用于ROS移動機器人高集成電源解決方案(一)

這篇文章一起來看看ROS移動機器人供電系統(tǒng)。 目前某寶常見的ROS學(xué)習(xí)套件，大都采用12V有刷直流電機，供電電壓常采用3節(jié)鋰電池串聯(lián)后得到12.6V電壓。 經(jīng)過電壓轉(zhuǎn)換后給電機，控制器，樹莓派，雷達等傳感器供電。 電源的穩(wěn)定性對一個系統(tǒng)而言是至關(guān)重要的。 所以接下來的兩篇文章會給大家介紹用于ROS移動機器人高集成電源解決方案。

這篇文章，主要進行系統(tǒng)電源整體分析，以及對于很多人來說都比較頭疼的鋰電池選型問題。

電壓類型

一個硬件系統(tǒng)中往往會存在著多種電壓。 在ROS移動機器人中有12.6V電壓，5V電壓，3.3V電壓。 對于這種多電壓類型并且存在高電壓差的系統(tǒng)，在硬件設(shè)計中往往采用逐級降壓的方式。 在高壓差時為提高能量轉(zhuǎn)換效率多采用開關(guān)電源，如常用的非隔離式BUCK拓撲結(jié)構(gòu)，隔離式反激拓撲結(jié)構(gòu)。 在低壓差時，為得到低紋波純凈的電源，多采用線性降壓方式。

關(guān)于BUCK，線性電源的原理在第一個項目已經(jīng)進行了介紹，可從我的歷史文章中查看。

鋰電池選型

鋰電池的選型要考慮多種因素，如電池體積，容量，放電倍率，循環(huán)充放電次數(shù)，價格。 選型結(jié)果應(yīng)該是權(quán)衡了以上多種因素后得到的。

鋰電池放電倍率是一個重要的參數(shù)：它用來表示電池充放電電流大小的比率，即倍率。 如1200mAh的電池，1C表示1200mA（1200mAh的1倍率），10C表示12000mA(1200mAH的10倍率)。

鋰電池放電倍率越大表明鋰電池能夠以越大的電流進行放電，選擇合適的放電倍率對于ROS移動機器人是很重要的。 鋰電池放電倍率不夠時當電機啟動瞬間或者電機轉(zhuǎn)向時，在PID算法的控制下，想要達到系統(tǒng)瞬態(tài)響應(yīng)的需求，需要鋰電池提供很大的電流（電流值跟電機負載，PID參數(shù)都有關(guān)系），如果鋰電池不能提供這么大的電流，鋰電池電壓會被迅速拉低，控制部分電壓出現(xiàn)抖動，單片機復(fù)位重啟都有可能。

系統(tǒng)最大電流推算

系統(tǒng)中耗電大戶分別為：兩個直流電機，樹莓派，雷達，控制器。

樹莓派的供電電源需滿足2A的電流供給能力，雷達和控制器使用5V/2A便可以滿足需求。由于電機屬于感性負載，在電機啟動瞬間，電機電流可達到額定電流的4-7倍。在設(shè)計中，假設(shè)電機啟動瞬間，電流為額定電流的7倍。

例如，一個額定電流為360ma的有刷直流電機，啟動瞬間電流可以達到2520ma,留出20%的設(shè)計余量，此時在啟動瞬間，一個電機最大需要消耗3024ma的電流，兩個電機則需要電池提供6A以上的電流。結(jié)合樹莓派，雷達，控制器的耗電量，可知電池最大需要提供10A以上的電流。

根據(jù)電池放電倍率可知，當使用一個容量為2600mAh的三串鋰電池時，鋰電池的放電倍率應(yīng)該大于3.8C才能夠滿足系統(tǒng)的供電需求。

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