Escolhendo baterias para robôs

Os robôs receberam o nome de uma palavra tcheca “Robota”, que significa escravo ou qualquer item mecânico que possa ajudar seu mestre. Robôs são dispositivos mecânicos que ajudam a realizar tarefas específicas para os humanos. O termo 'Robô' pode ser usado para qualquer dispositivo mecânico equipado com inteligência baseada em software para realizar tarefas físicas específicas. O design de um robô envolve basicamente três funcionalidades –

Um robô deve ser capaz de detectar o ambiente com a ajuda de sensores externos. Para detecção, vários tipos de sensores que podem ler quantidades físicas como temperatura, intensidade de luz, radiação infravermelha ou outras, dependendo da aplicação do robô ou sensores para visão robótica, sensibilidade ao toque, reconhecimento de voz, detecção de proximidade devem ser conectados ao controle de circuitos eletrônicos. o robô.

Os robôs são inúteis sem inteligência baseada em software e capacidade para tomar decisões. Eles devem ser capazes de sentir o ambiente e tomar decisões com base nele para que as tarefas que lhes são atribuídas possam ser executadas. Para a tomada de decisões o circuito de controle de um robô pode ter um controlador programável, um microprocessador ou um minicomputador.

Os robôs são projetados para realizar tarefas físicas. Para isso, possuem atuadores, motores e sistemas de acionamento acoplados ao seu conjunto mecânico. Esses atuadores e motores são controlados programaticamente pelos circuitos de controle.

Os carros robóticos ou veículos robóticos são um dos muitos projetos robóticos desenvolvidos para se movimentar para realizar tarefas físicas. O próprio movimento desse robô envolve a aplicação de energia e o uso de motores. Ao fazer tal robô, é necessário haver um equilíbrio entre a carga (peso do robô), bateria e motor utilizado. Esses três elementos estão conectados entre si e a escolha do correto requer muita matemática e experimentação. Assim como no tutorial anterior, foi discutido como escolher o motor certo para uma aplicação robótica, neste tutorial é determinado como escolher uma bateria adequada para o motor selecionado de acordo com a carga.

Antes de aprender sobre os tipos de bateria, vamos primeiro dar uma olhada nas especificações básicas das baterias.

No tutorial anterior, foram discutidas as especificações básicas do motor CC. Para fazer funcionar um motor em um robô, é necessário escolher uma bateria com especificações adequadas. Existem muitos tipos de baterias disponíveis para alimentar os motores. As principais especificações que devem ser levadas em consideração para a seleção de uma bateria são as seguintes –

Classificação de tensão – É a tensão terminal máxima que se espera que uma nova bateria forneça aos componentes eletrônicos.

Classificação Atual ou Classificação de Capacidade – A quantidade de corrente que uma bateria pode fornecer em uma hora é chamada de classificação de corrente ou classificação de capacidade. Esta classificação está associada à potência que a bateria pode fornecer. Por exemplo, uma bateria com capacidade de 1 ampere-hora será capaz de fornecer continuamente uma corrente de 1 ampere para uma carga por exatamente 1 hora, ou 2 amperes por meia hora, ou 1/3 ampere por 3 horas, etc. ., antes de receber alta completa.

Por exemplo, uma bateria automotiva média pode ter uma capacidade de cerca de 70 amperes-hora, especificada para uma corrente de 3,5 amperes. Isso significa que a quantidade de tempo que esta bateria poderia fornecer continuamente uma corrente de 3,5 amperes para uma carga seria de 20 horas (70 amperes-hora / 3,5 amperes).

Taxas C e E – A corrente de descarga é frequentemente expressa como taxa C para normalizar a capacidade da bateria. 1C significa que a corrente de descarga descarregará a bateria em uma hora. Uma taxa de 5C para esta bateria seria de 500 Amps, e uma taxa de C/2 seria de 50 Amps. Da mesma forma, uma taxa E descreve a potência de descarga. Uma taxa 1E é a potência de descarga para descarregar toda a bateria em 1 hora.

Passemos agora aos tipos de baterias disponíveis para uso em projetos robóticos. Existem os seguintes tipos de baterias disponíveis para uso em robôs –

Bateria alcalina – As baterias alcalinas são baterias não recarregáveis ​​que vêm com classificações de 1,5 V e 9 V. A bateria de 1,5 V vem em diferentes variedades, como AA (cerca de 1.000 mAh), AAA (menos de 1.000 mAh), C (2.000 mAh a 2.500 mAh) e D (cerca de 2.000 mAh). A bateria de 9V vem na faixa de 50 a 500 mAh. Essas baterias são de baixo custo e estão prontamente disponíveis, mas não duram muito e descarregam rapidamente.

Baterias de níquel-hidreto metálico (Ni-MH) – As baterias Ni-MH são recarregáveis, onde a tensão nominal de cada célula é de 1,2 V que vai de 600 mAh a 3300 mAh. Essas baterias são um pouco mais caras, mas duram mais e têm alta capacidade de corrente.

As baterias SLA ainda são a opção mais barata para alta capacidade. Eles quase não exigem manutenção por vários anos e podem passar por milhares de ciclos de carga e descarga até que a descarga não ultrapasse 30% de sua capacidade. Além disso, as baterias SLA podem produzir toneladas de corrente e são fáceis de carregar. Essas baterias estão amplamente disponíveis e de baixo custo, mas são como pedras pesadas para robôs móveis e não são preferidas para robôs de hobby.

Baterias de íon-lítio (LI-Ion) – As baterias de íon de lítio são baterias recarregáveis, iguais às usadas em telefones celulares e câmeras. As baterias de íon-lítio vêm com classificação de 3,7 V. Essas baterias estão facilmente disponíveis e possuem alta capacidade. Eles também são leves.

Baterias de polímero de lítio (Li-Po) – Estas estão se tornando o tipo mais popular de baterias para uso em robótica devido ao seu peso leve, altas taxas de descarga e capacidade relativamente boa, exceto que as classificações de tensão estão disponíveis em incrementos de 3,7 V.

Para combinar uma bateria com um motor, as especificações dos motores também devem ser conhecidas. Os motores DC utilizados em robótica são principalmente os de engrenagem. Os motores DC redutores possuem um mecanismo redutor que diminui a velocidade do motor e aumenta o torque. As seguintes especificações dos motores DC redutores devem ser levadas em consideração –

Classificação de tensão – A classificação de tensão é a tensão máxima sustentada que pode ser aplicada com segurança ao motor CC sem risco de falha elétrica. Suponha que a faixa de tensão do motor seja 5V – 12V, isso significa que o motor pode ser alimentado entre 5V e 12V.

Corrente Livre ou Corrente Sem Carga – Como o nome sugere, a corrente sem carga é a corrente na qual o motor funciona livremente sem qualquer carga ligada ao seu eixo. À medida que um motor CC descarregado gira, ele gera uma força eletromotriz que flui para trás que resiste à corrente aplicada ao motor. A corrente através do motor cai à medida que a velocidade de rotação aumenta, e um motor de rotação livre tem uma corrente muito pequena.

Corrente de parada – Torque de parada é o torque produzido por um dispositivo quando a velocidade de rotação de saída é zero. Também pode significar a carga de torque que faz com que a velocidade de rotação de saída de um dispositivo se torne zero, causando travamento. A parada é uma condição quando o motor para de girar. Esta condição ocorre quando o torque da carga é maior que o torque do eixo do motor, ou seja, esta é uma condição de torque de ruptura. Nesta condição, o motor consome corrente máxima, mas não gira. Esta corrente é chamada de corrente de Stalling.

Poder – A potência de um motor é geralmente expressa em watts. A classificação de potência é derivada da relação simples, potência = tensão x corrente. Por exemplo, um motor acionado a 5 V com 100 mA de corrente consumida está consumindo 0,5 Watts de potência.

Torque – A força direcionada no círculo é conhecida como torque. Diz-se que é tão simples quanto a quantidade de peso que o motor CC pode levantar em uma determinada distância.

Classificação de tensão – Ao fazer um robô de hobby, há chances de que o robô tenha uma fonte de alimentação defeituosa porque pode estar utilizando uma bateria de 9V no circuito. As baterias de 9 V destinam-se a ser usadas principalmente para componentes eletrônicos e não para alimentar motores, pois possuem baixa corrente de saída e baixa capacidade. Para alimentar motores, baterias como AA, AAA, D ou C ou mesmo baterias são mais adequadas, pois são fabricadas para uma classificação e configuração de tensão específica.

Uma bateria de 9V é, na verdade, composta de pacotes planos em série. Essas baterias têm capacitâncias muito pequenas, no máximo encontradas em 500 mA. Essas baterias podem ser usadas para alimentar certos componentes eletrônicos dos robôs, como o microcontrolador e outros componentes eletrônicos de baixa potência no robô, como sensores. Os motores, comparados aos microcontroladores típicos, consomem muitas vezes mais energia, geralmente na casa das centenas de miliamperes, e quando param (mantenha o eixo do motor imóvel) podem consumir vários amperes, o que pode esgotar uma bateria de 9V em poucos minutos.

Muitos robôs utilizam um Motor Driver IC que possui suprimentos para o lado lógico e o lado do motor. Ao conectar 4 baterias AA no lado do motor do controlador, a bateria de 9V ou mesmo o mesmo pacote AA pode ser conectada à alimentação lógica e também à alimentação do motor. Porém, a alimentação do motor não deve ser conectada a uma alimentação lógica de 9V. Porque nesse caso o lado lógico pode funcionar, mas a alimentação do motor pode não funcionar.

Tipo de bateria – NiMH é a escolha preferida para alimentar os motores porque eles têm capacitância decente, são de baixo custo em comparação com seu tamanho e têm saída de corrente decente. Além disso, as baterias NIMH são recarregáveis ​​e seguras para uso em comparação com as baterias NICAD. As baterias NiMH não possuem efeito memória e não contêm cádmio, que é um produto químico tóxico.

Outra escolha popular hoje em dia são as baterias de polímero de lítio. Eles são projetados para produzir potência muitas vezes maior que suas capacitâncias. Algumas baterias podem produzir centenas de amperes por um curto período de tempo. No entanto, as baterias de polímero de lítio são perigosas de usar e precisam ser manuseadas com cuidado. Portanto, é melhor começar primeiro com baterias NIMH.

Outra escolha preferível podem ser as baterias de chumbo-ácido, feitas de grelhas de chumbo esponjosas com eletrólitos especiais em cada placa. Cada célula tem um potencial de 2V. A configuração de célula mais comum é de 6 células ou 12V. Para um grande projeto robótico que requer muitos amplificadores, a bateria de chumbo-ácido é a melhor escolha. As baterias de chumbo-ácido têm densidade de potência relativamente baixa para seu peso, mas podem produzir facilmente centenas de amperes por longos períodos de tempo e são facilmente carregáveis.

Existem também baterias de íon-lítio que podem ser usadas em robôs de hobby. As baterias de íon-lítio são geralmente usadas como baterias de câmeras e laptops. No entanto, eles não podem produzir grandes correntes de uma só vez. É por isso que as baterias Li-Po têm mais preferência. As baterias Li-Ion e Li-Po são na verdade muito semelhantes, mas têm construções de células diferentes. No entanto, as baterias de íon-lítio são melhores para componentes eletrônicos de baixa corrente, como para um controlador robótico ou circuito de sensor. Mas isso exclui motores. As baterias de íon-lítio são um pouco complicadas de carregar em comparação com outras baterias e é por isso que ainda é melhor usar uma bateria NiMH em vez de uma bateria de íon-lítio.

Torque e RPM – O torque e as RPM de um motor já são conhecidos pelas suas especificações. Usando Torque, RPM e eficiência média, a potência total que o motor precisa para se mover pode ser calculada.

Vamos representar a potência total exigida pelo motor por P.

A energia total exigida pelo motor pode ser encontrada pela seguinte equação –

E=P*T

Onde,

T é o tempo em segundos

E é a energia total necessária

P é classificação de potência

Um fator de 1,2 deve ser multiplicado na equação acima para incluir a potência exigida por outros componentes eletrônicos, como controladores de motor, etc., e para considerar perdas de eficiência. Esta é a energia necessária para ser fornecida pela bateria. A energia equacionada a partir desta equação está em Joules, mas as especificações da bateria são normalmente em AH (ampere-hora). Portanto, se um motor de 12 V com classificação de 100 AH for alimentado, a energia total necessária pode ser igualada da seguinte forma –

Esta energia deve ser superior aos requisitos de energia para todos os motores combinados. Dependendo do peso da bateria, pode-se aumentar ou diminuir as especificações exigidas.