Преобразователь и фильтрация питания бортового компьютера робота
Постановка задачи.
Иногда при создании мехатронных систем появляется нужда использовать большие вычислительные мощности, нарпимер для . В последнее время в моду вошли компактные решиня на базе nano-ATX или micro-ATX. Существует множество плат, с различными параметрами и характеристиками - одна из которых напряжение питания и мощность.
Здесь иногда возникают проблемы - некоторым платам требуется 12 вольт +- 5%, что можно найти не в каждой системе(в мобильных мехатронных системах вопрос "откуда взять нужное напряжение" очень актуален). Типичная мобильная мехатронная система как правило обладает собственным напряжением в 12в, но частенько это напряжение берется напрямую с батарейки(части батарейки) и может гулять в пределах от 14 до 9, причем это считается нормально. Многие мехатронные системы, на которых ставят материнские платы типа micro-atx обладают более высоким напряжением питания на борту, как раз для такой системы здесь и предложен вариант решания проблемы питания платы. Рассмотрим худший вариант: пускай мы имеем что-нибуль на подобии SI852A от http://www.lex.com.tw (клевая цацка - оперативки до гигобайта и больше, пентиум мобаил (!!) 1.6ГГц, встроенный грабер на 4 канала реального времени, грузится с флешки и т.п. -всем хороша, но привереда по питанию ) | |||||||||||||||||||||
![]() ![]() |
|||||||||||||||||||||
Потребление такой красавицы где-то 10-30-60 ват. (обычный режим, понавтыкали всего в юсб и т.п, то же и еще грузимся(самый пик)) т.е. где-то 1.5, 2-3, 4.5А (номинальным будем считать 2А, хотя у меня конкретно эта ест около 1.2) Самое веселое, что когда устанавливал такое чудо на своего роботенка не удалось добиться от милых производителей, насколько критичны вот эти самые +-5% по напряжению питания.. производители дали блок питания от 220 вольт в комплекте, сказали что если я буду юзать не его то потеряю гарантию и усе..(диллеры ихние тупят немного - плата с тайвани ехала 3 месяца - боюсь подумать сколько займет туда и обратно :-) - за это время у нормального человека нужда в гарании отпадет,по этому смело выкладываю эту статью и рассказ "что я делал с их платой" в инет :-)) 220 вольт на нашем мобильном роботе ественно не было, хотя некоторые преобразуют напряжение через 220 (например купленный 24-220, затем обычный AT 220-12) громоздко, не эффективно и как-то не красиво.. Возвращаясь к любимой плате - некоторые эксперименты показали, что 12 в минус сторону ей критично - особенно при пуске.. 12 в плюс проверять не стал - т.к. она дорогая, да реально это и не нужно. |
|||||||||||||||||||||
Делаем преобразователь напряжения
Итак - мы хотим сделать понижающий DC-DC преобразователь напряжения, с 60..19 вольт (почему 19 будет понятно позже) на 12..3.3 (все это задается) | |||||||||||||||||||||
![]() |
|||||||||||||||||||||
В большинстве систем можно обойтись какой-либо одной из этих частей: либо ключевой-импульсной, либо тепловой-линейной. В моей системе применение обоих типов обосновано тем, что по слухам, у ключевого стабилизатора существует некая вероятность не закрытия ключа в какой-то момент времени, после чего на выход будет подано входное напряжение.. Может все это и ерунда, но т.к. платка моя дорогая, а главное ее надо заказывать с тайвани и едет она оттуда очень долго, то решил не рисковать. К тому же качество стабилизации у такой системы будет выше.Описание схемы DC-DC преобразователя напряженияВ принципе схема создана только на основе фирменных мануалов по обоим микросхемам. Ничего нового я здесь не придумал. Формулы для расчета задающих напряжения резисторов указаны там же.И все же несколько слов про работу: В первой части в LM2576 c большой частотой открывается ключик, заряжающий через индуктивность, емкость С2. Напряжение заряда регулируется по обратной связи. В моем случае напряжение на C2 составляет 15 вольт - что б в последствии линейный стабилизатор мог сделать из них 12. Далее линейный стабилизатор - рассеивает в тепло все лишнее(количество рассеиваемого зависит от ампер нагрузки), в итоге на выходе получаем требуемое напряжение. Характеристики DC-DC преобразователя напряжения(было выпушено два варианта - так что характеристики выверены дважды)
(*) по измерениям, рассчетный такой же Далее пойдет небольшое описание функций, введенных непосредственно для нашей системы, они никаким образом не относятся к преобразователю, но выполненны на той же плате, для последующего удобства экусплуанации. Коммутация с сетевым питаниемМобильный робот для которого предназначен описанный преобразователь - работает довольно непродолжниетельное время, затем становится на зарядку и дальнейшее накручивание софта. В процессе зарядки батареи снимаются, входное напряжение в 24 вольта пропадает, но очень хотелось, что бы система не перезагружалась при этом, а работала дальше без остановок. Проблему комутаций двух питаний решили установкой диодов на выход обоих питаний (источника, делающего 12в из розетки, и описанного DC-DC преобразователя. ![]() Диоды следует выбирать "с малым падением напряжения". Здесь использовались два диода в корпусе ТО220 с общим катодом(можно купить или найти в нерабочем блоге питания ATX). Называется sbl2040ct. Фильтрация питанияОпределение помех усилителейВ моей системе использовались усилители мощьности, работающие на популярной - мостовой схеме. В некоторых режимах усилители могли создавать помехи по питанию амплитудой с само питание - и частотой, зависящей от дискретизации ШИМов. В моев случае - длина помехи была где-то 250 нс. Коректно их наличие можно определить только быстрым компаратором и тригером-ловушкой. С оциллографом тоже можно попробывать, но если их там не будет видно, то это еще не означает, что их нет.К тому же компаратор и тригер дешевы, и паять не много. Приблизительно такую схему я и набросал для определения наличия помех, их амплитуды и, в последствии, проверки созданного фильтра(т.е добавил еще и переменный делитель на вход компаратора, что бы засекать амплитуду). Помехи действительно были, как и в "минус", так и в "плюс". Последнее тоже важно, т.к они будут сбивать с толку ключевой преобразователь, работающий на более низкой частоте. Фильтрация помех по питаниюВ качестве фильтра решено было попробывать использовать RC фильтр, состоящий из двух конденсаторов(электролита и керамики), соединненных паралельно, и резистора около 0.6 Ом.При подключении такого простенького устройства - амплитуда помех в "плюс" стремится к нулю (менее полувольты), а в минус уже подбирается к паденю напряжения, из-за нагрузки двигателей. Иными словами помехи мостовых усилитетей отлично отфильтровываются простейшим RC фильтром. Обратная связь по выходу питания и ограничение его потребленияВходное напряжение (27-19 вольт) подавалось в моем случае с тех же сдвоенных батареек от UPSа, которые питали движки мобильного робота - пик потребления такго движка в районе 5 ампер - в случае, если попадется разряженная или просто деффективная батарейка, то напряжение на ней может здорово просесть (с 12 до 5, а то и 3х вольт), а общее, которое должно быть не менее 19, падает до 15 а то и ниже. Данный преобразователь не умеет повышать напряжение, так что эта ситуация может привести к перезагрузке платы.![]() Примерно так, как на графике выше, выглядит процесс просаживания питания на входе преобразователя напряжения(резкий старт или реверс обоих двигателей). Шкала по Х = время, каждые 10 единиц - около милисекунды. Ось У - напряжение - верх около 26 вольт, низ пропорционально. Итак, на картинке видно, что с момента получения управления двигателями, и начала зажирания тока , проходит совсем мало времени - весь процесс просадки помещается в 5 милисекунд. Вообщем то сомнительно, что за это время можно успеть что-то засечь и что-то предпринять, потом постоянная времени двигателя может не позволить остановить процесс падения, если попросту дать отменить управление: немно он еще затянет. Попытаемся растянуть во времени процесс падения напряжения - что бы наверняка можно было отследить его, и предотвратить (на будущее или текущий - это уже завистит от алгоритма) Задачка решается довольно просто - путем наращивания емкости электролита в RC фильтре. Изначально было около 100uF, что было достаточно для фильтрации коротких помех, теперь же увеличим до 15000uF. После включения такого большого конденсатора, картина меняется к лучшему - процесс более длителен - спад не такой резкий. Нижняя полка тоже немного поднялась: ![]() Итак, на новой картинке видно, что процесс падения теперь занял около 30мс - что уже неплохо. Если ввести обратную связь в АЦП через делитель, и смотреть управляющим контроллером - что происходит с питанием, то можно запросто предотвратить опасные падения. Звуковая индикация просадки питанияКонденсатор в 15000 uF имеет довольно большие габариты, и не влез в уже готовый DC-DC преобразователь, посему решено было ему подкупить отдельный корпус.Точно под размер корпусов не было, так что коробочка получилась на два пальца длиннее, чем конденсатор в ней. Это навело на мысли, а не впаять ли туда еще что-нить :-) Итак, помимо резистора, здорового и малого конденсаторов, модуль RC фильта решено было укомплектовать звуковой индикацией просаки питания( что бы потом было легче отлаживать алгоритм, ограничения управления). ![]() Здесь звук генерирует МК, он же через делитель ловит АЦП состояние питания. Сам же питается от стабилизированных +5. Динамик - пищалка из матери старой - где-то 44 Ом. Прошивка контроллера проста до неприличия, выглядит примерно так: прошивка МК(АЦП, пищалка). ![]() Схема и рисунок платы преобразователя.
|
|||||||||||||||||||||
|
|||||||||||||||||||||
Советы и дополнения1. Данная схемка рассчитана под один из корпусов, продаваемых в чипидипе, с незначительными дополнениями (дырками под крепеж) она ложится в него идеально. 2. Все микросхемы надо повесить на радиатор - на самом деле это актуально только для LM350, но тем не менее.. Радиатор можно использовать общий, по типу применяемых в блоках питания ATX. 3. Если собираешься использовать корпус от чипидипа и радиатор, то микросхемы надо впаявать, с небольшим паралельным сдвигом к краю платы(достигается за счет ног), чтоб не пилить весь корпус из-за радиатора.(размеры радиатора чуть больше корпуса) 4. дорожки лучше облудить, или делать их шире на стадии печати.(я лудил) 5. интуетивно понятно, что этой же схемкой можно сделать и 5вольт и 3.3. - надо только пересчитать резисторы.(можно делать и "минус" - см мануал по 2576) 6. данная схема не запускается при подключенной ПОЛНОЙ нагрузке в момент подачи питания - если это надо то прийдется ее модифицировать(указано в мануале) 7. Существуют аналогичные компоненты для 5ти амперного варианта. 8. На схеме индуктивность 200мкГн обозначена как одна, физически же проще использовать две купленные 100мкГн, соединенные последовательно (200мкГн, расчитанные на 3а не продаются, а мотать самим было лень). Если все-таки мотать - то по расчетам нужно 150мкГн. Надеюсь что данная схемка поможет тебе сделать нужный преобразователь и решить стоит ли вообще питать материнскую плату от тех же батареек, что и двигатели. Будут вопросы пиши - mega16@mail.ru Письменный Николай, 2006 г. Другие мои схемки и решения: Ультразвуковой дальномер Система технического зрения мобильного робота |