Co dělat, když pohybující se robot potřebuje občas na překonání překážky krátkodobě větší výkon, než na který byl navržen? Jedno z možných řešení ukazuje následující článek. Stejný postup se nemusí použít jen dodatečně jako „záplata“ na malý výkon pohonu, ale může být cíleně plánován od počátku, protože má své výhody.
Předpokládejme, že pohon bez problémů funguje „na rovině“, ale ukázalo se, že k překonání většího stoupání nebo vyjetí na nerovnost by byl potřeba větší, třeba i několikanásobný výkon. Pro jednoduchost budeme v ukázce uvažovat pohon stejnosměrnými komutátorovými motory na malé napětí.
Pokud jde teprve o návrh, můžeme pohon dimenzovat podle nejvyššího nutného (krátkodobého) výkonu. Je ale pravděpodobné, že budeme muset použít větší motory a větší napětí zdrojů (více článků akumulátoru), tím celé zařízení nabere váhu a bude i rozměrnější, tím se zase zvýší nároky na pohon respektive relativní nárůst výkonu nebude tak velký proti původnímu záměru.
Vyjdeme z toho, že každý stejnosměrný motor lze krátce přetížit a může dodat i přibližně 5x větší výkon, než s jakým se počítá při trvalé zátěži. Předpokládá to ale, že motor je typicky provozován někde v oblasti optimální účinnosti a má na přetížení rezervu. Pokud by byl motor provozován v oblasti maximálního výkonu, další zvýšení napájecího napětí a růst proudu by se už projevily jen poklesem účinnosti a naopak snížením výkonu, to by bylo zcela zbytečné snažení.
Ani při krátkém (trvajícím jednotky sekund) zvýšení napájecího napětí a přetížení nesmí být překročen maximální proud motoru, jinak by se poškodil komutátor nebo kartáčky. Motor také nesmí pracovat blízko své maximální provozní teploty.
Výkon zvýšíme větším napájecím napětím. V prvním a velmi přibližném odhadu platí, že zvýšení napětí na dvojnásobek vyvolá také dvojnásobný proudový odběr a výkon bude čtyřnásobný. Ve skutečnosti nebude, jednak u indukční zátěže neplatí tak jednoduchý vztah mezi napětím a proudem, jednak se určitě změní účinnost (téměř jistě k horšímu) a výsledný výkon bude menší, ale pro první představu to takto stačí.
Jak zvýšit napětí na dvojnásobek? Budeme potřebovat dvakrát víc akumulátorových článků, ty jsou velké a těžké. Budeme je muset mít trvale „na palubě“ a výkon nebudeme jen v případě nutnosti zvyšovat, ale naopak, budeme jej muset po většinu doby „dusit“ PWM regulací, jen krátce poběží motor v přirozeném režimu s plným napětím zdrojů. Trvalá hlubší regulace zhoršuje účinnost, navíc v běžném provozu už budeme mít k dispozici jen část regulačního rozsahu, řízení výkonu (rychlosti) nebude tak jemné.
Šlo by to jinak? Šlo. Představme si, že namontujeme zvyšující měnič na dvojnásobné napětí. Normálně běží motory na napětí zdrojů a jsou regulované v celém rozsahu PWM. Když je potřeba větší výkon, zapne se měnič a zdvojnásobí napětí pro motory. Čím větší výkon pohonu, tím takový měnič bude muset být větší a dražší, jeho účinnost také nebude ideální. Je samozřejmé, že v době zvýšeného výkonu se celý (čtyřnásobný proti normálu) výkon ještě zvýšený o ztráty v měniči bude odebírat z akumulátoru, ten na to bude muset být dimenzovaný. Orientačně půjde o 4 až 5 násobné zvýšení odběru proudu. Je to možné? I pokud to akumulátor zvládne, je to výhodné?
Dostáváme se k jiné možnosti. V době klidu nebo normálního provozu si menší část proudu odkloníme stranou a uložíme do kondenzátoru, zvýšení nároků na zdroje bude jen malé. Kondenzátor se postupně nabije až (téměř) na napětí akumulátoru, pak už neodebírá (téměř) nic.
Princip – kondenzátor je nabíjen menším proudem průběžně při běžném chodu motoru i v klidu
Když je potřeba zvýšit výkon, přepojíme kondenzátor sériově k akumulátoru. V prvním okamžiku se napětí na motoru zvýší na dvojnásobek, proud také, pak bude postupně podle vyčerpané energie napětí na kondenzátoru klesat. Už nyní si můžeme všimnout, že těsně po přepojení je akumulátor zatížen JEN dvojnásobným proudem, ne více než čtyřnásobným, jak je to v předchozímu případu s měničem.
Pokud se nad zapojením zamyslíme, není to žádný nový vynález, ale starý a osvědčený zdvojovač napětí na principu nábojové pumpy, jen nepracuje trvale a periodicky, jak je zvykem, ale díky mnohem větší kapacitě jen jednou „pumpne“ pro jedno zvýšení výkonu.
Princip – zvýšení výkonu přepojením kondenzátoru sériově k akumulátoru a zdvojnásobením napětí pro motor
Přepnutí kondenzátoru pro názornost a jednoduchost může dělat relé s dvěma pakety přepínacích kontaktů. Polovodičový přepínač je elegantnější, ale také složitější. Konkrétní již funkční příklad zapojení ukazuje následující obrázek. V daném případě jde o pohon malého robota s dvoukolovým podvozkem (dvěma motory), zakreslen je jen jeden. Motory mají udávané rozpětí napětí 3 – 6 V a pohon je napájen jedním článkem Li-pol (4,2 V při plném nabití, 3,3 V na mezi vybití).
Ukázkové, nicméně plně funkční zapojení s přepínáním pomocí relé
Kapacita kondenzátorů musí být dost velká na to, aby stačila na dostatečně dlouhé zvýšení výkonu, ale současně dost malá na to, aby příliš nepřetížila motor. V daném případě byly použity dva kondenzátory 1 F / 2,7 V sériově, tedy ve výsledku 0,5 F. Tyto superkondenzátory měly nejmenší kapacitu, kterou jsem pro tento účel našel, a v podstatě i nejmenší, které se vyrábí. Zenerovy diody omezují v případě rozvážení napětí na kondenzátorech a protože nemají ostrou charakteristiku a „zabírají“ už od přibližně 2,2 V, vyrovnávají napětí poměrně účinně a zvládnou i plný nabíjecí proud.
Obvod nabíjení kondenzátorů je zjednodušen na jedinou žárovku, ta současně působí jako omezení i částečná stabilizace proudu, jednak jako indikační prvek ukazuje, když se kondenzátory nabíjejí. Na fotografii je později použitá žárovka s proudem 0,3 A. Zakreslená poloha kontaktů odpovídá běžnému provozu respektive nabíjení.
Pokud bychom nechali kondenzátor sériově spojený s akumulátorem příliš dlouho, vybil by se do nuly, ale tím by to neskončilo. Vybíjel (respektive nabíjel opačně) by se dál až do té doby, než by se otevřela dioda, na kondenzátoru by bylo přibližně -0,5 V. I takové přepólování kondenzátoru škodí, proto se napětí na výstupu (před motorem) snímá odporovým děličem a zavádí na AD převodník řídícího mikrokontroléru. V běžném provozu je na vstupu převodníku polovina napájecího napětí (akumulátoru), když se připojí kondenzátor, vzroste napětí i přes vydělení dvěma na téměř na plné napětí akumulátoru. Důležité je, že zvýšení výkonu se musí řízeně ukončit, ještě když je na kondenzátorech kladné napětí.
Robrouk poháněný jedním Li-pol článkem, ovládaný přes BT a s akcelerací superkondenzátory
Zaměříme-li se na akceleraci respektive měření rychlosti, pak standardní rychlost našeho pokusného robota byla 0,21 m/s, při zvýšeném napětí stoupla na 0,40 m/s a postupně klesala k normálu 10 – 13 sekund.
Detail zapojení obvodů akcelerace (ty malé zelené kondenzátory stačí na více než 10 sekund urychlení)
V našem případě je příkon pohonu relativně malý a lze namítnout, že pro větší stroje se tento způsob nehodí, že uložená energie není dostatečně velká. Je to pravda, ale až u mnohem větších strojů s hmotností v řádu tun a s výkonem ve stovkách kilowatt. A nemusí jít pouze o pohon vozidel, ale třeba i přepravních pásů nebo manipulační techniky.
Použité 1 F kondenzátory jsou nejmenší (průměr 8 mm, výška 12 mm) a jsou schopné poskytnout proud kolem 1 A (nárazově výkon 4 W). Už šestice kondenzátorů s kapacitou kolem 350 F (respektive 58 F / 16 V), která stačí na nastartování motoru osobního auta, poskytne na několik sekund výkon až 1 kW. Pohonné kondenzátory 3000 F opět v šestici (500 F / 16 V) nabídnou na kratší dobu výkon až 16 kW, přitom jsou mnohem menší a lehčí než akumulátor s odpovídajícím výkonem.
Vyráběné zařízení pro modely aut (foto z nabídky prodejce http://hobbyking.com)
Tento způsob akcelerace již použila firma Turnigy a vyrábí zařízení pro modely aut, které mají typický příkon přibližně 200 až 400 W. Protože by ale zvýšení napětí na dvojnásobek nezvládl regulátor, nabíjí se pouze jeden superkondenzátor 30 F (složený ze tří kondenzátorů po 10 F) na napětí kolem 2,5 V, a o toto napětí se pak zvýší napájení pro motor. Doba nabíjení je kolem 20 s, doba akcelerace kolem 2 s. Zvýšení výkonu motoru o desítky procent je sice krátké, ale při předjíždění i tak dostatečně významné.
Kat. 4