Projekty robotów: Projekt układów elektronicznych wchodzących w skład robota TWIN-CATT / cz.3z7

Łukasz Przystalski
www.przystalski.pl

Artykuł jest trzecim z serii siedmiu opracowań dotyczących projektu robota, które ukażą się w portalu Robotyka.com – jako wynik współpracy z Łukaszem Przystalskim, autorem projektu robota TWIN-CATT.

I

Poniższy artykuł opisuje etap projektowy układów elektronicznych, wchodzących w skład robota mobilnego TWIN-CATT. Projekt oparto o oprogramowanie Altium Designer 2009. Całość elektroniki sterującej robota stanowi 8 osobnych projektów, które w tym artykule zostały pogrupowane i opisane.

Spis treści

1. Wstęp
2. Altium Designer 2009
3. Założenia zasilania robota
4. Projekt płyty przekaźnikowej oraz ładowarki stacjonarnej
5. Moduły zasilania urządzeniami pokładowymi robota
5.1 Moduł zasilania – podzespoły robota
5.2 Moduł zasilania urządzeń WiFi
6. Płyta sterująca oraz moduł bluetooth
7. Projekt mostka H z wykorzystaniem układu sterownika HIP4082
8. Podsumowanie

1. Wstęp

Projekt układów elektronicznych wymaga największego zaangażowania od strony projektanta. Musi on widzieć wygląd całości projektu, podzielić go na małe części i w logicznej kolejności je realizować. W tym miejscu należy wrócić do założeń projektowych. Jak pisano w artykule drugim robot ma być sterowany bezprzewodowo, bez jakichkolwiek połączeń kablowych. Oprócz samej technologii bezprzewodowej należy także zadbać aby zasilanie robota było autonomiczne. W technice układów zasilania oznacza to, że urządzenie posiada na swoim pokładzie zasobniki energii, pozwalające mu na zmianę pozycji bez ograniczeń fizycznych. Jedynym ograniczeniem jest moc oraz pojemność zasobników.

W projekcie należy zwrócić uwagę na rodzaj sterowania układem napędowym. Istnieją różnego rodzaju napędy – sterowane na zasadzie włącz/wyłącz (proste zabawki z silnikami elektrycznymi), przez podawanie sygnałów wzorcowych i ich porównywanie (serwomechanizm) oraz wiele innych. W przypadku robota TWIN-CATT zdecydowano się na zastosowanie silnika prądu stałego. Sterowanie silnikiem na zasadzie włącz/wyłącz powoduje, że silnik natychmiastowo otrzymuje napięcie znamionowe, przy czym początkowo towarzyszy mu prąd rozruchowy. Prąd ten z powodu dużego obciążenia silnika może być kilkukrotnie większy od prądu znamionowego silnika. Mówimy w tym przypadku o udarze prądowym, który w perspektywie dłuższej eksploatacji silnika może spowodować jego uszkodzenie. Najlepszą metodą sterowania silnikiem prądu stałego jest wykorzystanie mostka H, o którym więcej w podpunkcie 7.

2. Altium Designer 2009

Płytkę drukowaną zaprojektowano w specjalistycznym oprogramowaniu Altium Designer 2009. Jest to potężne narzędzie, które zapewnia kompletne, zunifikowane środowisko dla całego procesu projektowego. Altium Designer pozwala na tworzenie projektów w nowy, bardziej intuicyjny sposób. Pozwala na projektowanie całościowe – od schematu do gotowego wyrobu. Wygląd okna głównego programu przedstawia rysunek 1.

Niestety oprogramowanie Altium Designer jest płatne. Pojedyncza licencja kosztuje 5000 $. Jest to bardzo duża ilość pieniędzy, szczególnie dla studenta hobbisty. Jednak producent przewidział użycie oprogramowania w celach dydaktycznych. Istnieje możliwość pobrana oprogramowania w wersji testowej na 30 dni. Warto dowiedzieć się od nauczycieli akademickich czy uczelnia przypadkiem nie posiada kilku licencji tego oprogramowania . Dla zainteresowanych – aby skrócić czas poszukiwań – podaję adres, z którego pobrać można wersję testową: http://live.altium.com/#software

Oprogramowanie jest bezużyteczne bez osoby, która potrafi z niego skorzystać. Osobiście nauka obsługi programu zajęła mi około roku i z punktu widzenia mnogości funkcji zaoferowanej przez program, o sobie powiem, że jestem raczej początkujący. Oto kilka przykładowych z puli możliwości programu: rysowanie schematów układów, projektowanie płytek PCB, trójwymiarowe projektowanie wyglądu płytek, kontrola dopasowania płytki do obudowy, praca grupowa – repozytorium, szybkie prototypowanie FPGA. Dodatkowo program potrafi sam wg zadanego algorytmu prowadzić ścieżki, sprawdzać ich impedancję / rezystancję. Zawiera biblioteki elementów, których liczba sięga 100.000. Z tego powodu szczerze polecam to oprogramowanie.

3. Założenia zasilania robota

Do zasilania robota postanowiono użyć akumulatorów o napięciu pracy równym 12 V i pojemności 7Ah. W robocie zastosowano 3 akumulatory połączone w trybie normalnej pracy szeregowo. Głównym powodem zastosowania układu trzech akumulatorów było znamionowe napięcie zasilania silników o wartości 40V. Akumulatory żelowe to akumulatory bezobsługowe, niewymagające uzupełniania poziomu wody, tak jak w standardowych akumulatorach kwasowo-ołowiowych stosowanych powszechnie w samochodach. Zastosowany żel w akumulatorach nie paruje, co wynika z procesu rekombinacji. We wszystkich akumulatorach ołowiowych tlen wytwarzany jest na płycie dodatniej, na której ulega procesowi rekombinacji z wodorem wytwarzanym na płycie ujemnej. Produktem reakcji jest woda, która uzupełnia elektrolit. Kolejną bardzo ważną cechą tych akumulatorów jest możliwość ustawienia ich w dowolnej pozycji, ponieważ są one szczelne i nie wydzielają gazów. Dzięki szczelności nie zachodzi zjawisko korozji. Są odporne na udary oraz wstrząsy. Kolejną bardzo ważną cechą tych akumulatorów jest możliwość ustawienia ich w dowolnej pozycji, ponieważ są one szczelne i nie wydzielają gazów. Dzięki szczelności nie zachodzi zjawisko korozji. Są odporne na udary oraz wstrząsy.

Układ zasilania został zaprojektowany, aby można było podłączyć do niego wiele urządzeń o różnych napięciach zasilania. W tym celu zaprojektowano oraz zbudowano moduł zasilania, w którym wyprowadzono różne wartości napięć. Jak już wcześniej wspomniano trzy akumulatory zasilają część sterującą oraz napędy silników. Moduły odpowiedzialne za sterowanie: np. moduł ATmega128 jest zasilany napięciem 5V, natomiast sterownik HIP4082 znajdujący zastosowanie na płytce mostka H jest zasilany napięciem 12V. Istnieje możliwość podłączenia urządzeń zasilanych napięciem 3,3V. Przykładem urządzeń, które wymagają takiego poziomu napięcia są akcelerometry. Na rysunku 2 przedstawiony został schemat blokowy układu zasilania robota.

Schemat przedstawia wszystkie zaprojektowane elementy. Ładowarka stacjonarna znajduje się z przyczyn naturalnych poza robotem. Przygotowano specjalne wejście na robocie aby ułatwić proces ładowania. Przejście ze stanu zasilania układów robota do stanu ładowania akumulatorów jest realizowane przy pomocy płytki przekaźnikowej. Jej funkcją jest zmiana połączenia akumulatorów ze stanu szeregowego na równoległy, dzięki czemu jest możliwe ładowanie jednocześnie trzech akumulatorów przy pomocy ładowarki stacjonarnej. Następnie płyta przekaźnikowa posiada wyprowadzenia napięcia +12V oraz +40 V. Masę układu stanowi zero pierwszego akumulatora połączonego szeregowo. Napięcie +12V trafia do płytki modułu zasilania WiFi (na wyjściu 2 x 5V DC oraz 9V DC) oraz modułu zasilania elektroniki robota (12V DC, 5V DC, 3.3V DC). Moduł ten zasila płyty mostków H oraz płytę sterującą pracą robota.

4. Projekt płyty przekaźnikowej oraz ładowarki stacjonarnej

Płytka przekaźnikowa to moduł odpowiedzialny za przełączanie połączenia akumulatorów ze stanu szeregowego (stan pracy robota) na stan równoległy (ładowanie akumulatorów).Projekt uwzględnia 3 akumulatory żelowe, w związku z tym zaprojektowano moduł z wykorzystaniem 2 przekaźników firmy Omron, każdy posiadający dwie pary styków (przełączalnych). Na rysunku 3 przedstawiono schemat elektryczny modułu przekaźników czasie braku podłączenia ładowarki – normalna praca robota.

Jak widać na schemacie przy braku zasilania cewek, styki przekaźników połączone są z stykiem wspólnym do styki NC – Normal Close – normalnie zamknięty. Wówczas przyłączone akumulatory do płytki połączone zostają szeregowo. Napięcie odniesienia 0V stanowi minus pierwszego akumulatora, +12V stanowi klema dodatnia pierwszego akumulatora, natomiast +40V stanowi klema dodatnia trzeciego akumulatora. Po zasileniu cewek przekaźników sytuacja zmienia się co przedstawiono na rysunku 4.

Po zasileniu cewek przekaźników styk wspólny zostaje połączony ze stykiem NO – Normal Open – normalnie otwartym. Styki te połączone są z wejściem zerowym modułów ładujących akumulatory. Styk NC stanowi połączenie z wejściem dodatnim modułu ładującego. W ten sposób wszystkie akumulatory zostają oddzielone od siebie. Rozłączenie ich powoduje równoległe ładowanie jednocześnie 3 akumulatorów przy pomocy 3 modułów ładujących. Wygląd mozaiki ścieżek płytki przekaźnikowej przedstawiono na rysunku 5.

Płyta przekaźnikowa zaprojektowano pod wymogi ładowarki stacjonarnej. Ładowarka pozwala na ładowanie zasobników energii umieszczonych na pokładzie robota i powrót do stanu użyteczności. Schemat ładowarki został przedstawione na rysunku 6.

W ładowarce zastosowano dwa niezależne mostki Graetza. Z jednego mostka wyprowadzono diodę LED, poprzez stabilizator 7805. Jej prąd ogranicza rezystor 220 Ohm. Została ona wykorzystana do sygnalizacji pracy ładowarki. Diodę tę wyprowadzono na końcówkę kabla z ośmiostykowym wtykiem. Drugi mostek zasila silnik wentylatora chłodzącego radiatory umieszczone w ładowarce, oraz dostarcza 24 [V] napięcia stałego do zasilania cewek przekaźników w karcie przekaźnikowej. Cewki zasilone napięciem powodują rozłączenie układu akumulatorów z trybu szeregowego na równoległy. Pozostałe 6 przewodów kabla wychodzącego z ładowarki to zasilanie akumulatorów, wychodzące bezpośrednio z modułów ładowania. Moduły ładujące zaczerpnięto z artykułu AVT-2309. Transformator umieszczony w ładowarce posiada cztery uzwojenia wtórne. W układzie przedstawionym powyżej wykorzystano jedynie dwa z tych uzwojeń. Wygląd ładowarki przedstawiono na rysunku 7.

Transformator jak i obudowa ładowarki pochodzi z układu zasilacza UPS. Stanowił on zasilanie awaryjne komputerów PC. Sposób ładowania robota jest bardzo prosty. Robot musi być w stanie wyłączonym. Następnie należy podłączyć zasilanie do ładowarki i włączyć ją poprzez włącznik zamieszczony na płycie czołowej. Czerwona dioda sygnalizacyjna na końcu szarej wiązki przewodów zacznie świecić. Wówczas można podłączyć kabel do wtyku. Ładowanie nie powinno trwać krócej niż 10 godzin. Górna granica czasu ładowania jest nieokreślona. Nie należy włączać robota podczas ładowania. Może to spowodować spalenie układów ładowania akumulatorów z powodu zbyt dużego poboru prądu.

5. Moduły zasilania urządzeniami pokładowymi robota

Na pokładzie robota zawarte są dwa moduły zasilania. Pierwszy z nich dostarcza odpowiednich poziomów napięć dla płyty sterującej oraz sterowników mostków H. Drugi zasila router WiFi, oraz dwie kamery bezprzewodowe. O ile moc pobierania przez urządzenia wchodzące w skład pierwszej płyty nie są wielkie (szczytowo 5 W), to urządzenia WiFi posiadają pobór mocy czynnej na poziomie 20 W. Stanowiło by to znaczne obciążenie dla jednej płyty zasilającej, spowodowało by konieczność zastosowania elementów większej mocy a co za tym idzie o wiele droższych. Dlatego zdecydowano się na zastosowanie dwóch modułów.

…czytaj drugą część artykułu "Projekty robotów: Projekt układów elektronicznych wchodzących w skład robota TWIN-CATT / cz.3z7"

Źródło: Copyright by Łukasz Przystalski. Kopiowanie treści tylko za formalną zgodą autora.