[Dla początkujących] Metody pomiaru stanu baterii w robocie mobilnym

[Zuk]

Niezmiernie istotną sprawą w konstrukcji robota jest właściwy dobór czujników. Czujniki (lub też sensory) informują robota – a właściwie jego układ sterowania – o stanie otoczenia, jak i samego robota. Pierwsza grupa czujników nazywana jest eksteroceptorami. Nie istnieje chyba amatorska konstrukcja robota nie wyposażonego w żaden tego typu czujnik.

UWAGA, to tylko wstęp! Dalsza część artykułu dostępna jest na blogu.

Przeczytaj całość »

Poniżej znajdują się komentarze powiązane z tym wpisem.

[Zuk]

Poprawiłem błędy na rysunkach 2 i 3 (źle spolaryzowane napięcie zasilania)

Dzięki spostrzegawczości kolegi -szogun

[kamilsien]

W jakim programie została przeprowadzona symulacja ?

I czy wzmacniacz operacyjny jest w standardowych bibliotekach tego programu?

[Zuk]

Witam.

Fajnie, że jeszcze ktoś czyta stare artykuły...

Układ jest symulowany w NI Multisim i jest w standardowej bibliotece.

Program ma zarówno modele typowych układów jak i modele teoretyczne.

Pozdrawiam

Zuk

[Polecacz 101]

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

[Zuk]

Kolega SzySzak znalazł błąd.

Zamienione rezystory R1 i R2 w obliczeniach poniżej rysunku 2.

Właściwe wartości rezystorów powinny być następujące:

R1 = 3k3, R2 = 4k7.

Niestety, post jest już nieedytowalny więc ta wiadomość stanowi erratę.

Dzięki

Pozdrawiam

Zuk

[Bobby]

Edytowałem 🙂

[eneuro]

3. Pomiar napięcia bez przetwornika ADC

- z wykorzystaniem komparatora

....

Układ porównuje napięcie na diodzie Zenera D2, z napięciem z DN R2, R3.

Zamiast diody Zenera lepszy będzie np. TL431I (podobny LM431I) stabilny temperaturowo w szerokim zakresie (ten z końcówką I - industrial również w ujemnych).

Podobnie zamiast AVRef=Vcc przy bardziej dokładnych pomiarach w szerokim zakresie temperatury pracy lepiej takie źródło referencyjnego napięcia podpiąć, niż polegać na napięciu zasilania uC.

[marek1707]

A Ty myślisz, że napięcie wyjściowe stabilizatora to z czego się bierze? Tam w środku też jest źródło napięcia odniesienia i wcale nie musi być gorsze od kultowego 431. Żeby nie gadać po próżnicy porównajmy:

TL431: 50ppm

LM7805: ok 180ppm

LM1117: poniżej 20ppm (!)

Te dwa ostatnie wyniki nie są wprost liczbami wziętymi z danych katalogowych ale wynikają w wykresów tam prezentowanych. Nieźle? A to są przecież naprawdę stare układy.

Oczywiście stabilizator zasilający cały system ma dużo gorsze warunki pracy. Trzeba wliczyć load regulation (zależnośc napięcia wyjściowego od obciążenia), line regulation (zależność napięcia wyjściowego od wejściowego) ale przecież w konkretnym przypadku (jeśli tylko nie zasilamy z 5V silników napędowych robota) mamy zwykle w miarę stałe obciążenie (procesor + LEDy oświetlajace robią pewnie z 80-90% prądu) i stałe napięcie wejściowe (np. 7-8V z aku).

Reszta jest kwestią dobrego projektu, zarówno schematu jak i PCB. Moim zdaniem bezwarunkowe użycie słowa "lepsze" jest nadużyciem. A nie wspomniałeś przecież o możliwości użycia wewnętrznej referencji procesora. Tam też jest band-gap, więc dołączanie czegoś na zewnątrz moim zdaniem tłumaczy się tylko wtedy, gdy potrzebujemy czegoś naprawdę ale to naprawdę stałego (to nie jest przypadek robota) i o konkretnym, wyższym napięciu niż wewnętrzne Vref, np. 4.096V w celu poprawy dynamiki przetwarzania.

[eneuro]

Na pewno stosowanie diody Zenera jako napięcia odniesienia jest kiepskim pomysłem, jak jest pod ręką ten "nieśmiertelny" TL431I, chyba że na zasadzie, żeby pokazać że się tak da, ale wypadało wspomnieć że jest coś takiego jak Vref, które dwoma opornikami można ustawić na potrzebne napięcie i są często stosowane do sygnalizacji poziomu naładowania bateri.

Jak widać w tym prototypie wystarczył jeden TL431I z kilkoma opornikami, do sygnalizacji przeładowania baterii podczas odzysku przy hamowaniu kilkuset watowym 3 fazowym silnikiem BLDC w trybie brake.

Testowo załącza zwykłą diodę, docelowo diodę w optoizolatorze.

Obyło się bez żadnych komparatorów w tym układzie, a załączenie diody i tak jest bardzo ostre.

A Ty myślisz, że napięcie wyjściowe stabilizatora to z czego się bierze?

Może być zakłócane np. przez PWMy I/O - ciekawe dlaczego przy dokładniejszych pomiarach praktycznie usypia się czasami uC?

Tam też jest band-gap, więc dołączanie czegoś na zewnątrz moim zdaniem tłumaczy się tylko wtedy, gdy potrzebujemy czegoś naprawdę ale to naprawdę stałego

Band gap'y są różne, jak wiadomo że ten w uC jest kiepski i mało stabilny temperaturowo,

to podepnę zewnętrzny jak potrzebuję kompensację temperaturową robić podczas ładowania akumulatora.

Wszystko zależy od tego jakie dokładności chce się uzyskać i jak stabile to ma być w różnych zakresach temperatur.

[marek1707]

"Wszystko zależy od tego jakie dokładności chce się uzyskać i jak stabilne to ma być w różnych zakresach temperatur."

Święte słowa 🙂 W sumie dopóki nie piszemy o konkretach, to mamy pleple o wyższości Świąt B.N. nad W.

Ja znalazłem u Ciebie kilka konkretów i do nich się odniosę.

Brawo, że zrobiłeś układ do detekcji napięcia zapalający diodkę ale nawet jeżeli - jak piszesz nie użyłeś wprost dedykowanego komparatora to przecież 431 jest w takim układzie wzmacniaczem o bardzo dużym wzmocnieniu porównującym napięcie wejściowe z własnym napięciem o odniesienia. Gdy zapodawane napięcie jest większe niż 2.5V katoda jest - o ile pamiętam, przywierana wewnętrznym tranzystorem do anody a cóż to jest, jeśli nie komparator?

W procesorach stosuje się takie źródła odniesienia jakich wymagają bloki, które je wykorzystują. Jeśli całkowita dokładność ADC w AVR nie przekracza 3 LSB to po co pakować tam superwyczynowe 2ppm-owe Vref skoro nie będzie wykorzystane? Dołączenie czegoś dobrego i drogiego na zewnątrz niewiele poprawi.

431 jest wygodne z tą swoją regulacją, ale niestety jest tylko tak dobre jak oporniki dołączone z zewnątrz. Jeżeli wstawisz tam zwykłe 100 czy 200ppm wzięte z półki to tyle ppm dostaniesz na Vref. Najlepsze wyniki uzyskasz gdy użyjesz dwóch takich samych z tej samej partii produkcyjnej, ale wtedy to 5V bez żadnego wyboru chyba, że zaczniesz kombinować coś szeregowo-równolegle.

Po co wypasiona referencja do pomiaru temperatury i napięcia akumulatora w celu kompensacji poziomu ładowania, gdy napięcia podawane przez producentów baterii są w widełkach nawet kilkuset mV dla danej temperatury? Robiłem takie systemy ładowania w wielu urządzeniach i kompensacja jest ważna, to jasne, ale bez przesady. Z procesorem robi się to fajne bo poprawki napięcia są nieliniowe, szczególnie w minusach ale to akurat nie jest aplikacja wymagająca jakichś wielkich dokładności. Chyba przesadzasz.

"Może być zakłócane np. przez PWMy I/O"

Tak i dlatego trzeba mieć trochę zdrowego rozsądku i rozumieć co się robi. Jeżeli źródła zakłóceń istnieją i dostrzegamy je już w trakcie robienia projektu to z ich skutkami walczymy też już wtedy, to jasne. W jednym układzie skorzystamy wprost z Vcc, w innym z je odfiltrujemy, w jeszcze innym włączymy wewnętrzne Vref procesora a gdy będziemy dmuchać na zimne to dołączymy dobre zewnętrzne źródło odniesienia. Żaden z tych przypadków nie jest "lepszy" ani "gorszy" tak jak czerwone Lambo nie jest lepsze od białego dostawczaka, bo raz jedziemy autostradą a innym razem wozimy ziemniaki, prawda?

[dexter]

A co sie stanie gdy mikrokontroler zmierzy zbyt niskie napiecie akumulatora i odłączy swoje zasilanie? Pytanie dotyczy tego schematu

Czy wtedy sam mikrokontroler nie będzie zasilany przez pin pomiarowy ADC? Odłączanie zasilania przekaźnikiem przed stabilizatorem 7805.

[marek1707]

A co rozumiesz pod pojęciem "odłączy swoje zasilanie"? Czy odłączenie definitywne poprzez np. wyłączalny stabilizator, tranzystor szeregowy lub nawet ten nieszczęsny przekaźnik (mamy XXI wiek), czy raczej przejście w stan power-down? Mówiliśmy tu raczej o ostrzeganiu (LED, bipczak?) przed kompletnym rozładowaniem akumulatora (i tym samym jego zniszczeniem) w robocie-zabawce a nie o systemie w którym z powodu długiej i nienadzorowanej pracy może dojść do rozładowania źródła i zamiast sygnalizacji trzeba obciążenie całkowicie odłączyć. Napisz coś więcej.

W przypadku całkowitego odcinania zasilania masz kilka możliwości:

1. Mierzyć po tranzystorze odcinającym - jeżeli go użyjesz.

2. Pogodzić się z myślą o pewnym, niezerowym poborze prądu przez dzielnik (np. kilkadziesiąt uA) co nie popsuje procesora i też go nie zasili.

3. W przypadku stabilizatora wyłączalnego zrobić dodatkowe odcinanie również dzielnika.

W układach gdzie procesor sam sobie odcina zasilanie istnieje dodatkowy problem: włączanie. Trzeba to dobrze przemyśleć, choć oczywiście nie jest to jakiś wielki kłopot układowy.

[dexter]

Akurat projektuje układ zasilany z aku, przy rozładowaniu będzie się odłączał za pomocą przekaźnika szeregowo wpiętego przed stabilizatorem. Musze tak zrobić bo istnieje ryzyko długiego braku ładowania a dalsze rozładowywanie załatwiło by aku.

Dzięki za rady, zrobie pomiar za przekaźnikiem. Ponowne włączenie nastąpi dopiero przy ładowaniu.

[marek1707]

Musisz dobrze to przemyśleć, bo jeśli chcesz zrobić automatyczne odłączanie przy zbyt małym napięciu a załączanie przy ładowaniu, to musisz pamiętać, że napięcie akumulatora poważnie wzrasta po odłączeniu obciążenia. Dobranie progów wy- i załączania oraz szerokość niezbędnej histerezy (konieczna!) może być bardzo trudne gdy układ ma pracować w różnych temperaturach. Źle zrobiony ten fragment układu może powodować "czkawkę" gdy będzie odłączał a za chwilę włączał z powrotem bo aku "urośnie" np. o ponad 1V.

Najlepiej zbadaj zachowanie konkretnego, wybranego typu akumulatora. Jego napięcie pod obciążeniem będzie zmieniało się zarówno od wielkości prądu, stopnia naładowania jak i od temperatury.

Jaki to akumulator i co będzie obciążeniem? Czy po podłączeniu ładowarki system będzie od razu ruszał czerpiąc dodatkowy prąd? Czy ładowarka ma szansę go znać? Czy procesor będzie wiedział, że trwa proces ładowania? Czy to on będzie go nadzorował, czy algorytm (jaki?) będzie wbudowany w zewnętrzną ładowarkę? Jak to sobie wymyśliłeś?

[MirekCz]

1. Marek mądrze mówi, ale jak to jest układ akumulatorowy o bardzo małym poborze prądu to skoki będą niewielkie i 100mV histerezy wystarczy do rozsądnej pracy.

2. Jak dasz dzielnik z dużymi rezystorami (rzędu M om) i zrobisz odłączenie układu na stabilizatorze (większość ma wejście on/off, są stabilizatory o bardzo małym prądzie uśpienia) to uda się Tobie ograniczyć pobór prądu na wyłączonym stabilizatorze do pojedyńczych uA. W takim wypadku mając 1% pojemności nawet niewielkiego akumulatora mówimy o tygodniach w stanie wyłączonym bez pełnego rozładowania akumulatora.

3. Inny sposób to oddzielny wzm.op. o bardzo małym poborze prądu sterujący tranzystorem, ale tutaj musisz dokładać dodatkowe układy co oznacza koszty i miejsce na płytce.