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锂电池的主要参数与选型

在进行机器人设计时,动力源是必不可少的。常用的供能方式有很多,如干电池、镍氢电池、锂电池、硫酸铅电池。其中,锂电池在放电性能以及能量密度方面的优势明显,被广泛使用。

锂电池有三个重要的性能参数:电压容量以及放电倍数

锂电池的电压是由串联级数决定的,单节锂电的电压是一定的,所以锂电总电压永远是单节电池电压的整数倍。锂电池在表示时,使用”串联级数+s“作为其型号,如两节串联表示为2s,三节串联则为3s。单节锂电池的额定电压为3.7v,充满时为4.2v,放空为3.5v。不同级数的锂电池电压整理如下:

电池级数 额定电压(v) 电压范围(v)
2s 7.4 7.0 – 8.4
3s 11.1 10.5 – 12.6
4s 14.8 14.0 – 16.8
5s 18.5  17.5 – 21.0
6s 22.2 21.0 – 25.2

锂电池的容量表示其存储电能的大小,容量越大,充电后运行的时间就越长。锂电池的容量以毫安时为单位,如2000mAH表示以2000mA电流放电,可以持续一个小时。

锂电池另外一个重要参数是放电倍数C,C值的大小决定了其放电电流的能力,公式为最大放电电流 = C * 容量。如一个1000mAH,20C的锂电池,最大的放电电流即为1000mA * 20 = 20A。

在选用前,需要核算机器人系统需要的电压、最短续航时间以及需要的最大供电电流,同时考虑到体积、重量以及是否需要保护板等其他因素,这样就可以选择到合适的锂电池了。

【修订历史】

v1.1   07/18/2014   修改了文章版式;将电压表制作为表格形式;修正了部分单位错误。

机器人电机驱动器YFWind

YFWind是专门用于中小型移动机器人的电机驱动模块,该模块支持双路有刷电机驱动,可提供5A持续电流,6A瞬间电流,电路留有YFSMega专用接口,也可使用其它控制器驱动。模块留有电源指示灯、正反转工作指示灯,并具有反接、过热关断、输出短路等保护。

模块的主要特性如下所示:

控制对象

5 – 12V 直流电机

负载电流

5A持续,6A峰值

通道数量

两路

控制方式

GPIO

调速方式

PWM

指示LED

电源、正转、反转

保    护

反接保护、过热关断保护、输出短路保护

接  口

单排插针*2,或10口输出(与YFSMega兼容)

机器人控制器YFSMega128

YFSMega128是我在2010年设计的一款机器人控制器,该控制器使用Atmega128作为主控芯片,具有丰富的外设资源,包括:8路数字输入/输出,8路模拟量输入,6路PWM输出,2路转速传感器输入,1个LCD显示,4个用户按键,1个蜂鸣器,1个IO并口与1个YFWind电机接口。

该控制器的参数如下所示:

Application

机器人竞赛、机器人DIY、AVR学习、毕业设计

MCU

Atmega128

FLASH

128KB

RAM

4KB

EEPROM

4KB

Digital

8路带指示灯三线制I/O,8路并口I/O

Analog

8路12位ADC(可接三线制传感器)

PWM

6路,其中2路与电机复用

LCD

Nokia5110

UART

UART0(TTL,232),UART1(TTL,232)

SPI

1路

I2C

1路

Interface

电机专用接口(与YFWind系列兼容),另含2路转速传感器接口

Power Input

电池或外接电源适配器,6V – 12.6V

Power Supply

舵机总计3A,传感器总计1A

Programming

通用AVR-ISP编程口

MicroMouse V2电机的选择

第一版本的MM(MicroMouse)使用的是带减速箱的N20电机。这种电机非常小巧,比130电机的体积还要小,空载转速大概50转/分钟,适合小型机器人。电机店和淘宝上很容易买到,价格大约在15-25元之间:

图1  N20直流电机

新版本的MM首先希望在电机上进行改进,备选的几个方案有:

1) 直流步进电机;

2) 直流无刷电机;

3) 直流空心杯电机。

步进电机的好处是易于控制,且不需要额外的转速反馈。缺点是速度较慢,且一旦打滑就会造成累积误差。2010年参加全国电脑鼠大赛时,赞助商周立功公司提供的电脑鼠就是使用步进电机的。我觉得步进电机是一个好的入门级方案,可以实现,但无法出色。

之后考虑过使用无刷电机,无刷电机没有换向接触损耗、噪音低、寿命长、稳定性好,广泛用于光盘驱动、电动车中。无刷电机的缺点就是要使用专门的驱动电路,之前和朋友做毕业设计时接触过无刷驱动器的设计,觉得还是挺麻烦的。再者就是控制难度比较大,每路需要六个Mos管、三个驱动芯片和三个PWM。虽然可以使用成品电调,可是势必会增加重量,对电脑鼠的速度性能不利。

现在我有了更好的选择:直流空心杯电机。空心杯电机使用无铁芯转子,具有很小的转动惯量,这一点对于需要快速起停、运动灵活的电脑鼠来说非常适合。参照以往电脑鼠国际大赛的设计,一般使用Faulhaber1717 (冯哈伯1717)电机。1717后缀表示直径17mm,机身长度17mm。以下是冯哈伯电机的介绍:

“FAULHABER直流电机采用斜绕方式的空心杯转子,没有齿糟效应以及非常轻的重量。这使得转子转动惯量极小。因而FAULHABER电机动态性能上卓越超群。对小动率产品,FAULHABER电机采用精密合金换向器,因其接触电阻低而使性能优良。”(引自互联网)

在机器人设计中经常可见Faulhaber电机,之前使用博创的机器人平台好像也是使用的Faulhaber电机。尤其是其德国的血统,让人对之的性能充满信心。

      图2  Faulhaber电机 

可惜的是,我在网上并没有找到本地销售Faulhaber1717这款电机的,只找到一家国外的网站,报价大约是500元一个,那是相当贵啊。不过我倒是找到有售Faulhaber2224电机的,价格也很便宜只有几十块钱。虽然体积大了一点(r=22mm l=24mm),但是我想对于我这种业余爱好者来说应该不是很大的问题。