RON | EUR | USD

De ce și cum se folosește arhitectura de alimentare cu energie distribuită, pe bază de componente, pentru robotică

By Jeff Shepard

Contributed By Digi-Key's North American Editors

Utilizarea roboților alimentați de la baterii este în creștere în aplicații precum automatizarea fabricilor, agricultură, livrarea produselor în campus și la consumatori și gestionarea stocurilor din depozite. Pentru obținerea unui timp maxim de funcționare între încărcări, proiectanții acestor sisteme de baterii au trebuit mereu să se preocupe de randamentul conversiei energiei, precum și de caracteristici precum dimensiunea și greutatea.

Cu toate acestea, preocupările au devenit și mai critice pe măsură ce sarcinile de încărcare continuă să crească, iar funcțiile de detectare și siguranță, cum ar fi monitorizarea video, distanța, proximitatea, locația, printre altele, adaugă complexitate de proiectare și greutate fizică. În același timp, procesarea necesară a componentelor electronice suplimentare consumă, de asemenea, mai multă energie.

Pentru a maximiza durata de utilizare a bateriei în contextul acestor provocări suplimentare, proiectanții pot apela la o arhitectură de alimentare distribuită, pe bază de componente, pentru a alimenta motoarele, procesoarele și alte subsisteme. Într-o astfel de abordare, fiecare componentă individuală de conversie a energiei c.c. - c.c. poate fi plasată în punctul de sarcină (PoL) și optimizată pentru randament ridicat, dimensiuni reduse (densitate mare de putere) și o înaltă performanță generală. Această abordare poate avea drept rezultat un sistem de alimentare cu energie mai ușor în ansamblu, care să permită creșteri suplimentare ale performanței sistemelor robotizate alimentate de la baterii. Este îmbunătățită și flexibilitatea, căci componentele de conversie a energiei pot fi scalate cu ușurință în paralel, odată cu creșterea cerințelor de energie pentru sistemele robotizate, și permit, de asemenea, implementarea aceleiași arhitecturi de alimentare pe o platformă cu sisteme robotizate de diferite dimensiuni.

În acest articol sunt prezentate pe scurt cerințele de alimentare pentru diferite aplicații din domeniul roboticii, inclusiv recoltarea în agricultură, livrarea produselor în campus și la consumatori și deplasarea stocurilor din depozite. Apoi, vor fi revizuite beneficiile utilizării unei arhitecturi de alimentare distribuită, pe bază de componente, după care vor fi prezentate soluțiile de convertoare c.c. - c.c. de la Vicor, odată cu plăcile de evaluare și software-ul asociat pentru a-i ajuta pe proiectanți în activitățile lor de proiectare.

Cerințe de alimentare pentru roboți

Cerințele de alimentare pentru tipurile specifice de roboți sunt determinate de aplicație:

  • Roboți agricoli utilizați pentru recoltare: plantare, întreținere și recoltare a produselor agricole (fructe, legume, cereale) prin intermediul sistemului de ghidare automată a vehiculului, împreună cu recunoașterea vizuală și multipli senzori de mediu și de analiză a solului. Aceste vehicule robotizate de mari dimensiuni sunt, de obicei, alimentate de la o sursă c.c. de înaltă tensiune, de cel puțin 400 de volți.
  • Roboți pentru livrare: livrarea „pe ultimul kilometru” până la clienți sau în campusuri a diverselor articole. În timp ce sarcinile utile variază din punct de vedere al mărimii și greutății, acești roboți sunt alimentați, de obicei, de la baterii de la 48 până la 100 de volți și necesită un timp de funcționare mai lung decât clasa de roboți care se ocupă de deplasarea stocurilor din depozite.
  • Roboți care se ocupă de deplasarea stocurilor din depozite: asigură sarcinile de gestionare a stocurilor și de onorare a comenzilor în mediile de depozitare extinse. Această clasă de roboți este alimentată, de obicei, de la o sursă de baterie de la 24 până la 72 de volți, pentru care încărcarea ocazională este efectuată în funcție de necesități.

Arhitecturi de alimentare distribuită, pe bază de componente, pentru robotică

Această secțiune analizează patru exemple de arhitecturi de alimentare distribuită, pe bază de componente, pentru roboți variind de la un sistem de 15,9 kilowați (kW) pentru roboții agricoli utilizați pentru recoltare care utilizează un acumulator de 760 de volți, până la un sistem de 1,2 kW pentru roboții utilizați pentru deplasarea stocurilor din depozite, care utilizează un acumulator de 48 de volți. O caracteristică comună în trei dintre aceste aplicații este o magistrală principală de tensiune relativ înaltă, care distribuie energia în robot, urmată de una sau mai multe secțiuni de reducere a tensiunii, care furnizează energia electrică necesară subsistemelor. Utilizarea unei magistrale de distribuție a energiei electrice de înaltă tensiune are drept rezultat îmbunătățirea randamentului și curenți de distribuție a energiei mai mici, lucru ce permite utilizarea cablurilor de alimentare mai mici, mai ușoare și mai ieftine. A patra aplicație prezintă modul în care se poate simplifica alimentarea cu energie electrică în cazul roboților de dimensiuni mai mici, care utilizează sisteme de baterii de 48 de volți.

Rețeaua de alimentare cu energie electrică (PDN) pentru roboții agricoli utilizați pentru recoltare include o magistrală principală de alimentare de 760 de volți (Figura 1). Aceasta este susținută de o serie de convertoare c.c. - c.c. izolate cu raport fix (nestabilizate) (prezentate ca module BCM în stânga imaginii) cu o tensiune de ieșire de 1/16 din tensiunea de intrare. Aceste convertoare sunt utilizate în paralel, permițând redimensionarea sistemului în funcție de necesitățile proiectului specific.

Diagrama rețelei PDN Vicor pentru roboți agricoli utilizați pentru recoltare de 15,4 kWFigura 1: Această rețea PDN pentru roboții agricoli utilizați pentru recoltare de 15,4 kW include o magistrală de distribuție de 760 de volți, care susține o rețea de convertoare de tensiune mai joasă (DCM, PRM, NBM și de coborâre). (Sursă imagine: Vicor)

Mai departe în rețea, o serie de convertoare cu raport fix (NBM, centru sus) și de coborâre-ridicare regulatoare (PRM, centru) și de coborâre (jos) alimentează traseele de tensiune mai joasă din aval, în funcție de cum este necesar. În acest design, servomotorul este alimentat direct de la magistrala de putere intermediară de 48 de volți, fără nicio conversie c.c. - c.c. suplimentară.

Rețeaua PDN pentru roboții de livrare a produselor în campus și la consumatori prezintă modul în care se poate simplifica alimentarea cu energie electrică în cazul sistemelor de alimentare cu tensiune medie utilizând o tensiune mai joasă a magistralei principale de alimentare (în acest caz, 100 de volți) și adăugând convertoare regulatoare c.c. - c.c. izolate (DCM) pe magistrala principală de distribuție a energiei electrice, pentru a produce tensiunea magistralei intermediare de 48 de volți (Figura 2).

Diagrama rețelei PDN Vicor pentru roboții de livrare a produselor în campus și la consumatoriFigura 2: Rețeaua PDN pentru roboți de livrare a produselor în campus și la consumatori include alimentarea directă a motorului și o magistrală intermediară care să alimenteze restul subsistemelor. (Sursă imagine: Vicor)

Această abordare permite utilizarea convertoarelor c.c. - c.c. de coborâre și de coborâre-ridicare neizolate pentru a alimenta cu energie electrică diferitele subsisteme. În plus, utilizarea unei tensiuni mai joase pentru magistrala principală de alimentare îi permite driverului motorului să se conecteze direct la magistrala principală, în timp ce servomotorul se poate conecta direct la magistrala intermediară de 48 volți. Roboții mai mici de livrare a produselor în campus și la consumatori pot încorpora o tensiune a magistralei intermediare de 24 de volți și servomotoare de 24 sau 48 de volți, însă arhitectura generală este similară.

Rețeaua PDN pentru roboții utilizați în depozit, care utilizează un acumulator de 67 de volți evidențiază utilizarea convertoarelor c.c. - c.c. de coborâre-ridicare neizolate (PRM) pe magistrala principală de alimentare (Figura 3). Aceste convertoare oferă un randament de la 96% la 98% și pot fi utilizate în paralel în cazul unui necesar mai mare de energie. De asemenea, această arhitectură are un convertor c.c. - c.c. cu raport fix, neizolat (NBM), pentru alimentarea GPU-ului, precum și convertoare regulatoare de coborâre neizolate, care alimentează secțiunile logice.

Diagrama rețelei PDN Vicor pentru roboții utilizați în depozitFigura 3: Rețeaua PDN pentru roboții utilizați în depozit combină o magistrală principală de alimentare de 67 de volți și o magistrală intermediară de distribuție a energiei electrice de 48 de volți. (Sursă imagine: Vicor)

Pentru proiectele de roboți mai mici care utilizează o baterie de 48 de volți, nu este necesară generarea unei tensiuni a magistralei intermediare, ceea ce simplifică proiectarea (Figura 4). Sarcinile sunt alimentate direct de la tensiunea bateriei prin conversie directă utilizând diferite convertoare c.c. - c.c. neizolate. Eliminarea magistralei intermediare din grupul motopropulsor crește eficiența sistemului și reduce greutatea și costurile acestuia.

Diagrama rețelei PDN Vicor pentru roboții utilizați în depozitFigura 4: Rețeaua PDN pentru roboții utilizați în depozit care utilizează un acumulator de 48 de volți elimină necesitatea unei magistrale intermediare de alimentare, simplificând foarte mult proiectarea. (Sursă imagine: Vicor)

Considerente privind proiectarea arhitecturii de alimentare distribuită

Așa cum s-a arătat mai sus, proiectanții trebuie să aleagă dintr-o multitudine de opțiuni ale sistemelor de alimentare pentru a optimiza o rețea PDN pe bază de componente pentru aplicațiile robotice. Nu există o abordare „universală” pentru toate sistemele. În general, roboții mai mari beneficiază de tensiuni mai înalte ale bateriei, lucru ce poate rezulta în randamente mai bune de distribuție a energiei electrice și în magistrale de distribuție a energiei electrice mai mici și mai ușoare.

Utilizarea convertoarelor c.c. - c.c. izolate versus neizolate este un considerent important pentru optimizarea randamentului general al sistemului și pentru minimizarea costurilor. Cu cât convertorul c.c. - c.c. este mai aproape de o sarcină de joasă tensiune, cu atât este mai probabil ca alegerea optimă să fie o componentă electrică neizolată, mai ieftină, care să crească randamentul general al rețelei PDN. Atunci când este cazul, și utilizarea convertoarelor c.c. - c.c. cu raport fix (nestabilizate) mai ieftine poate contribui la creșterea randamentului rețelei PDN.

Vicor oferă convertoare c.c. - c.c. capabile să susțină nevoile proiectanților într-o gamă largă de arhitecturi de alimentare distribuită, pe bază de componente, inclusiv cele patru descrise mai sus. Următoarea discuție se concentrează asupra dispozitivelor specifice care pot fi utilizate într-un sistem de livrare a energiei similar celui descris pentru roboții de livrare a produselor în campus și la consumatori, așa cum se arată în Figura 2.

Convertoare c.c. - c.c. pentru sisteme de alimentare pentru roboți

DCM3623TA5N53B4T70 este un exemplu de convertor regulator c.c. - c.c. izolat DCM care poate produce tensiunea necesară magistralei intermediare de 48 de volți, fiind alimentat de la energia unei baterii de 100 de volți (Figura 5). Acest convertor folosește tehnologia de comutare în trecerea prin zero a tensiunii (ZVS) pentru a oferi un randament maxim de 90,7% și o densitate de putere de 653 de wați per inch cubic. Oferă o izolație de 3.000 de volți c.c. între intrare și ieșire.

Imagine a convertorului c.c. - c.c. izolat și regulator DCM3623TA5N53B4T70 VicorFigura 5: Convertorul c.c. - c.c. izolat și regulator DCM3623TA5N53B4T70 poate produce tensiunea necesară magistralei intermediare de 48 de volți, fiind alimentat de la energia unei baterii de 100 de volți. (Sursă imagine: Vicor)

Profitând de avantajele termice și de densitate ale tehnologiei de încapsulare ChiP (Converter-housed-in-Package) de la Vicor, modulul DCM oferă opțiuni flexibile de management termic cu impedanțe termice foarte scăzute în partea de sus și de jos. Componentele electrice pe bază de ChiP le permit proiectanților să obțină în mod rapid și previzibil soluții de sisteme de alimentare rentabile, cu caracteristici legate de dimensiunea, greutatea și eficiența sistemului imposibil de obținut anterior.

Pentru a începe explorarea capabilităților oferite de DCM3623TA5N53B4T70, proiectanții pot utiliza placa de evaluare DCM3623EA5N53B4T70 (Figura 6). Placa de evaluare DCM poate fi configurată pentru diferite scheme de activare și monitorizare a defecțiunilor, precum și pentru a exercita diferite moduri de ajustare în funcție de cerințele aplicației.

Imagine a plăcii de evaluare DCM3623EA5N53B4T70 de la VicorFigura 6: Placa de evaluare DCM3623EA5N53B4T70 le permite proiectanților să exploreze capabilitățile convertorului c.c. - c.c. DCM3623TA5N53B4T70. (Sursă imagine: Vicor)

Placa DCM3623EA5N53B4T70 poate fi utilizată pentru a evalua DCM-urile fie într-o configurație autonomă, fie într-o matrice de module. De asemenea, suportă evaluarea diferitelor opțiuni de activare, ajustare și monitorizare a erorilor:

Opțiuni de activare:

  • Comutator mecanic integrat (implicit)
  • Control extern

Opțiuni de ajustare:

  • Operațiune de ajustare fixă​(implicită): este permisă variația pinului TR la pornirea inițială.DCM-ul dezactivează ajustarea pe ieșire, iar tensiunea de ieșire este setată la valoarea nominală VOUT.
  • Operațiunea de ajustare cu un rezistor variabil integrat: tensiunea pe pinul de ajustare este direct proporțională cu poziția cursorului unui potențiometru conectat în paralel cu un rezistor de pornire din interiorul DCM, conectat la VCC.
  • Operațiunea de ajustare cu un rezistor variabil prin control extern: tensiunea pe pinul de ajustare este controlată prin intermediul unui control de programare extern, pentru care –IN este referința pentru fiecare DCM specific din sistem.

Opțiuni pentru monitorizarea defecțiunilor:

  • LED integrat: pinul FT acționează un LED vizibil pentru un feedback vizual referitor la starea defecțiunii.
  • Optocuplor integrat: pinul FT acționează un optocuplor integrat pentru a transmite starea defecțiunii peste limita de izolare dintre primar și secundar.

Convertorul c.c. - c.c. de coborâre-ridicare PI3740-00 de la Vicor poate fi utilizat pentru a produce o tensiune de 44 de volți și de 24 de volți pentru proiectoarele cu leduri și, respectiv, camerele de înaltă definiție (HD). Este un convertor ZVS cu eficiență ridicată, cu interval larg de intrare și ieșire. Acest sistem încapsulat (SiP) de înaltă densitate integrează un controler, comutatoare de alimentare și componentele auxiliare (Figura 7). Are o eficiență maximă de până la 96%, precum și o eficiență bună la sarcini ușoare.

Imagine a convertorului c.c. - c.c. de coborâre-ridicare SiP PI3740-00 de la VicorFigura 7: Convertorul c.c. - c.c. de coborâre-ridicare SiP PI3740-00 poate fi utilizat pentru a alimenta proiectoare cu leduri și camere HD în PDN pentru roboții de livrare și de livrare a produselor în campus. (Sursă imagine: Vicor)

PI3740-00 necesită un inductor extern, un divizor rezistiv și condensatori minimi pentru a forma un regulator de coborâre-ridicare complet. Frecvența de comutație de 1 megahertz (MHz) reduce dimensiunea componentelor de filtrare externe, îmbunătățește densitatea de putere și permite un răspuns dinamic rapid la linia de alimentare și la sarcinile tranzitorii.

Pentru a începe proiectarea cu PI3740-00, Vicor furnizează placa PI3740-00-EVAL1 pentru evaluarea modulului PI3740-00 în aplicații cu tensiune constantă în care VOUT este peste 8 volți. Placa funcționează cu o tensiune de intrare între 8 și 60 de volți c.c. și acceptă tensiuni de ieșire de până la 50 de volți c.c. Caracteristicile acestei plăci de evaluare includ:

  • Borne de intrare și ieșire pentru conexiunile la sursă și la sarcină
  • Un loc pentru amplasarea unui condensator electrolitic de aluminiu pe intrare
  • Filtrarea sursei de intrare
  • Mufă pentru sonda de osciloscop pentru măsurători exacte, de înaltă frecvență, ale tensiunilor de intrare și ieșire
  • Puncte de testare ale pinilor de semnal și conectorii pentru fire
  • Puncte și prize de testare a tensiunii Kelvin pentru toți pinii PI3740
  • Detectarea curentului pe intrare/ieșire selectabilă prin jumper
  • Tensiune flotantă selectabilă prin jumper

În cele din urmă, regulatorul de coborâre PI3526-00-LGIZ de la Vicor poate fi utilizat pentru a furniza energie de 12 volți pentru un computer și subsisteme wireless din rețeaua PDN (Figura 8). Acest convertor c.c. - c.c. oferă un randament de până la 98% și suport pentru pornire lină și monitorizare, reglabile de către utilizator, care includ capabilități de limitare a variației curentului rapide și lente. Aceste regulatoare ZVS integrează controlerul, comutatoarele pentru alimentare și componentele auxiliare într-o configurație SiP.

Imagine a regulatorului PI3526-00-LGIZ de la VicorFigura 8: Regulatorul de coborâre PI3526-00-LGIZ de la Vicor poate fi utilizat pentru a furniza energia de 12 volți necesară de către un computer și subsisteme wireless din rețeaua PDN pentru roboții de livrare și de livrare a produselor în campus. (Sursă imagine: Vicor)

Placa de evaluare PI3526-00-EVAL1 de la Vicor poate fi configurată în vederea realizării de experimente cu regulatorul de coborâre PI3526-00-LGIZ într-o configurație autonomă sau pentru detectarea de la distanță. Soclurile sunt furnizate pentru a permite sondarea rapidă și amplasarea unui condensator de decuplare de intrare. Placa de evaluare oferă bornele, amprentele pentru conectorii jack banană pentru conexiunile de intrare și ieșire, conectorii de semnal și punctele de testare, precum și conectorii jack Kelvin Johnson pentru efectuarea de măsurători precise a tensiunii nodului de alimentare.

Concluzie

Cerințele de conversie a energiei pentru un sistem robotizat devin mai provocatoare pe măsură ce sarcinile de încărcare, recunoașterea vizuală și funcționalitatea pentru utilizator cresc complexitatea roboților. Soluțiile de alimentare existente pot suferi limitări ale performanței în ceea ce privește dimensiunea, randamentul, greutatea și redimensionarea, ceea ce le face mai puțin adecvate pentru aplicațiile robotice. Pentru aplicațiile robotice, proiectanții pot apela la arhitecturi de alimentare distribuită, pe bază de componente, pentru a alimenta motoarele, procesoarele și alte sisteme.

După cum s-a arătat, această abordare poate avea drept rezultat un sistem de alimentare cu energie mai ușor, care să permită creșteri suplimentare ale performanței sistemelor robotizate alimentate de la baterii. Este îmbunătățită și flexibilitatea, căci componentele de conversie a energiei pot fi scalate cu ușurință în paralel, odată cu creșterea cerințelor de energie, permițând implementarea aceleiași arhitecturi de alimentare pe o platformă cu sisteme robotizate de diferite dimensiuni.

Lectură recomandată

  1. Reducerea riscurilor în domeniul roboticii: Cum se proiectează un mediu industrial sigur
  2. Utilizarea roboților industriali compacți pentru creșterea productivității oricărui magazin

Disclaimer: The opinions, beliefs, and viewpoints expressed by the various authors and/or forum participants on this website do not necessarily reflect the opinions, beliefs, and viewpoints of Digi-Key Electronics or official policies of Digi-Key Electronics.

About this author

Jeff Shepard

Jeff has been writing about power electronics, electronic components, and other technology topics for over 30 years. He started writing about power electronics as a Senior Editor at EETimes. He subsequently founded Powertechniques, a power electronics design magazine, and later founded Darnell Group, a global power electronics research and publishing firm. Among its activities, Darnell Group published PowerPulse.net, which provided daily news for the global power electronics engineering community. He is the author of a switch-mode power supply text book, titled “Power Supplies,” published by the Reston division of Prentice Hall.

Jeff also co-founded Jeta Power Systems, a maker of high-wattage switching power supplies, which was acquired by Computer Products. Jeff is also an inventor, having his name is on 17 U.S. patents in the fields of thermal energy harvesting and optical metamaterials and is an industry source and frequent speaker on global trends in power electronics. He has a Masters Degree in Quantitative Methods and Mathematics from the University of California.

About this publisher

Digi-Key's North American Editors