Podczas budowy pierwszej konstrukcji wiele osób nie zastanawia się lub nie wie w jaki sposób dobrać akumulator do budowanego przez siebie robota. Kończy się to dobraniem zbyt małego akumulatora „na oko”, lub rzadziej, zbyt dużego co także nie jest optymalne. W tym artykule chciałbym przybliżyć proces doboru akumulatorów dla osób, które jeszcze mają przed sobą ten etap pracy nad robotem mobilnym. Opiszę ogólne czynności pomagające zdefiniować podstawowe parametry akumulatora do naszych aplikacji.
Rozdzielenie zasilania napędu i części logicznej robota
W niektórych konstrukcjach dobrym pomysłem jest rozdzielenie zasilania robota mobilnego na dwa źródła. Szczególnie przydatne może to być w przypadku większych i cięższych konstrukcji. Cięższa konstrukcja wymaga zastosowania silników o większej mocy, a co za tym idzie o większym poborze prądu. W momencie ruszania silnika wysokiej mocy pod dużym obciążeniem silnik pobiera przez krótką chwilę bardzo duży prąd, często przewyższający kilkukrotnie jego znamionowy ciągły prąd pracy. Podczas projektowania konstrukcji należy uwzględnić również to zjawisko przy doborze sterownika silnika, ale to temat na inny artykuł. W efekcie akumulator musi w krótkim czasie pokryć zapotrzebowanie na tą energię. Następuje chwilowy spadek napięcia na ogniwie zasilającym, co wprowadza niemały szum na liniach zasilających. Czułe układy części logicznej (sterowania) robota, takie jak mikrokontrolery czy nawet komputery jednopłytkowe, mogą się restartować, lub nawet ulec uszkodzeniu. Proponowane rozwiązanie tego problemu wymaga zastosowania dwóch niezależnych akumulatorów. Oczywiście zwiększa to wagę całej konstrukcji oraz zapotrzebowanie na miejsce, jednak daje również szereg zalet. Zdecydowanie największą z nich jest możliwość kontrolowania parametrów pracy układów (elementy telemetrii i autodiagnostyki robota). Nawet jeżeli akumulator „napędowy” się rozładuje i robot nie pojedzie, elektronika sterująca będzie nadal zasilana i może przesłać do operatora informacje o pozycji robota i zaistniałej sytuacji. Inne zalety to możliwość odłączenia zasilania układu napędowego podczas testowania układu sterowania. Odrębne zasilanie układów sterujących pozostaje niezmienne co ma wpływ na układy oparte o pomiar napięcia referencyjnego. Kolejną zaletą jest lepsza eksploatacja akumulatorów. Można zastosować inny typ akumulatora do zasilania układu sterowania, nie muszący pokrywać wcześniej wspomnianych pików prądowych. W efekcie taki akumulator jest mniejszy. Przykładowo można zastosować nie wielki akumulator Li-Pol o mniejszej wydajności prądowej. Natomiast do zasilania silników można użyć większego akumulatora Li-Pol, LiFePo4 lub żelowego.
Małe konstrukcje nie wymagają takiego rozdzielenia ze względu na brak miejsca i małe zapotrzebowanie prądowe.
Dobór zasilania do układu napędowego
Jeżeli jednak nasz robot jest dość dużą konstrukcją i zdecydowaliśmy się rozdzielić układy zasilania, powinniśmy zastanowić się jakie akumulatory dobrać. Jakie parametry powinny one spełniać, ile ich powinno być, jak długo będą w stanie napędzać robota. Proponuję przeprowadzić przykładowy proces doboru akumulatora do kołowego robota mobilnego na przykładzie. Taki proces będzie wyglądał bardzo podobnie dla większości konstrukcji kołowych.
Załóżmy, że nasz robot to 4-kołowa konstrukcja, napędzana czterema silnikami Pololu 25Dx48L. Są to silniki prądu stałego o nominalnym napięciu pracy 6V oraz maksymalnym pobieranym prądzie (przy zablokowaniu) 2,4 A.
Rozważmy przypadek gdzie robot jest obciążony i aby ruszyć go z miejsca według danych katalogowych potrzeba 9,6 A! Po ruszeniu z miejsca ta wartość oczywiście się zmniejszy o ile robot nie jest na tyle obciążony, żeby nie ruszyć z miejsca. W takim wypadku musimy zastosować akumulator o napięciu zbliżonym do 6 V i o wydajności prądowej co najmniej 10 A. Jako że nigdy nie należy dobierać akumulatora „na styk”, powinno się tę wartość przemnożyć razy dwa lub nawet razy trzy.
Kolejnym przedmiotem rozważań jest to ile czasu robot powinien pracować z takim napędem. Powinno się ustalić ile prądu pobierają silniki podczas normalnej pracy. Można to zrobić poprzez zasilanie robota z wpiętym do obwodu multimetrem ustawionym na pomiar prądu. Przy tym należałoby go zasilić napięciem odpowiednim dla silników napędowych. Kolejnym sposobem jest zasilenie robota z zasilacza laboratoryjnego. Zasilacz pokaże aktualny pobór prądu i na tej podstawie można obliczyć pojemność akumulatora. Ostatnim sposobem, typowo inżynierskim, jest obliczenie momentu potrzebnego do ruszenia i utrzymania w ruchu robota, a następnie odczytanie wartości pobieranego prądu z charakterystyki pracy pojedynczego silnika z jego dokumentacji. Problem w tym, że nie każdy producent silnika podaje charakterystyki pracy, szczególnie dla małych silników. Ta metoda wymaga również obliczenia momentu potrzebnego do poruszania naszej konstrukcji. Z tego względu najlepszą i najszybszą metodą jest zasilenie robota ze źródła stacjonarnego z większym zapasem prądu i wykonanie pomiarów poboru prądu.
Załóżmy że podczas jazdy każdy z silników pobiera prąd o wartości 1 A. Musimy tę wartość przemnożyć razy ilość silników. W naszym przypadku są to 4 A. Parametr jaki będzie nas interesował w tym momencie to pojemność akumulatora. Dla naszego napędu potrzebujemy pojemności ok. 4 Ah aby nasz robot mógł poruszać się nieprzerwanie przez godzinę. Jeżeli chcemy aby nasz robot działał dłużej musimy odpowiednio tą wartość zwiększyć. 8 Ah to minimum do pracy przez 2 godziny itd. Tą wartość należy też obrać w akumulatorze z pewnym zapasem na poziomie 10-20%.
