Qual é a melhor maneira de alimentar um grande número (27) de servos a 5 V?

Peço desculpas se esta pergunta pode parecer um pouco vaga. Estou trabalhando em um projeto de robótica que conterá 27 servos de vários tamanhos e estou tendo problemas para descobrir como devem ser alimentados.

Eu esperava usar várias (3-6) caixas de bateria de 5 W 18650 para alimentá-las, mas os motores menores usariam 2,5 W cada, então uma caixa de bateria pode alimentar apenas duas. Os servos maiores, obviamente, usam ainda mais corrente, portanto esse plano de usar um pequeno número de 18650 se torna inviável.

Não há espaço suficiente no robô para uma bateria de carro de 12 V, e a adição de uma exigiria recalcular os tamanhos dos servomotores necessários. Além disso, não tenho certeza de como converter os 12 V que são reduzidos a 5 V para os servomotores.

PS E a corrente de estol dos motores? A fonte de alimentação deve poder fornecer a corrente de estol de todos os motores que ela fornece (ao mesmo tempo) ou apenas a corrente de trabalho? Devo usar um fusível para lidar com quando (se?) Os servomotores param? Devo usar um fusível ou um disjuntor? Eles fazem fusíveis de 5 V? Se sim, onde posso conseguir um?

Algo como uma versão maior da caixa 18650 seria mais preferível.

Como o Rocketmagnet mencionou, apenas porque um motor está classificado em 2,5 W não significa que ele estará puxando 2,5 W o tempo todo . A maioria dos robôs possui no máximo 1 ou 2 servos que estão funcionando com potência máxima a qualquer momento; o restante possui cargas mecânicas muito baixas (e, portanto, consome muito menos energia elétrica) ou está "desligado" e, portanto, consome praticamente zero energia elétrica.

Isso leva a duas abordagens muito diferentes para fontes de alimentação:

• Robôs e computadores de mesa amarrados usam uma fonte de alimentação e dissipadores de calor que podem lidar com o consumo máximo de energia possível na pior das hipóteses - quando tudo consome a energia máxima ao mesmo tempo. 27 servos * 2,5 W a 5V requerem uma fonte de alimentação de 5 VDC e pelo menos 14 A (ou talvez várias fontes de 5 VDC que somam pelo menos 14 A).

• Robôs autônomos e laptops modernos usam uma fonte de alimentação e dissipadores de calor que podem suportar alguma energia de design térmico . Alguns humanos escolhem arbitrariamente alguns do TDP, que é muito menor que o poder de pior caso, mas um pouco acima do poder necessário em "situações típicas". Em seguida, a fonte de alimentação foi projetada para suportar qualquer carga de 0 a ligeiramente acima do TDP. E o resto do sistema foi projetado para nunca excedero TDP - exceto talvez por alguns milissegundos. A abordagem mais simples é ter algo que mede o consumo total de corrente - quando a corrente exceder o TDP, suponha que as coisas já tenham saído horrivelmente erradas e desligue tudo por alguns segundos. Abordagens mais sofisticadas medem a corrente de cada motor individualmente: Quando um motor para, o "modo de limpeza" reduz a potência desse motor, de modo que o robô continua a usar os outros motores na potência máxima. Quando muitos motores puxam uma corrente total muito alta, o "modo cansado" reduz a potência de todos os motores, de modo que o robô continua a usar todos os motores em velocidade mais lenta.

Fusíveis de 5 V?

Você pode instalar um grande fusível de 14 A. Ou você pode instalar 27 fusíveis individuais de 0,5 A, um na linha de + 5V de cada motor. Ou ambos. Você provavelmente achará mais fácil encontrar fusíveis "12 V" ou "250 V", que funcionarão perfeitamente em seu aplicativo.

Existem muitos polifusores baratos disponíveis (projetados para proteger as portas USB de 5V contra corrente excessiva). Infelizmente, os polifusores demoram alguns segundos para "explodir" - tarde demais para proteger as coisas dos danos permanentes, mas rápido o suficiente para impedir que as coisas aqueçam, pegem fogo e incendiem sua casa.

possivelmente relacionado: Como fazer um circuito simples de proteção de sobrecorrente / disjuntor para 12V 1-2A?

converter 12 V em 5 V

A maioria das pessoas que usa servomotores usa um conversor DC-DC pronto para uso para converter a tensão que as baterias fornecem aos 5V exigidos pelos servos. (c) Vejo que algumas caixas de bateria 18650 ( a ) incluem um pequeno conversor DC-DC para converter a energia da bateria em 5 VDC "Carregador de bateria USB". (Algumas pessoas usam servomotores projetado para ser conectado diretamente a 12 VDC. A )

Muitos conversores CC-CC são configurados para que eles nunca puxem mais do que uma corrente máxima da bateria - quando o motor conectado à saída pára, o conversor muda para o modo "corrente constante" a uma tensão de saída mais baixa, puxando menos energia das baterias. Se você colocar um conversor CC-CC em cada servo, ele entrará automaticamente e sairá do "modo de limpeza" adequadamente.

pilhas

"Selecionando a bateria apropriada para o seu robô" (a)

"Pilhas para robôs" (b)

"Baterias que uso na minha robótica" (c)

etc. a b c d e f

É sempre difícil especificar a fonte de alimentação de um robô e você encontrou o problema exato que todos enfrentamos. Você o especifica para lidar com a carga típica ou a carga máxima absoluta quando todos os motores estão paralisados ​​na corrente máxima?

Não há resposta certa para isso, exceto que aconteça o que acontecer, não deve danificar nada. A boa notícia é que os servos provavelmente não consumirão 2,5W o tempo todo, portanto, uma boa maneira de começar é conectar seu sistema a uma grande fonte de alimentação com um amperímetro e medir o consumo real de corrente sob uso pesado típico. Depois de saber o consumo máximo de corrente, você pode especificar as baterias para isso.

A outra coisa que você precisa decidir é por quanto tempo deseja que a coisa corra. Isso informará quanta capacidade da bateria você precisa e, portanto, o tamanho da bateria. Mas, como você diz, se isso significa que você precisa de uma bateria maior, isso pode significar que você precisa de servos maiores e mais atuais e, portanto, de uma bateria maior! Pode não haver solução para esse problema, exceto:

• Facilite seus requisitos. Aceite que o robô não funcione enquanto você esperava.
• Se possível, adicione molas de torção aos servos para ajudá-los a aumentar o peso da bateria. Isso significa que eles consomem um pouco menos de energia.

Mas o que fazer no caso extremo em que todos os motores estão parados?

Você pode considerar algo como um controlador Hot Swap . Este é um pequeno chip que protege a entrada de energia do seu sistema. Ele protege contra a grande corrente de irrupção causada pelos capacitores do seu sistema. Também protege contra sobrecorrente em geral, bem como sobretensão.

Esse problema é muito parecido com a ciência dos foguetes. Com um foguete, quanto mais pesado, mais combustível eles precisam para decolar, o que o torna ainda mais pesado! Você tem seus servos, mas para alimentá-los, você precisa de uma bateria grande que torne o robô mais pesado, isso significa servos mais fortes e uma bateria ainda maior! Se você não souber como ligar o robô com uma bateria integrada, talvez precise se contentar com uma fonte de alimentação externa.

Espero que isto ajude.