Proč a jak v robotice využívat architekturu distribuovaného napájení založeného na součástkách

V aplikacích, jako je automatizace v továrnách, zemědělství, dodávání v areálech a zákazníkům a správa skladových zásob neustále roste využívání robotů napájených bateriemi. Návrháři těchto bateriových systémů se musejí neustále zaměřovat na účinnost převodu energie stejně jako na velikost a hmotnost, aby docílili co nejdelší doby provozu mezi jednotlivými nabíjeními.

Tyto faktory jsou nyní ještě kritičtější, protože neustále stoupá i nosnost a snímací a bezpečnostní funkce, jako je mimo jiné vidění, rozsah, přiblížení nebo poloha, zvyšují složitost návrhu i fyzickou hmotnost. Další elektronické zpracovávání zároveň vyžaduje také vyšší spotřebu energie.

Chtějí-li konstruktéři při napájení motorů, CPU a dalších subsystémů maximalizovat výdrž baterie a čelí přitom těmto dalším výzvám, mohou přejít k architektuře distribuovaného dodávání napájení založeného na součástkách. Při tomto přístupu lze každou jednotlivou součástku převodu energie DC-DC umístit do místa zátěže (PoL), a optimalizovat ji k dosažení vysoké účinnosti, malé velikosti (vysoké výkonové hustoty) a celkového výkonu. Výsledkem tak může být celkově lehčí napájecí systém, který umožní další zisky výkonu v robotických systémech napájených bateriemi. Lepší je i flexibilita, protože součástky převodu energie mohou být zapojeny paralelně, aby se mohly snadno s rostoucími požadavky robotiky škálovat. Je také možné, aby se jedna a tatáž architektura napájení nasadila v platformě robotických systémů různých velikostí.

V tomto článku je uveden stručný přehled napájecích potřeb několika aplikací robotiky, včetně sklízení v zemědělství, dodávání v areálech a zákazníkům a přesun skladových zásob. Poté budou posouzeny výhody používání architektury distribuovaného dodávání napájení založeného na součástkách a představeny příklady řešení DC-DC převodníku od společnosti Vicor spolu s vyhodnocovacími deskami a souvisejícím softwarem, které návrhářům pomohou začít.

Napájecí požadavky pro roboty

Napájecí požadavky konkrétních typů robotů závisí na jejich aplikaci:

• Roboti pro automatizovanou sklizeň v zemědělství: Slouží k setí a sázení, pěstování a sklízení produkce (ovoce, zeleniny a zrn) pomocí automatizovaného navádění vozidel pomocí vizuálního rozpoznávání a několika senzorů analýzy prostředí a půdy. Tato velká robotická vozidla jsou obvykle napájena vysokonapěťovým zdrojem stejnosměrného napětí 400 V a více.
• Roboti pro dodávání: Jedná se o dodávání různých položek na posledním úseku distribuce v areálech a zákazníkům. Přestože se možné zatížení liší jak velikostí, tak hmotností, jsou tito roboti obvykle napájeni 48- až 100V bateriemi. Požadavky na jejich dobu provozu jsou vyšší než u robotů pro přesun skladových zásob.
• Roboti pro přesun skladových zásob: Poskytují v prostředí velkých skladů správu zásob a plní různé vychystávací úlohy. Tato třída robotů je obvykle napájena 24- až 72V bateriovými zdroji s příležitostným nabíjením prováděným podle potřeby.

Architektura distribuovaného napájení založeného na součástkách pro robotiku

V této části se podíváme na čtyři příklady architektur distribuovaného napájení založeného na součástkách pro roboty v rozsahu od 15,9kW systému v robotech pro sklizeň v zemědělství se 760V bateriovým blokem až po 1,2kW systém v robotech pro přesun skladových zásob využívajících 48V bateriový blok. Ve třech z těchto aplikací je běžnou funkcí hlavní sběrnice s relativně vysokým napětím, která distribuuje napájení po celém robotu a která je následována jedním nebo více úseky s nižším napětím, které dodávají potřebné napájení do subsystémů. Vysokonapěťová sběrnice distribuce napájení vede k vyšší účinnosti a nižším proudům distribuce napájení, což umožňuje použít menší, lehčí a cenově příznivější napájecí kabely. Čtvrtá aplikace demonstruje zjednodušení, které může vést k menším robotům využívajícím 48V bateriové systémy.

Síť dodávky napájení (PDN) pro roboty pro sklizeň v zemědělství zahrnuje 760V hlavní napájecí sběrnici (obrázek 1). Je podporována řadou izolovaných DC-DC převodníků (zobrazených jako moduly BCM vlevo) s pevným poměrem (neregulovaným) s výstupním napětím v hodnotě 1/16 vstupního napětí. Tyto převodníky se používají v paralelním zapojením, což umožňuje změnu velikosti systému podle potřeb konkrétního návrhu.

Obrázek 1: Tato síť PDN pro 15,4kW roboty pro sklizeň v zemědělství zahrnuje 760V distribuční sběrnici podporující síť převodníků s nižším napětím (DCM, PRM, NBM a snižovače napětí). (Zdroj obrázku: společnost Vicor)

Dále se v síti nachází řada převodníků s pevným poměrem (NBM, nahoře uprostřed), snižující/zvyšující regulátory (PRM, uprostřed) a snižovače napětí (dole), které rozvádějí napájení dál podle potřeby do vedení s nižším napětím. V tomto návrhu je servo poháněno přímo ze 48V přechodné napájecí sběrnice bez dalšího DC-DC převodu.

PDN pro roboty pro dodávání v areálech a zákazníkům ukazuje, jakého zjednodušení lze dosáhnout ve středně velkých napájecích systémech nasazením nižšího napětí hlavní napájecí sběrnice (v tomto případě 100 V) a přidáním regulace do izolovaných DC-DC převodníků (DCM) v hlavní sběrnici distribuce napájení k vytvoření 48V napětí prostřední sběrnice (obrázek 2).

Obrázek 2: PDN pro roboty pro dodávání v areálech a zákazníkům zahrnuje přímý pohon pro motor a prostřední sběrnici k napájení zbývajících subsystémů. (Zdroj obrázku: společnost Vicor)

Tento přístup umožňuje použít k napájení různých subsystémů neizolované snižující/zvyšující regulátory a DC-DC snižovače napětí. Použití nižšího napětí pro hlavní napájecí sběrnici navíc umožňuje, aby se pohon motoru připojil přímo na hlavní sběrnici, zatímco servo se může připojit přímo ke 48V prostřední sběrnici. Menší roboti pro dodávání v areálech a zákazníkům mohou zahrnovat 24V napětí prostřední sběrnice a buď 24V, nebo 48V servo, ale celková architektura je podobná.

PDN pro skladové roboty využívající 67V bateriový blok poukazuje na použití snižujících/zvyšujících DC-DC regulátorů (PRM) na hlavní napájecí sběrnici (obrázek 3). Tyto převodníky dosahují účinnosti 96 až 98 % a lze je zapojit paralelně ke splnění potřeb na vyšší napájení. Tato architektura je vybavena také neizolovaným DC-DC převodníkem s pevným poměrem (NBM), který napájí GPU, a neizolovaným regulovaným snižovačem napětí, který napájí logické sekce.

Obrázek 3: PDN pro skladové roboty kombinuje 67V hlavní napájecí sběrnici a 48V prostřední sběrnici distribuce napájení. (Zdroj obrázku: společnost Vicor)

U návrhů menších robotů využívajících 48V baterii není třeba generovat napětí prostřední sběrnice, což návrh zjednodušuje (obrázek 4). Zátěž je napájena přímo z bateriového napětí přímým převodem pomocí různých neizolovaných DC-DC převodníků. Eliminací prostřední sběrnice v hnacím ústrojí se zvyšuje účinnost systému a snižuje hmotnost a cena napájecího systému.

Obrázek 4: PDN pro skladové roboty využívající 48V bateriový blok eliminuje potřebu prostřední napájecí sběrnice, což výrazně zjednodušuje návrh. (Zdroj obrázku: společnost Vicor)

Co brát v úvahu při návrhu architektury distribuovaného napájení

Jak je ukázáno výše, musí návrháři učinit mnoho rozhodnutí ohledně napájecího systému, aby pro robotiku optimalizovali PDN založenou na součástkách. Neexistuje jeden přístup, který by byl vhodný pro všechna řešení. Obecně jsou pro větší roboty výhodnější vyšší napětí baterií, což může vést k vyšším účinnostem distribuce napájení a menším a lehčím sběrnicím distribuce napájení.

Při optimalizaci celkové účinnosti systému a minimalizaci nákladů je důležitým faktorem ke zvážení použití izolovaných DC-DC převodníků v porovnání s neizolovanými. Čím blíže je DC-DC převodník k nízkonapěťové zátěži, tím pravděpodobnější je, že optimální volbou bude cenově příznivější neizolovaná napájecí součástka. Celková účinnost sítě PDN bude vyšší. V určitých případech může k vyšší účinnosti PDN přispět také použití cenově příznivějších DC-DC převodníků s pevným poměrem (neregulovaných).

Společnost Vicor nabízí DC-DC převodníky, které jsou schopné splnit potřeby návrhářů v širokém rozsahu architektur distribuovaného dodávání napájení založeného na součástkách, včetně čtyř uvedených výše. V následující diskuzi se zaměříme na konkrétní zařízení, která lze použít v systému dodávání napájení podobnému tomu, který je popsán pro roboty pro dodávání v areálech a zákazníkům na obrázku 2.

DC-DC převodníky pro napájecí systémy robotů

Příkladem izolovaného a regulovaného DC-DC převodníku DCM je model DCM3623TA5N53B4T70, který dokáže ze 100V bateriového napájení produkovat 48V napětí prostřední sběrnice (obrázek 5). Tento převodník používá k dosažení 90,7% špičkové účinnosti a výkonové hustoty 653 W na kubický palec technologii přepínání nulového napětí (ZVS). Mezi vstupem a výstupem zajišťuje izolaci 3 000 V DC.

Obrázek 5: Izolovaný a regulovaný DC-DC převodník DCM3623TA5N53B4T70 dokáže ze 100V bateriového napětí produkovat napětí 48 V prostřední sběrnice. (Zdroj obrázku: společnost Vicor)

Díky výhodám ohledně tepla a hustoty technologie balení Converter-housed-in-Package (ChiP) společnosti Vicor nabízí modul DCM flexibilní možnosti regulace tepla s velmi nízkými tepelnými odpory na horní a spodní straně. Napájecí součástky ChiP umožňují konstruktérům rychle a předvídatelně dosáhnout cenově příznivých řešení napájecích systémů s dříve nedosažitelnými atributy velikosti, hmotnosti a účinnosti.

Chtějí-li návrháři začít objevovat možnosti převodníku DCM3623TA5N53B4T70, mohou využít vyhodnocovací desku DCM3623EA5N53B4T70 (obrázek 6). Vyhodnocovací desku DCM lze nakonfigurovat pro různá aktivační schémata a schémata monitorování závad, stejně jako k vyzkoušení různých režimů seřízení podle požadavků aplikace.

Obrázek 6: Vyhodnocovací deska DCM3623EA5N53B4T70 umožňuje návrhářům prozkoumávat funkce DC-DC převodníku DCM3623TA5N53B4T70. (Zdroj obrázku: společnost Vicor)

Desku DCM3623EA5N53B4T70 lze použít k vyhodnocení DCM v jak samostatné konfiguraci, tak v poli modulů. Podporuje také vyhodnocení různých možností aktivace, seřízení a monitorování závad:

Možnosti aktivace:

• Vestavěný mechanický spínač (výchozí)
• Externí řízení

Možnosti seřízení:

• Provoz s pevným seřízením (výchozí): Pin TR může být při prvním spuštění plovoucí.DCM deaktivuje seřízení výstupu a výstupní seřízení je naprogramováno na jmenovitý VOUT.
• Provoz s variabilním seřízením, vestavěný variabilní rezistor: Napětí seřizovacího pinu je ratiometrické s reostatem fungujícím s pull-up rezistorem uvnitř DCM na VCC.
• Provoz s variabilním seřízením, ovládání mimo desku: Napětí seřizovacího pinu se reguluje pomocí externího programovacího ovládání, které je vztaženo na vstup –IN jednotlivých konkrétních DCM v systému.

Možnosti monitorování závad:

• Vestavěná dioda LED: Pin FT ovládá viditelnou diodu LED, a poskytuje tak vizuální zpětnou vazbu o stavu závady.
• Vestavěný sdružovač: Pin FT ovládá vestavěný sdružovač k předání stavu závady napříč hranicemi primární-sekundární izolace.

Snižující/zvyšující DC-DC převodník PI3740-00 společnosti Vicor lze použít k produkování 44V, resp. 24V napájení pro kamery s LED reflektory, resp. kamery s vysokým rozlišením (HD). Jedná se o vysoce účinný převodník ZVS s širokým rozsahem vstupů a výstupů. Tento modul SIP (system-in-package) s vysokou hustotou integruje řídicí jednotku, vypínače a podporuje součástky (obrázek 7). Dosahuje špičkové účinnosti až 96 % a dobré účinnosti s lehkou zátěží.

Obrázek 7: Snižující/zvyšující DC-DC převodník SiP PI3740-00 lze použít k napájení kamer s LED reflektory a HD kamer v PDN pro roboty v areálech a roboty pro dodávání. (Zdroj obrázku: společnost Vicor)

Převodník PI3740-00 vyžaduje k vytvoření kompletního snižujícího/zvyšujícího regulátoru externí induktor, resistivní dělič a minimální kondenzátory. Frekvence spínání 1 MHz snižuje velikost součástek externího filtrování, zlepšuje výkonovou hustotu a umožňuje rychlou dynamickou odpověď na přechody vedení a zátěže.

Chcete-li začít navrhovat s převodníkem PI3740-00, poskytuje společnost Vicor desku PI3740-00-EVAL1 k vyhodnocení PI3740-00 v aplikacích s konstantním napětím, kde V_OUT je vyšší než 8 V. Deska funguje se vstupním napětím mezi 8 a 60 V DC a podporuje výstupní napětí až 50 V DC. Mezi vlastnosti této vyhodnocovací desky patří:

• Vstupní a výstupní kolíky pro zdroj a připojení zátěže
• Místo k umístění hliníkového elektrolytického kondenzátoru s průchozím vstupem
• Filtr zdroje vstupu
• Zásuvka osciloskopické sondy pro přesná měření vysokofrekvenčního výstupního a vstupního napětí
• Testovací body signálních pinů a konektory kabelu
• Napěťové testovací body a zásuvky Kelvin pro všechny piny převodníku PI3740
• Snímání proudu high-side/low-side s volitelnou propojkou
• Plovoucí napětí s volitelnou propojkou

Konečně lze k poskytování 12V napájení pro počítačové a bezdrátové subsystémy v PDN (obrázek 8) použít snižující regulátor PI3526-00-LGIZ od společnosti Vicor. Tento DC-DC převodník poskytuje účinnost až 98 % a podporuje měkký start nastavitelný uživatelem a sledování, které zahrnuje funkce rychlého a pomalého omezení proudu. Tyto regulátory ZVS integrují v konfiguraci SiP řídicí jednotku, vypínače a podpůrné součástky.

Obrázek 8: Snižující regulátor PI3526-00-LGIZ od společnosti Vicor lze použít k poskytování 12V napájení vyžadovaného počítačovými nebo bezdrátovými subsystémy v PDN pro roboty v areálech a pro dodávání. (Zdroj obrázku: společnost Vicor)

Vyhodnocovací desku PI3526-00-EVAL1 od společnosti Vicor lze nakonfigurovat k experimentování se snižujícím regulátorem PI3526-00-LGIZ v samostatné konfiguraci nebo konfiguraci vzdáleného snímání. K rychlé sondáži a umístění kondenzátoru s mnoha vstupy jsou poskytnuty zásuvky. Tato vyhodnocovací deska nabízí kolíky, provedení banánového konektoru jack spodní vrstvy, signální konektory a testovací body a konektory jack Kelvin Johnson pro přesná měření napětí v napájecích uzlech.

Závěr

S tím, jak neustále roste zátěž, vylepšuje se vizuální rozpoznávání a uživatelské funkce zvyšují komplexitu robotů, jsou stále větší výzvou i potřeby převodu energie v robotických systémech. Stávající řešení napájení mohou trpět omezením výkonu kvůli velikosti, účinnosti, hmotnosti a škálovatelnosti. Díky těmto faktorům jsou pro aplikace robotiky méně vhodná. Návrháři mohou pro aplikace robotiky přejít k architekturám distribuovaného dodávání napájení založeného na součástkách, a pohánět motory, CPU a jiné systémy.

Jak jsme si ukázali, může být výsledkem napájecí systém s nižší hmotností, který umožní další zisky výkonu v robotických systémech napájených bateriemi. Lepší je i flexibilita, protože součástky převodu energie mohou být zapojeny paralelně, aby se mohly snadno s rostoucími požadavky na napájení škálovat. Je také možné, aby se jedna a tatáž architektura napájení nasadila v platformě robotických systémů různých velikostí.

Doporučeno k přečtení:

1. Snižování rizik spojených s roboty: jak navrhnout bezpečné průmyslové prostředí
2. Používání kompaktních průmyslových robotů k zajištění lepší produktivity jakéhokoli obchodu