机电传动模块化设计——第5讲—机器人能源子系统

1、第五讲能源子系统能源子系统能源子系统 （电能）v能源子系统是为机电系统上所有的控制子系统、驱动及执行子系统提供能源的部分。v通常小型或微型机器人采用直流电作为电源；又因为机器人大多要移动，因此重点介绍和对比当今常见的电池技术。本讲重点内容v二次电池及其特性v线型稳压电源v开关电源北航某型无人机由于能源和电缆问题造成超重，影响设计航程。本章的要领v基本要领v（1）电源系统基本信号特征v（2）各种电池的特性v（3）电源转换（AC-DC、DC-DC）5.1 能源系统的重要性v机电传动系统的使命是完成特定规律的运动，忠实执行动作指令（很硬的特性）v所谓“忠实”的前提条件： 忠实动作到位有力量扭矩足够电

2、流足够（特定电压下）很硬的特性v硬提供、吸收电流并转换为扭矩的能力v数控铣床如果机电传动系统的特性不够硬，无法完成切削的形状，或切削速度低v大飞机、战斗机无法保证舵面的精度和响应速度（数字舵机和模拟舵机），操纵性差v机器鱼无法实现高效的拍动效率电源系统基本信号特征v基本公式vUEIR(t)（巨大的学问）vU分系统输入的端电压vE电源的电动势vR电源内阻v (t)从共地线的其他系统串扰的干扰电压之和影响特性的各个方面v机电传动系统主要是由控制模块（(t) ）、驱动模块（I承载电流能力）、机电转换装置（电机）构成（I承载电流能力）v电缆、接插件是不可忽略的环节（I承载电流能力）v结构方面，强度和刚

3、度（结构力学）v能源系统是根本，要有足够的承载能力和好的特性（ IR提供电流的能力）有同学玩过HI-FI吗？vHI-FI（高保真音响）可以理解为一种机电传动系统。最终输出是扬声器的运动，并作用在空气上产生高保真的声音（具有一定的推动功率）v变压器、放大电路、线缆、接插件、扬声器困扰设计着的常常是电源问题UEIR(t)U1E1IR1(t) U2E2IR2(t)U3E3IR3(t)5.2 机器人常用电池机器人常用电池 在化学电池中，根据能否用充电方式恢复电池存储电能的特性，可以分为一次电池（也称原电池）和二次电池（又名蓄电池，俗称可充电电池，可以多次重复使用）两大类。由于需要重复使用，机器人上通常

4、采用二次电池。铅酸电池锂离子电池镍氢电池锂聚合物电池v机器人由于体积、尺寸、重量的限制，对其采用的电源有各种严格要求。例如：移动机器人通常不能采取线缆供电的方式（除一些管道机器人、水下机器人外），必须采用电池或内燃机供电v相对于汽车等应用，要求电池体积小、重量轻、能量密度大；并且要求在各种震动、冲击条件下接近或者达到汽车电池的安全性、可靠性。v5.2.1 铅酸蓄电池铅酸蓄电池铅酸蓄电池是一种具有一百多年应用历史的蓄电池。构成铅酸蓄电池之主要成份如下：阳极板(过氧化铅.PbO2)- 活性物质阴极板(海绵状铅.Pb) - 活性物质电解液(稀硫酸) - 硫酸.H2SO4 + 水 .H2O隔离板、电池

5、外壳等附件 铅酸蓄电池的工作原理是：电池内的阳极(PbO2)及阴极(Pb)浸到电解液(稀硫酸)中，两极间会产生2V的电力，这是根据铅蓄电池原理，经由充放电，v则阴阳极及电解液即会发生如下的变化： v(阳极) (电解液) (阴极) PbO2 + 2H2SO4 + Pb - PbSO4 + 2H2O + PbSO4 (放电反应) (过氧化铅) (硫酸) (海绵状铅) (阳极) (电解液) (阴极)PbSO4 + 2H2O + PbSO4 - PbO2 + 2H2SO4 + Pb (充电反应) (硫酸铅) (水) (硫酸铅)v铅酸蓄电池最大的特点价格较低，支持20C以上的大电流放电（20C意味着10

6、Ah的电池可以达到10*20=200A的放电电流），对过充电的耐受强，技术成熟，可靠性相对较高，没有记忆效应，充放电控制容易。v但寿命较低（充放电循环通常不超过500次），质量大，维护较困难，是一种优点和缺点都很突出的电池。v为了解决由于电解液需要补充、维护困难的问题，人们开发了免维护铅酸蓄电池。v200A的概念放电能力 的标称参数 C是以电池标称容量对照电流的一种表示方法，如电池是1000mAh的容量，1C就是表示充放电流1000mA。 一般充电器的充电电流控制在1C以下。 C数：放电能力是电池性能的重要指标v为了提高铅蓄电池的使用寿命，改善其使用性能，免维护蓄电池的正极板栅架一般采用铅钙合

7、金或低锑合金制造。而负极板栅架均用铅钙合金制造。为减小极板短路和活性物质脱落，其隔板大多采用超细玻璃纤维棉制作，或将其正极板装在袋式隔板内。v为了防止氧气、氢气垂直上溢，减小水分损失和活性物质脱落，极板组多采用紧装结构。为了缩短联接条的长度，减小内阴，提高蓄电池启动性能，各单格极板组之间采用穿壁式接法，露在密封式壳体外面的只有正、负极桩。v因此从理论上讲，免维护蓄电池即使被过充电时，其电解液中的水也不会散失。相对于传统的铅酸蓄电池，免维护蓄电池具有以下性能特点： v自放电量小普通铅蓄电池的栅架上多采用铅锑合金，且锑的含量较高（一般为4%7%），在充电时，正极栅架的锑逐渐溶解到电解液中，并在负极

8、板表面上沉积，与负极板上的活性物质形成微电池，从而导致自行放电量增大。而免维护蓄电池正极栅架多为铅钙合金，其晶粒较细，耐腐蚀，所以自放电量小。什么叫自放电 电池在不使用条件下内部会自行放电称为自放电。任何电池都存在自放电，只是大小不同。国家标准规定镍镉镍氢电池每日自放电容量600次镍镉电池含有金属镉，是有毒的。该种电池报废后请妥善处置，最好交由专业回收机构处理。随意丢弃会造成环境污染。动手指南动手指南 注意：镍氢电池不宜串联、并联过多，否则内阻大，无法大电流放电，且容易过热、起火。一般不能超过10节串联、4节并联。市场上容易买到的几种镍氢充电电池的性能和价格、供货商联系方式如下：SANYOAA

9、 Size21002500mAh，标准AA电池。性能好，价格较高。单价约20元。AA电池在很多地方都能买到。国产电池AA size18002300mAh，标准AA电池。性能尚可。单价约8元。在电子市场可以买到。国产电池D size1000013000mAh，D型大容量，单价约50元。深圳比亚迪电池国产的优秀电池。价格适中，性能较好，具有全系列的电池型号。5.2.3 锂离子锂离子/锂聚合物动力电池锂聚合物动力电池v锂离子电池标称电压3.7V（3.6V），充电截止电压4.2V。锂离子放电过程是非线性的，如下图所示在4.2伏到3.6伏之间，电池的电压随着放电过程缓慢下降，基本是一个比较平缓的直线。当

10、电压到达3.5-3.6之间电池的电压会急剧的下降，短时间内就到下降到2.8V，如果电池使用到的电压低于2.8V就会对电池造成永久性的损害，所以一般认为电池放电到3.4-3.5之间就是没电了，需要停止使用，进行充电。 锂离子电池对充电有比较高的要求。刚开始要恒流充电，电池电压随着充电过程逐步升高，当电池端电压达到4.2V（4.1V），改恒流充电为恒压充电，即电压一定，电流根据电芯的饱和程度，随着充电过程的继续逐步减小，当减小到0.01C时，认为充电终止。一般充电器的充电电流控制在1C以下。v锂电池的优势v锂离子电池与镍氢电池相比，重量较镍氢轻3040%，能量比却高出60正因为如此, 锂离子电池生

11、产和销售量正逐渐超过镍氢电池锂离子电池的能量密度很高，它的容量是同重量的镍氢电池的1.52倍，充放电次数可达500次以上，而且具有很低的自放电率此外，锂离子电池几乎没有“记忆效应”以及不含有毒物质等优点也是它广泛应用的重要原因。v锂电池的问题v锂离子首先影响锂离子电池使用的是其安全性。 相对于铅酸蓄电池、镍氢电池等具备较强的抗过充、过放电能力的电池，锂离子电池的充电和放电必须严格小心。锂离子电池具有严格的放电底限电压，通常为2.5V，如果低于此电压继续放电，将严重影响电池的容量，甚至对电池造成不可恢复的损坏；另一方面，电池单元的充电截止电压必须限制在4.2V左右，如果过充，锂离子电池将会过热、

12、漏气甚至发生猛烈的爆炸。因此，通常在使用锂离子电池组的时候必须配备专门的过充电、过放电保护电路。v其次是价格。锂离子电池价格较高，并且需要配备保护电路，因此相同能量的锂离子电池的价格是免维护铅酸蓄电池的十倍以上。v为了解决这些问题，最近出现了锂聚合物电池（Li-Polymer）。其本质同样是锂离子电池，而所谓聚合物锂离子电池是在电解质、电极板等主要构造中至少有一项或一项以上使用高分子材料的电池系统。 v新一代的聚合物锂离子电池在聚合物化的程度上已经很高，所以形状上可做到很薄（最薄0.5毫米）、任意面积化和任意形状化，大大提高了电池造型设计的灵活性，从而可以配合产品需求，做成任何形状与容量的电池

13、。同时，聚合物锂离子电池的单位能量比目前的一般锂离子电池提高了50%，其容量、充放电特性、安全性、工作温度范围、循环寿命与环保性能等方面都较锂离子电池有大幅度的提高。 v各种电池特性优缺点如下表所示：内容 铅酸蓄电池 镍镉电池 镍氢电池 锂离子电池 锂聚合物电池 能量密度 30-50Wh/kg差35-40Wh/kg差 60-80Wh/kg一般90-10Wh/kg较好 130Wh/kg非常好 大电流放电能力 非常好 非常好 较好 较好 较好 可维护性 非常好 较好 好 一般 较好 放电曲线性能 好 好 一般 非常好 较好 循环寿命 400-600次 300-500次800-1000次500-60

14、0次500-600次安全性 非常好较好较好 一般 较好 价格 低 低 较低 高 高 记忆效应 轻微 严重 较轻 轻微 轻微 5.3线性稳压电源线性稳压电源v常见的线性电源主要是三端稳压器件，例如78xx/79xx 系列三端稳压器件是最常用的线性降压型 DC/DC 转换器，目前也有大量先进的 DC/DC 转换器层出不穷，例如低压差线性稳压器 LDO等, （例如，National Semiconductor 的 LM1085、LM1086、LM2940、LM2651、LM5020，MAXIAM 的 MAX1747 等等）。 v78xx/79 系列简单易用、价格低廉，直到今天还在大多电路中采用。 如

15、7805，7806，7809，7812，7815，7824，（79）。以及三端可调稳压器（LM317,337,338.） v78xx/79xx系列在降压电路中应注意以下事项： v1、输入输出压差不能太大,太大则转换效率急速降低，而且容易击穿损坏； v2、输出电流不能太大，1.5A 是其极限值。大电流的输出，散热片的尺寸要足够大，否则会导致高温保护或热击穿； v3、输入输出压差也不能太小,大小效率很差。v由于线性稳压器是利用晶体管的线性区域来降压、稳压，因此显然其输入功率并非完全能从输出端口输出，两者的相差都会转为热能耗散掉。功率耗散(Pd)可以根据以下的公式粗略估算： vPd =(VinVou

16、t) * Iout v若要更精确计算功率耗散，我们必须将Vin * Iq这个变项计算在内。功率耗散总额可以根据以下公式计算出来： vPd =(VinVout) * Iout+Vin * Iq v若按照上述两条公式，再将5伏(V)电压调低至1.5伏 (静态电流为300mA)，那么线性稳压器耗散为热能的功率不会少于： v(51.5) * 0.35 =1.225W v究竟这个功耗量应视为高还是低呢？有关这个问题我们不可过早做出判断，我们必须根据芯片封装以及电路板的类型与面积 (若采用表面贴装封装)，找出这些变项与温度上升幅度之间的函数关系，从而计算 1.225W 的功率耗散究竟会令温度上升多少。这样

17、我们才可作出一个较为全面的判断，确定 1.225W 的功率耗散是高还是低。系统设计工程师一般都喜欢采用最小巧的封装，但这类封装的热阻值非常高，因此散热能力也最差。 5.4开关电源开关电源v开关电源是利用现代电力电子技术，控制开关晶体管开通和关断的时间比率，维持稳定输出电压的一种电源，开关电源一般由脉冲宽度调制（PWM）控制IC和MOSFET构成。v开关电源和线性电源相比， 通常具有允许较高的输入输出压差、效率高（满载效率通常可达到75%以上，甚至可达到95%-97%）、体积小等优势。v但是，由于开关电源是依靠开关晶体管不断导通和关断的原理工作的，因此也带来了电源品质通常不如线性电源、瞬态响应特

18、性不如线性电源、有电磁辐射等先行电源所没有的缺点。v开关电源的分类开关电源的分类 v 开关电源可分为AC/DC和DC/DC两大类，DC/DC变换器现已实现模块化，且设计技术及生产工艺在国内外均已成熟和标准化，并已得到用户的认可，但AC/DC的模块化，因其自身的特性使得在模块化的进程中，遇到较为复杂的技术和工艺制造问题。以下分别对两类开关电源的结构和特性作以阐述。 v开关电源的选用开关电源的选用 v 开关电源在输入抗干扰性能上，由于其自身电路结构的特点（多级串联），一般的输入干扰如浪涌电压很难通过，在输出电压稳定度这一技术指标上与线性电源相比具有较大的优势，其输出电压稳定度可达(0.51）。开关

19、电源模块作为一种电力电子集成器件，在选用中应注意以下几点： v输出电流的选择输出电流的选择 v因开关电源工作效率高，一般可达到80以上，故在其输出电流的选择上，应准确测量或计算用电设备的最大吸收电流，以使被选用的开关电源具有高的性能价格比，通常输出计算公式为： vIs=KIfv式中： Is开关电源的额定输出电流； vIf用电设备的最大吸收电流； vK裕量系数，一般取1.51.8； v接地接地 v开关电源比线性电源会产生更多的干扰，对共模干扰敏感的用电设备，应采取接地和屏蔽措施，按ICE1000、EN61000、FCC等EMC限制，开关电源均采取EMC电磁兼容措施，因此开关电源一般应带有EMC电

20、磁兼容滤波器。如利德华福技术的HA系列开关电源，将其FG端子接大地或接用户机壳，方能满足上述电磁兼容的要求。 直流直流-直流开关电源直流开关电源v当今软开关技术使得DC/DC发生了质的飞跃，美国VICOR公司设计制造的多种ECI软开关DC/DC变换器，其最大输出功率有300W、600W、800W等，相应的功率密度为(6.2、10、17)W/cm3，效率为（8090）。日本NemicLambda公司最新推出的一种采用软开关技术的高频开关电源模块RM系列，其开关频率为（200300)kHz，功率密度已达到27W/cm3，采用同步整流器（MOSFET代替肖特基二极管），使整个电路效率提高到90。 下

21、图是一种典型的DC-DC模块电源。 动手指南动手指南 DC-DC种类非常繁多，无法一一列举。高可靠性、比较著名的几个品牌包括：Densi-Lamba,VICOR, Erricsion,AT&T,朝阳电源，等等。动力电源管理系统设计动力电池动力电池( (选型、实验选型、实验) ) SPC3-UUV机器鱼动力电源管理机器鱼动力电源管理系统设计主要完成：系统设计主要完成：硬件设计硬件设计软件设计软件设计动力电源管理系统动力电池v镍氢电池镍氢电池v电池为电池为48V 500W.h v形式为一个大电池形式为一个大电池v2004年北戴河海上实验航年北戴河海上实验航行行2-3小时小时vSPC3-UU

22、V最佳拍动频率（最佳拍动频率（1.5Hz）下功耗为下功耗为96W,速度速度1.12m/sv60公里需要公里需要1500W.hv电源系统是否能给机器鱼提供充足可靠的动力是长航时实验的关键电源系统是否能给机器鱼提供充足可靠的动力是长航时实验的关键动力电源管理系统动力电池v3Hz拍动频率下，对机器鱼拍动过程中驱动器加载的电流进行测拍动频率下，对机器鱼拍动过程中驱动器加载的电流进行测量。周期量。周期350ms,峰值峰值12A。动力电源管理系统动力电池主要参数镍氢电池锂离子电池锂聚合物电池工作电压1.23.63.6质量比能(W h/Kg)65105-140120-160体积比能(W h/L )200300500自放电率(%M )30-356-920放电能力3C2C10C动力电源管理系统动力电池v电池参数（长：电池参数（长：106mm, ,宽：宽：66mm, ,高：高：42mm）v电池所能释放的能量为电池所能释放的能量为（72-75）W.h,在实际使用在实际使用中以这个参数为参考。中以这个参数为参考。v安全放电压电区间安全放电压电区间（14.65V-16.4V）动力电源管理系统动力电池vSP