Dimensionnement électrique du robot - PascalBauer/Notre-bon-plaisir-Pascal-Bauer GitHub Wiki

Calcul théorique de la puissance maximale totale consommé par les organes du robot:

Consommation énergétique de chaque composant du robot séparemment (isolé):

Etablit à partir de la liste du matériel

  • Moteur courant continu EMG30:

    • Le moteur choisi est un moteur 12 V qui tourne à 170 tr/min et qui consomme 0,530 A en courant de régime et a un courant de décrochage de 2.5 A.

    • Le moteur a une vitesse nominale (vitesse minimale pour un bon fonctionnement) de 170 tours par minute. Et à sa vitesse nominale il produit un couple de 1.5 Kg/cm soit 150 kg/m.

    • Or le couple=Force*Rayon(roue).

    • Ainsi le couple nécessaire à envoyer au moteur (Tn) est égale à la Force multipliée par le rayon de la roue (Rr): Tn=F * Rr = [Moitié_Poids_robot]* gravité * Rr. Le rayon de la roue vaut 0.055m (soit 5.5cm). Ainsi Tn = (8.3/2)* 9.81 * 0.055 = 2.239 N.m .

    • A 170 tours/minute le couple moteur vaut 1.5 Kg.cm soit 150 Kg.m. Pour un couple de 2.239 N.m soit 12.4 Kg.cm on a une vitesse nominale de 1405.33 tours/minute.

    • Pour 170 tours/minute on a une puissance nominale de 4.22 W, on a donc à avoir au minimum une puissance nominale de 34.885 W en prenant en compte la répartition de la moitié du poids du robot sur chacune des deux roues.

    • Faisons l'hypothèse que chaque moteur tourne à sa vitesse maximale. La vitesse maximale de l'arbre moteur sans charge est de 200 tours/minute. Si pour une vitesse nominale de 170 tours/minute on a une puissance nominale de 4.22 W alors pour 200 tours/minute on aurait une puissance nominale de 4.965 W. En prenant en compte la moitié du poids du robot sur une roue et supposons qu'on aurait besoin d'une vitesse nominale de 1405.33 tours/minute, on obtient donc une puissance nominale maximale de 34.887 W.

    • Ainsi si le moteur est alimenté en 12 V, il consomme donc au maximum 2.9 A.

  • MD25 (dual motor controller):

    • Alimentation de puissance (voir ci-dessus) : 12 V / 2.8 A > 33.6 W
    • Alimentation petit signal (circuit électronique): Un régulateur 5 Vcc intégré délivre 300 mA pour l’électronique de commande externe). Le régulateur délivre donc 5v / 0.3 A > 1.5 W.
    • En prenant en compte l'ampérage délivré pour les deux moteurs et pour l'électronique on a [2.8 + 0.3 ] soit 3.1 A maximum utilisé avec une tension de 12 V. Soit une puissance maximale de 37.2 W.
    • On remarque qu'avec ce driver, chaque moteur ne peut consommer au maximum que 1.4 A . Ainsi chaque moteur est utilisé 2 fois moins que ce qu'il peut fournir (2.9/1.4 = 2).

Remarque importante: Le driver ne peut délivrer que 1.4 A à chaque moteur tandis qu'un moteur atteint sa vitesse maximale en charge à 4.22 A. Ainsi le driver limite par défaut la vitesse de chaque moteur à 676.66 tours/minute soit 40.6 tours/h. * Ainsi la distance en m que peut parcourir le robot en 1 heure sur une ligne droite est : D(m/h) = V(m/h)* T(h) = [(V_rotation60) 2PIRayon(roue)] * 1 = [(676.6660) 2*PI * 0.055] * 1 = 14023.102 m soit 14 Km (au maximum).

  • FTDI Basic (sparkfun) : 5 V (connecté au MD25 donc prend 0.3 A maximum).

  • Hardkernel Odroid-XU3 : 5V / 4A > 20 W

  • RoboPeak RPLiDAR (laser): Il reçoit au maximum 5.2 V en entrée et délivre au maximum en sortie 3.3 V.

    • Le courant utilisé par le scanner lors de son utilisation est au maximum de 200 mA soit 0.2 A.
    • Le courant utilisé par le moteur très basse tension du Lidar lors de son utilisation est en moyenne de 100 mA soit 0.1 A.

On en déduit donc que le lidar consommera au maximum 0.3 A et 5 V soit 1.5 W.

  • Carte d'alimentation et de contrôle écran: 12v / 4 A > 48 W

  • Convertisseur DC/DC: 5 V - 32 V (entrée) / 0.8 V - 30 V (sortie) et 5 A

  • Enceinte: 5V/ 1.5 A > 7.5 W

Puissance totale théorique utilisée par le robot:

  • La batterie actuelle disponible nous fournit (11.1V/8A) 88.8W par heure.

  • La puissante totale est la somme des puissances maximales que peut recevoir chaque composant du robot utilisé pour alimenter les différents organes du robot: c'est à dire par exemple la puissance du driver moteur, la puissance de la carte d'alimentation de l'écran,et enfin la puissance de l'odroid.

  • P_total = P_driver_MD25 + P_odroid + P_carte-alim-ecran = 37.2 + 20 + 48 = 105.2 W, soit si on divise la puissance par la somme du courant demandé par chaque composant, on obtient 9.48 V et 11.1 A .

Remarque : Il est en général conseillé dans ce genre d'application de séparer l'alimentation de puissance 12 V de l'alimentation des circuits électroniques 5V pour notamment éviter les interférences de courant entre les câbles.

  • Ainsi si on sépare ses deux alimentations:

P_total_5V= P_odroid = 20 W soit 5 V et 4 A .

P_total_12V= P_driver_MD25 + P_carte-alim-ecran = 85.2 W soit 12 V et 7.1 A On aurait besoin d'une part d'une alimentation 12V / 8 A ou plus et d'une autre de 5V / 4 A ou plus.

**Il reste à vérifier que les deux convertisseurs DC/DC font bien la séparation de la tension et du courant nécessaires pour chaque composant.

  • D'après la documentation (http://0pdf.d4usemicon.netdna-cdn.com/pdfhtm.php?id=771557), le convertisseur DC/DC utilisé peut prendre en entrée une plage de tension de 5 V - 32 V (Vin) et est ajustable en sortie de manière à avoir une plage de 0.8 V à 30 V (Vout). Le courant en sortie est constant et vaut 5 A (Iout).

Ainsi dans la suite nous allons effectuer des mesures pratiques de consommation énergétique pour chaque composant.

Calcul de la puissance maximale totale consommé par le robot avec des mesures pratiques:

Mesures pratiques énergétiques utilisées par chaque composant du robot séparément:

Avec l'ancienne batterie:

  • Puissance carte d'alimentation de l'écran: 14.98 V / 1.68 A ( écran allumé ); 1.74 A au lancement d'une vidéo.

  • MD25 (dual motor controller): 14.40 V / 3 A (courant obtenu quand les deux moteurs tournent au maximum) On remarque que le MD25 consomme 14.70 V et 0.5 A ( 0.3 A dans la doc) quand les moteurs ne tournent pas.

  • Odroid_XU3: 5.76 V / 4.8 A (courant obtenu en sortie du convertisseur et quand les deux moteurs tournent au maximum ) On remarque que l'odroid consomme 5.70 V et 0.0 A quand le Lidar est débranché. On remarque que l'odroid consomme 5.75 V et 1.3 A quand le Lidar est branché.

Puissance totale pratique utilisée par le robot:

P_total_5V= P_odroid = 27.6 W soit 28 W avec 5.76 V et 4.8 A .

P_total_12V= P_driver_MD25 + P_carte-alim-ecran = 43.2 + 26 = 69.26 W soit 70 W avec 14.7 V et 4.7 A On aurait besoin dans ce cas d'une part d'une alimentation 15V / 5 A ou plus et d'une autre de 5V / 5A ou plus.

Conclusion sur la consommation du robot:

L'odroid, le driver moteur et l'écran consomment chacun 4 A, 3 A et 2 A. Ils consomment donc au total 9 A.

Ainsi :

  • En supposant que la batterie n'alimente pas l'enceinte, il faudrait une batterie ayant comme tension nominale 12 V et comme courant nominal 9A. Plus bien sur les convertisseurs DC/DC adaptés.

  • En supposant que la batterie alimente l'enceinte, il faudrait une batterie ayant comme tension nominale 12 V et comme courant nominal 11A. Plus bien sur les convertisseurs DC/DC adaptés.