.2.3 鋰離子鋰離子/鋰聚合物動(dòng)力電池鋰聚合物動(dòng)力電池v鋰離子電池標(biāo)稱電壓3.7V（3.6V），充電截止電壓4.2V。鋰離子放電過程是非線性的，如下圖所示在4.2伏到3.6伏之間，電池的電壓隨著放電過程緩慢下降，基本是一個(gè)比較平緩的直線。當(dāng)

10、電壓到達(dá)3.5-3.6之間電池的電壓會(huì)急劇的下降，短時(shí)間內(nèi)就到下降到2.8V，如果電池使用到的電壓低于2.8V就會(huì)對電池造成永久性的損害，所以一般認(rèn)為電池放電到3.4-3.5之間就是沒電了，需要停止使用，進(jìn)行充電。 鋰離子電池對充電有比較高的要求。剛開始要恒流充電，電池電壓隨著充電過程逐步升高，當(dāng)電池端電壓達(dá)到4.2V（4.1V），改恒流充電為恒壓充電，即電壓一定，電流根據(jù)電芯的飽和程度，隨著充電過程的繼續(xù)逐步減小，當(dāng)減小到0.01C時(shí)，認(rèn)為充電終止。一般充電器的充電電流控制在1C以下。v鋰電池的優(yōu)勢v鋰離子電池與鎳氫電池相比，重量較鎳氫輕3040%，能量比卻高出60正因?yàn)槿绱? 鋰離子電池生

11、產(chǎn)和銷售量正逐漸超過鎳氫電池鋰離子電池的能量密度很高，它的容量是同重量的鎳氫電池的1.52倍，充放電次數(shù)可達(dá)500次以上，而且具有很低的自放電率此外，鋰離子電池幾乎沒有“記憶效應(yīng)”以及不含有毒物質(zhì)等優(yōu)點(diǎn)也是它廣泛應(yīng)用的重要原因。v鋰電池的問題v鋰離子首先影響鋰離子電池使用的是其安全性。 相對于鉛酸蓄電池、鎳氫電池等具備較強(qiáng)的抗過充、過放電能力的電池，鋰離子電池的充電和放電必須嚴(yán)格小心。鋰離子電池具有嚴(yán)格的放電底限電壓，通常為2.5V，如果低于此電壓繼續(xù)放電，將嚴(yán)重影響電池的容量，甚至對電池造成不可恢復(fù)的損壞；另一方面，電池單元的充電截止電壓必須限制在4.2V左右，如果過充，鋰離子電池將會(huì)過熱、

12、漏氣甚至發(fā)生猛烈的爆炸。因此，通常在使用鋰離子電池組的時(shí)候必須配備專門的過充電、過放電保護(hù)電路。v其次是價(jià)格。鋰離子電池價(jià)格較高，并且需要配備保護(hù)電路，因此相同能量的鋰離子電池的價(jià)格是免維護(hù)鉛酸蓄電池的十倍以上。v為了解決這些問題，最近出現(xiàn)了鋰聚合物電池（Li-Polymer）。其本質(zhì)同樣是鋰離子電池，而所謂聚合物鋰離子電池是在電解質(zhì)、電極板等主要構(gòu)造中至少有一項(xiàng)或一項(xiàng)以上使用高分子材料的電池系統(tǒng)。 v新一代的聚合物鋰離子電池在聚合物化的程度上已經(jīng)很高，所以形狀上可做到很?。ㄗ畋?.5毫米）、任意面積化和任意形狀化，大大提高了電池造型設(shè)計(jì)的靈活性，從而可以配合產(chǎn)品需求，做成任何形狀與容量的電池

13、。同時(shí)，聚合物鋰離子電池的單位能量比目前的一般鋰離子電池提高了50%，其容量、充放電特性、安全性、工作溫度范圍、循環(huán)壽命與環(huán)保性能等方面都較鋰離子電池有大幅度的提高。 v各種電池特性優(yōu)缺點(diǎn)如下表所示：內(nèi)容 鉛酸蓄電池 鎳鎘電池 鎳氫電池 鋰離子電池 鋰聚合物電池 能量密度 30-50Wh/kg差35-40Wh/kg差 60-80Wh/kg一般90-10Wh/kg較好 130Wh/kg非常好 大電流放電能力 非常好 非常好 較好 較好 較好 可維護(hù)性 非常好 較好 好 一般 較好 放電曲線性能 好 好 一般 非常好 較好 循環(huán)壽命 400-600次 300-500次800-1000次500-60

14、0次500-600次安全性 非常好較好較好 一般 較好 價(jià)格 低 低 較低 高 高 記憶效應(yīng) 輕微 嚴(yán)重 較輕 輕微 輕微 5.3線性穩(wěn)壓電源線性穩(wěn)壓電源v常見的線性電源主要是三端穩(wěn)壓器件，例如78xx/79xx 系列三端穩(wěn)壓器件是最常用的線性降壓型 DC/DC 轉(zhuǎn)換器，目前也有大量先進(jìn)的 DC/DC 轉(zhuǎn)換器層出不窮，例如低壓差線性穩(wěn)壓器 LDO等, （例如，National Semiconductor 的 LM1085、LM1086、LM2940、LM2651、LM5020，MAXIAM 的 MAX1747 等等）。 v78xx/79 系列簡單易用、價(jià)格低廉，直到今天還在大多電路中采用。 如

15、7805，7806，7809，7812，7815，7824，（79）。以及三端可調(diào)穩(wěn)壓器（LM317,337,338.） v78xx/79xx系列在降壓電路中應(yīng)注意以下事項(xiàng)： v1、輸入輸出壓差不能太大,太大則轉(zhuǎn)換效率急速降低，而且容易擊穿損壞； v2、輸出電流不能太大，1.5A 是其極限值。大電流的輸出，散熱片的尺寸要足夠大，否則會(huì)導(dǎo)致高溫保護(hù)或熱擊穿； v3、輸入輸出壓差也不能太小,大小效率很差。v由于線性穩(wěn)壓器是利用晶體管的線性區(qū)域來降壓、穩(wěn)壓，因此顯然其輸入功率并非完全能從輸出端口輸出，兩者的相差都會(huì)轉(zhuǎn)為熱能耗散掉。功率耗散(Pd)可以根據(jù)以下的公式粗略估算： vPd =(VinVou

16、t) * Iout v若要更精確計(jì)算功率耗散，我們必須將Vin * Iq這個(gè)變項(xiàng)計(jì)算在內(nèi)。功率耗散總額可以根據(jù)以下公式計(jì)算出來： vPd =(VinVout) * Iout+Vin * Iq v若按照上述兩條公式，再將5伏(V)電壓調(diào)低至1.5伏 (靜態(tài)電流為300mA)，那么線性穩(wěn)壓器耗散為熱能的功率不會(huì)少于： v(51.5) * 0.35 =1.225W v究竟這個(gè)功耗量應(yīng)視為高還是低呢？有關(guān)這個(gè)問題我們不可過早做出判斷，我們必須根據(jù)芯片封裝以及電路板的類型與面積 (若采用表面貼裝封裝)，找出這些變項(xiàng)與溫度上升幅度之間的函數(shù)關(guān)系，從而計(jì)算 1.225W 的功率耗散究竟會(huì)令溫度上升多少。這樣

17、我們才可作出一個(gè)較為全面的判斷，確定 1.225W 的功率耗散是高還是低。系統(tǒng)設(shè)計(jì)工程師一般都喜歡采用最小巧的封裝，但這類封裝的熱阻值非常高，因此散熱能力也最差。 5.4開關(guān)電源開關(guān)電源v開關(guān)電源是利用現(xiàn)代電力電子技術(shù)，控制開關(guān)晶體管開通和關(guān)斷的時(shí)間比率，維持穩(wěn)定輸出電壓的一種電源，開關(guān)電源一般由脈沖寬度調(diào)制（PWM）控制IC和MOSFET構(gòu)成。v開關(guān)電源和線性電源相比， 通常具有允許較高的輸入輸出壓差、效率高（滿載效率通常可達(dá)到75%以上，甚至可達(dá)到95%-97%）、體積小等優(yōu)勢。v但是，由于開關(guān)電源是依靠開關(guān)晶體管不斷導(dǎo)通和關(guān)斷的原理工作的，因此也帶來了電源品質(zhì)通常不如線性電源、瞬態(tài)響應(yīng)特

18、性不如線性電源、有電磁輻射等先行電源所沒有的缺點(diǎn)。v開關(guān)電源的分類開關(guān)電源的分類 v 開關(guān)電源可分為AC/DC和DC/DC兩大類，DC/DC變換器現(xiàn)已實(shí)現(xiàn)模塊化，且設(shè)計(jì)技術(shù)及生產(chǎn)工藝在國內(nèi)外均已成熟和標(biāo)準(zhǔn)化，并已得到用戶的認(rèn)可，但AC/DC的模塊化，因其自身的特性使得在模塊化的進(jìn)程中，遇到較為復(fù)雜的技術(shù)和工藝制造問題。以下分別對兩類開關(guān)電源的結(jié)構(gòu)和特性作以闡述。 v開關(guān)電源的選用開關(guān)電源的選用 v 開關(guān)電源在輸入抗干擾性能上，由于其自身電路結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)（多級串聯(lián)），一般的輸入干擾如浪涌電壓很難通過，在輸出電壓穩(wěn)定度這一技術(shù)指標(biāo)上與線性電源相比具有較大的優(yōu)勢，其輸出電壓穩(wěn)定度可達(dá)(0.51）。開關(guān)

19、電源模塊作為一種電力電子集成器件，在選用中應(yīng)注意以下幾點(diǎn)： v輸出電流的選擇輸出電流的選擇 v因開關(guān)電源工作效率高，一般可達(dá)到80以上，故在其輸出電流的選擇上，應(yīng)準(zhǔn)確測量或計(jì)算用電設(shè)備的最大吸收電流，以使被選用的開關(guān)電源具有高的性能價(jià)格比，通常輸出計(jì)算公式為： vIs=KIfv式中： Is開關(guān)電源的額定輸出電流； vIf用電設(shè)備的最大吸收電流； vK裕量系數(shù)，一般取1.51.8； v接地接地 v開關(guān)電源比線性電源會(huì)產(chǎn)生更多的干擾，對共模干擾敏感的用電設(shè)備，應(yīng)采取接地和屏蔽措施，按ICE1000、EN61000、FCC等EMC限制，開關(guān)電源均采取EMC電磁兼容措施，因此開關(guān)電源一般應(yīng)帶有EMC電

20、磁兼容濾波器。如利德華福技術(shù)的HA系列開關(guān)電源，將其FG端子接大地或接用戶機(jī)殼，方能滿足上述電磁兼容的要求。 直流直流-直流開關(guān)電源直流開關(guān)電源v當(dāng)今軟開關(guān)技術(shù)使得DC/DC發(fā)生了質(zhì)的飛躍，美國VICOR公司設(shè)計(jì)制造的多種ECI軟開關(guān)DC/DC變換器，其最大輸出功率有300W、600W、800W等，相應(yīng)的功率密度為(6.2、10、17)W/cm3，效率為（8090）。日本NemicLambda公司最新推出的一種采用軟開關(guān)技術(shù)的高頻開關(guān)電源模塊RM系列，其開關(guān)頻率為（200300)kHz，功率密度已達(dá)到27W/cm3，采用同步整流器（MOSFET代替肖特基二極管），使整個(gè)電路效率提高到90。 下

21、圖是一種典型的DC-DC模塊電源。 動(dòng)手指南動(dòng)手指南 DC-DC種類非常繁多，無法一一列舉。高可靠性、比較著名的幾個(gè)品牌包括：Densi-Lamba,VICOR, Erricsion,AT&T,朝陽電源，等等。動(dòng)力電源管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)動(dòng)力電池動(dòng)力電池( (選型、實(shí)驗(yàn)選型、實(shí)驗(yàn)) ) SPC3-UUV機(jī)器魚動(dòng)力電源管理機(jī)器魚動(dòng)力電源管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要完成：系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要完成：硬件設(shè)計(jì)硬件設(shè)計(jì)軟件設(shè)計(jì)軟件設(shè)計(jì)動(dòng)力電源管理系統(tǒng)動(dòng)力電池v鎳氫電池鎳氫電池v電池為電池為48V 500W.h v形式為一個(gè)大電池形式為一個(gè)大電池v2004年北戴河海上實(shí)驗(yàn)航年北戴河海上實(shí)驗(yàn)航行行2-3小時(shí)小時(shí)vSPC3-UU

22、V最佳拍動(dòng)頻率（最佳拍動(dòng)頻率（1.5Hz）下功耗為下功耗為96W,速度速度1.12m/sv60公里需要公里需要1500W.hv電源系統(tǒng)是否能給機(jī)器魚提供充足可靠的動(dòng)力是長航時(shí)實(shí)驗(yàn)的關(guān)鍵電源系統(tǒng)是否能給機(jī)器魚提供充足可靠的動(dòng)力是長航時(shí)實(shí)驗(yàn)的關(guān)鍵動(dòng)力電源管理系統(tǒng)動(dòng)力電池v3Hz拍動(dòng)頻率下，對機(jī)器魚拍動(dòng)過程中驅(qū)動(dòng)器加載的電流進(jìn)行測拍動(dòng)頻率下，對機(jī)器魚拍動(dòng)過程中驅(qū)動(dòng)器加載的電流進(jìn)行測量。周期量。周期350ms,峰值峰值12A。動(dòng)力電源管理系統(tǒng)動(dòng)力電池主要參數(shù)鎳氫電池鋰離子電池鋰聚合物電池工作電壓1.23.63.6質(zhì)量比能(W h/Kg)65105-140120-160體積比能(W h/L )200300500自放電率(%M )30-356-920放電能力3C2C10C動(dòng)力電源管理系統(tǒng)動(dòng)力電池v電池參數(shù)（長：電池參數(shù)（長：106mm, ,寬：寬：66mm, ,高：高：42mm）v電池所能釋放的能量為電池所能釋放的能量為（72-75）W.h,在實(shí)際使用在實(shí)際使用中以這個(gè)參數(shù)為參考。中以這個(gè)參數(shù)為參考。v安全放電壓電區(qū)間安全放電壓電區(qū)間（14.65V-16.4V）動(dòng)力電源管理系統(tǒng)動(dòng)力電池vSP