[工學(xué)]機(jī)電傳動(dòng)模塊化設(shè)計(jì)——第5講—機(jī)器人能源子系統(tǒng)(已修改)
2025-02-28 10:40 本頁(yè)面
【正文】 第五講 能源子系統(tǒng) 能源子系統(tǒng) （電能） ? 能源子系統(tǒng)是為機(jī)電系統(tǒng)上 所有的控制子系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)及執(zhí)行子系統(tǒng)提供能源 的部分。 ? 通常小型或微型機(jī)器人采用直流電作為電源；又因?yàn)闄C(jī)器人大多要移動(dòng)，因此重點(diǎn)介紹和對(duì)比當(dāng)今常見(jiàn)的電池技術(shù)。 本講重點(diǎn)內(nèi)容 ? 二次電池及其特性 ? 線型穩(wěn)壓電源 ? 開關(guān)電源 ——北航某型無(wú)人機(jī)由于能源和電纜問(wèn)題造成超重，影響設(shè)計(jì)航程。 本章的要領(lǐng) ? 基本要領(lǐng) ? （ 1）電源系統(tǒng)基本信號(hào)特征 ? （ 2）各種電池的特性 ? （ 3）電源轉(zhuǎn)換（ ACDC、 DCDC） 能源系統(tǒng)的重要性 ? 機(jī)電傳動(dòng)系統(tǒng)的使命是完成 特定規(guī)律的運(yùn)動(dòng)，忠實(shí)執(zhí)行動(dòng)作指令 （很硬的特性） ? 所謂“忠實(shí)”的前提條件： 忠實(shí) ——?jiǎng)幼鞯轿?——有力量 ——扭矩足夠 ——電流足夠（特定電壓下） 很硬的特性 ? 硬 ——提供、吸收電流并轉(zhuǎn)換為扭矩的能力 ? 數(shù)控銑床 ——如果機(jī)電傳動(dòng)系統(tǒng)的特性不夠硬，無(wú)法完成切削的形狀，或切削速度低 ? 大飛機(jī)、戰(zhàn)斗機(jī) ——無(wú)法保證舵面的精度和響應(yīng)速度（數(shù)字舵機(jī)和模擬舵機(jī)），操縱性差 ? 機(jī)器魚 ——無(wú)法實(shí)現(xiàn)高效的拍動(dòng)效率 電源系統(tǒng)基本信號(hào)特征 ? 基本公式 ? U＝ E－ IR＋ Σ ?(t)（巨大的學(xué)問(wèn)） ? U—— 分系統(tǒng)輸入的端電壓 ? E—— 電源的電動(dòng)勢(shì) ? R—— 電源內(nèi)阻 ? Σ ?(t)—— 從共地線的其他系統(tǒng)串?dāng)_的干擾電壓之和 影響特性的各個(gè)方面 ? 機(jī)電傳動(dòng)系統(tǒng)主要是由控制模塊（ ?(t) ）、驅(qū)動(dòng)模塊（ I承載電流能力） 、機(jī)電轉(zhuǎn)換裝置（電機(jī)）構(gòu)成（ I承載電流能力） ? 電纜、接插件是不可忽略的環(huán)節(jié)（ I承載電流能力） ? 結(jié)構(gòu)方面，強(qiáng)度和剛度 （結(jié)構(gòu)力學(xué)） ? 能源系統(tǒng)是根本，要有足夠的承載能力和好的特性（ IR提供電流的能力） 有同學(xué)玩過(guò) HIFI嗎？ ? HIFI（高保真音響）可以理解為一種機(jī)電傳動(dòng)系統(tǒng)。最終輸出是揚(yáng)聲器的運(yùn)動(dòng)，并作用在空氣上產(chǎn)生高保真的聲音（具有一定的推動(dòng)功率） ? 變壓器、放大電路、線纜、接插件、揚(yáng)聲器 困擾設(shè)計(jì)著的常常是電源問(wèn)題 U＝ E－ IR＋ Σ?(t) U1＝ E1－ IR1＋ Σ?(t) U2＝ E2－ IR2＋ Σ?(t) U3＝ E3－ IR3＋ Σ?(t) …… 機(jī)器人常用電池 在化學(xué)電池中，根據(jù)能否用充電方式恢復(fù)電池存儲(chǔ)電能的特性，可以分為 一次電池（也稱原電池）和 二次電池 （又名蓄電池，俗稱可充電電池，可以多次重復(fù)使用）兩大類。 由于需要重復(fù)使用，機(jī)器人上通常采用二次電池。 鉛酸電池 鋰離子電池 鎳氫電池 鋰聚合物電池 ? 機(jī)器人由于體積、尺寸、重量的限制，對(duì)其采用的電源有各種嚴(yán)格要求 。例如：移動(dòng)機(jī)器人通常不能采取線纜供電的方式（除一些管道機(jī)器人、水下機(jī)器人外），必須采用電池或內(nèi)燃機(jī)供電 ? 相對(duì)于汽車等應(yīng)用，要求電池體積小、重量輕、能量密度大；并且要求在各種震動(dòng)、沖擊條件下接近或者達(dá)到汽車電池的安全性、可靠性。 ? 鉛酸蓄電池 鉛酸蓄電池是一種具有一百多年應(yīng)用歷史的蓄電池。構(gòu)成鉛酸蓄電池之主要成份如下： ?陽(yáng)極板 (過(guò)氧化鉛 .PbO2) 活性物質(zhì) ?陰極板 (海綿狀鉛 .Pb) 活性物質(zhì) ?電解液 (稀硫酸 ) 硫酸 .H2SO4 + 水 .H2O ?隔離板、電池外殼等附件 鉛酸蓄電池的工作原理是： 電池內(nèi)的陽(yáng)極 (PbO2)及陰極 (Pb)浸到電解液 (稀硫酸 )中，兩極間會(huì)產(chǎn)生 2V的電力 ，這是根據(jù)鉛蓄電池原理，經(jīng)由充放電， ? 則陰陽(yáng)極及電解液即會(huì)發(fā)生如下的變化： ? (陽(yáng)極 ) (電解液 ) (陰極 ) PbO2 + 2H2SO4 + Pb PbSO4 + 2H2O + PbSO4 (放電反應(yīng) ) (過(guò)氧化鉛 ) (硫酸 ) (海綿狀鉛 ) (陽(yáng)極 ) (電解液 ) (陰極 ) PbSO4 + 2H2O + PbSO4 PbO2 + 2H2SO4 + Pb (充電反應(yīng) ) (硫酸鉛 ) (水 ) (硫酸鉛 ) ? 鉛酸蓄電池最大的特點(diǎn)價(jià)格較低， 支持 20C以上的大電流放電 （ 20C意味著 10Ah的電池可以達(dá)到 10*20=200A的放電電流），對(duì)過(guò)充電的耐受強(qiáng)，技術(shù)成熟，可靠性相對(duì)較高，沒(méi)有記憶效應(yīng)，充放電控制容易。 ? 但壽命較低（充放電循環(huán)通常不超過(guò) 500次），質(zhì)量大，維護(hù)較困難，是一種優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)都很突出的電池。 ? 為了解決由于電解液需要補(bǔ)充、維護(hù)困難的問(wèn)題，人們開發(fā)了免維護(hù)鉛酸蓄電池。 ? 200A的概念 放電能力 的標(biāo)稱參數(shù)
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