Requisitos de Energia

Com o objetivo de trazer maior clareza para o grupo e, em especial, para a equipe de energia, foi criado este documento com os requisitos necessários para o MicroMouse no contexto de dimensionamento energético. Este documento é composto tanto com o passo a passo lógico para a construção do dimensionamento energético quanto com as exigências da disciplina.

Requisitos

1. Levantar componentes

Listar todos os componentes que consumirão energia. Para cada um, registrar a tensão de operação (V), corrente média (mA) e tempo estimado de uso em segundos.

Assim, preencher como:
Nome Componente | Tensão (V) | Corrente média (mA) | Tempo estimado de uso (s)

2. Calcular a energia consumida por cada componente

Utilizando a fórmula E = V _ I _ t, sendo:

E -> Energia em Joules
V -> Tensão em volts
t -> Tempo em segundos (estimado de funcionamento do MicroMouse) I -> Corrente elétrica em ampéres

3. Consumo total de energia

Obter a estimativa do consumo total de energia somando o resultado do Passo 2 para todos os componentes a serem utilizados, sendo necessário completar a seguinte tabela:

Nome	Quantidade	Consumo Individual	Consumo Total
A	B	C	D

E, ao fim, deve ser totalizado o consumo de energia de todos os componentes e considerado a quantidade máxima de tentativas para cada etapa.

4. Escolher a fonte de alimentação

Deve ser escolhida a fonte de acordo com o consumo total, convertido para watt-hora (1Wh = 3600 J), levando em consideração as margens de segurança escolhidas.

OBS: Além disso, exigiremos 30% de margem de segurança na capacidade energética e também 20% a 30% de folga na corrente/potência de pico. Essa escolha se dá porque é coerente com recomendações usuais de dimensionamento para sistemas com motores e cargas transitórias. Tendo em vista que o MicroMouse apresenta variações bruscas de carga, principalmente nos motores durante acelerações, frenagens e correções de rota, e sua utilização pode envolver várias execuções em sequência. Dessa forma, a margem aumenta a confiabilidade do robô, reduz o risco de queda de tensão e evita que a fonte escolhida opere próxima do limite.

5. Verificar a necessidade de inclusão de reguladores de tensão, proteções contra subcorrente e isolamento para atuadores

O processo deve ocorrer da seguinte forma:

5.1. Separar os consumidores de energia por grupos funcionais, no mínimo:

• eletrônica de controle;
• sensores;
• atuadores/motores;
• módulos auxiliares, se aplicável.

5.2. Levantar a tensão de operação exigida por cada grupo, para identificar:

• quais componentes podem ser alimentados diretamente pela bateria;
• quais componentes exigem reguladores de tensão;
• quais componentes exigem alimentação mais estável ou menos ruidosa.

5.3. Definir os barramentos de alimentação do sistema ao registrar:

• tensão nominal da fonte principal;
• tensões derivadas necessárias;
• corrente média e corrente de pico por barramento;
• componentes conectados em cada barramento.

5.4. Verificar a necessidade de reguladores de tensão, com base nos seguintes critérios:

• diferença entre a tensão da bateria e a tensão exigida pela carga;
• estabilidade necessária para sensores e microcontrolador;
• eficiência do regulador;
• dissipação térmica esperada;
• impacto do regulador na autonomia total.

5.5. Verificar a necessidade de proteções elétricas, considerando no mínimo:

• proteção contra sobrecorrente;
• proteção contra inversão de polaridade;
• proteção contra subtensão da bateria;
• proteção contra picos gerados pelos atuadores;
• prevenção de reset ou mau funcionamento do sistema de controle.

5.6. Avaliar a necessidade de separação entre alimentação de lógica e atuadores, ao verificar:

• possibilidade de ruído elétrico gerado pelos motores;
• oscilações de tensão durante aceleração, frenagem e mudança de direção;
• sensibilidade dos sensores e do microcontrolador a quedas de tensão.

5.7. Definir como as oscilações de tensão serão controladas, especificando:

• uso de capacitores de desacoplamento próximos aos circuitos integrados;
• uso de capacitor de bulk na linha de potência;
• organização do aterramento;
• largura adequada das trilhas de alimentação;
• posicionamento físico da bateria, driver e reguladores.

Dessa forma, podemos até mesmo criar um diagrama em blocos da alimentação, uma tabela com os barramentos e a lista com reguladores, proteções e a justificativa para o uso deles.

6. Autonomia da bateria

Deve ser calculada a autonomia da bateria do MicroMouse, que precisa ser realizada a partir do perfil de uso do sistema e não apenas da soma simples dos componentes. Para isso, executamos os seguintes passos:

6.1. Definir os modos de operação do MicroMouse, como:

• inicialização/espera;
• leitura de sensores;
• exploração do labirinto;
• corrida rápida;
• frenagem, curvas e correções;
• tentativas sucessivas.

6.2. Estimar o tempo de permanência, em segundos, em cada modo de operação, levando em conta:

• duração prevista de uma execução;
• quantidade máxima de tentativas;
• tempo total de uso esperado em uma sessão.

6.3. Associar a cada modo de operação os componentes que estarão ativos, identificando:

• tensão de operação;
• corrente média;
• tempo de funcionamento naquele modo.

6.4. Calcular a energia consumida por componente e por modo, usando o indicado no Passo 2;

6.5. Somar os consumos de todos os componentes em todos os modos de operação, obtendo o consumo energético total previsto do sistema, como previsto no Passo 3;

6.6. Converter o consumo total para watt-hora (1Wh=3600J) para os modos de operação;

6.7. Incluir fatores de correção do sistema real, ao considerar:

• perdas nos reguladores de tensão;
• perdas no driver dos motores;
• perdas nos próprios motores;
• resistência interna da bateria;
• quedas de tensão em picos de corrente;
• diferença entre corrente média teórica e corrente real em operação.

6.8. Aplicar margem de segurança ao consumo calculado, como indicado no Passo 4;

6.9. Definir o requisito mínimo da bateria, ao registrar:

• tensão nominal mínima necessária;
• capacidade energética mínima em Wh;
• capacidade mínima equivalente em Ah ou mAh;
• corrente mínima de descarga necessária;
• corrente de pico mínima suportada.

Assim, teremos o cálculo da autonomia de bateria, com o consumo teórico em cada modo de operação, o total com a margem de segurança, com autonomia teórica estimada e requisitos mínimos que a bateria deva atender.

7. Validação

Deve ser feita a validação experimental do sistema em condições reais de uso. Para isso, podemos executar os passos:

7.1. Definir as grandezas que serão medidas durante os testes, como:

• tensão da bateria;
• corrente total consumida;
• corrente nos motores, se possível;
• tempo total de operação;
• ocorrência de picos de corrente;
• quedas de tensão;
• temperatura de reguladores e driver, se aplicável.

7.2. Definir a instrumentação necessária para coleta dos dados, como:

• sensor de corrente;
• divisor resistivo ou monitor de tensão;
• sistema de log via microcontrolador;
• multímetro ou fonte de bancada, se disponíveis.

7.3. Executar testes por etapas, por exemplo:

• teste apenas com eletrônica de controle;
• teste com motores sem carga relevante;
• teste com movimento em linha reta;
• teste com curvas e correções;
• teste com sequência completa de operação;
• teste com número máximo de tentativas previsto.

7.4. Registrar os dados medidos em cada teste, preenchendo uma tabela com:

• modo de operação;
• tensão média;
• corrente média;
• corrente de pico;
• duração;
• energia estimada;
• observações.

7.5. Comparar os resultados reais com os resultados teóricos, calculando o erro percentual:

Erro (%)= ((valor real - valor teórico) / valor teórico) * 100

7.6. Analisar as causas das diferenças entre teoria e prática, ao verificar:

• perdas não consideradas inicialmente;
• variações de carga dos motores;
• comportamento real da bateria sob picos;
• ruído e oscilações na alimentação;
• consumo adicional em manobras, frenagens e correções;
• influência do piso, atrito e estratégia de navegação.

7.7. Ajustar, eventualmente, o modelo energético do projeto com base nos testes.

Referências

Considerations When Using an Open Frame Power Supply

Micromouse Online

How to Select the Right Power Supply for a DC Servo Motor

Choosing the power supply and motor

Tabela de Versionamento

Versão	Descrição	Autor	Revisor
1.0	Criação inicial dos requisitos	Júlia Fortunato	Ana Luiza Soares
1.1	Adição de alguns refinamentos ao documento	Ana Luiza Soares	Júlia Fortunato