SEK | EUR | USD

Varför och hur man använder en komponentbaserad distribuerad effektarkitektur inom robotik

Av Jeff Shepard

Bidraget med av Digi-Keys nordamerikanska redaktörer

Användningen av batteridrivna robotar växer inom områden som fabriksautomation, jordbruk, leveranser till campus och konsumenter, samt lagerverksamhet. För maximal driftstid mellan laddningarna, har konstruktörerna av dessa batterisystem alltid behövt vara noga med både effektomvandlingseffektivitet och storlek och vikt.

Dessa problem har dock blivit mer kritiska eftersom lastkapaciteten fortsätter att öka och avkännings- och säkerhetsfunktioner som syn, avståndsmätning, närhet, läge, m.fl. lägger till komplexitet och vikt i konstruktionen. Samtidigt förbrukar den extra elektronikbehandlingen som krävs också mer effekt.

För att maximera batteriets livslängd med dessa ytterligare utmaningar kan konstruktörer använda sig av en komponentbaserad distribuerad effektmatningsarkitektur för att driva motorer, processorer och andra delsystem. Med en sådan metodik kan varje enskild DC/DC-effektomvandlingskomponent placeras vid lastpunkten (PoL) och optimeras för hög verkningsgrad, liten storlek (hög effekttäthet) och hög totalprestanda. Denna metodik kan resultera i ett lättare övergripande effektsystem, vilket möjliggör ytterligare prestandavinster för batteridrivna robotsystem. Flexibiliteten blir också bättre eftersom effektomvandlingskomponenter kan parallelliseras för att enkelt skalas upp när roboteffektkraven ökar, och de tillåter också att samma effektarkitektur kan distribueras på en plattform med olika robotsystem.

Denna artikel beskriver kort effektbehovet för flera robotapplikationer inklusive åkerskörd, campus- och konsumentleveranser, samt lagerinventering. Sedan går den igenom fördelarna med att använda en komponentbaserad distribuerad effektmatningsarkitektur och därefter introduceras exempel på DC/DC-omvandlarlösningar från Vicor, tillsammans med utvärderingskort och tillhörande mjukvara som hjälper konstruktörer att komma igång.

Effektkrav för robotar

Effektkraven för specifika typer av robotar bestäms av tillämpningen:

  • Skörderobotar: Plantering, beskärning och skörd av växter (frukt, grönsaker, spannmål) med hjälp av automatisk fordonsstyrning tillsammans med visuell igenkänning och flera miljö- och jordanalyssensorer. Dessa stora robotfordon drivs vanligtvis med DC-högspänning på 400 volt eller högre.
  • Leveransrobotar: Last-mile-leveranser till konsument eller campus av olika varor. Nyttolasten för dessa robotar varierar till storlek och vikt, och robotarna drivs vanligtvis med 48 till 100 volts batterier och måste klara längre körtid än lagerrobotar som flyttar runt varor.
  • Varuförflyttningsrobotar: Sköter lagerhantering och orderplockningsuppgifter i stora lageranläggningar. Denna robotklass drivs vanligtvis med en 24 till 72 volts batterikälla med möjlighet till laddning efter behov.

Komponentbaserad distribuerad effektarkitektur för robotik

Detta avsnitt går igenom fyra exempel på komponentbaserade, distribuerade effektarkitekturer för robotar, från ett 15,9 kW system för skörderobotar med ett 760 volts batteripaket, ner till ett 1,2 kW-system för lagerförflyttningsrobotar med ett 48 volts batteripaket. Ett vanligt inslag i tre av dessa applikationer är en huvudbuss med relativt hög spänning som distribuerar effekten i roboten, följt av en eller flera nedomvandlingssektioner som matar önskad effekt till delsystemen. En distributionsbuss för högspänning resulterar i högre verkningsgrad och lägre drivströmmar, vilket möjliggör användning av mindre, lättare och billigare effektkablar. Den fjärde tillämpningen visar förenklingen som kan ge mindre robotar som använder batterisystem med 48 volt.

Effektmatningsnät (PDN) för skörderobotar består av en 760 volts huvudbuss (figur 1). Detta stöds av en serie av oreglerade (med fast kvot) isolerade DC/DC-omvandlare (visas som BCM-moduler till vänster) med en utspänning på 1/16 av ingångsspänningen. Dessa omvandlare används parallellt, vilket gör det möjligt att ändra storlek på systemet i enlighet med behoven hos den specifika konstruktionen.

Diagram över Vicors effektmatningsnät för 15,4 kW skörderobotar Figur 1: Detta effektmatningsnät för 15,4 kW skörderobotar består av en 760 volts distributionsbuss som stöder ett nätverk av omvandlare för lägre spänningar (av DCM-, PRM-, NBM- och buck-typ). (Bildkälla: Vicor)

Längre in i nätet driver en serie fastkvotsomvandlare (NBM, övre mitten) och reglerade buck-boost-omvandlare (PRM, mitten) och buck-omvandlare (undre) lägre spänningsnivåer nedströms efter behov. I denna konstruktion drivs servot direkt från den mellanliggande kraftbussen på 48 volt utan ytterligare DC/DC-omvandling.

Effektmatningsnätet för campus- och konsumentleveransrobotar visar förenklingen som kan uppnås i medelstora system genom att använda en lägre huvudbusspänning (i detta fall 100 volt) och lägga till reglering av de isolerade DC/DC-omvandlarna (DCM) på huvuddistributionsbussen för att producera mellanbusspänningen på 48 volt (figur 2).

Diagram över Vicors effektmatningsnät för campus- och konsumentleveransrobotar Figur 2: Effektmatningsnät för campus- och konsumentleveransrobotar inkluderar direktdrift för motorn och en mellanbuss för att driva de återstående delsystemen. (Bildkälla: Vicor)

Detta tillvägagångssätt möjliggör användning av icke-isolerade buck-boost- och DC/DC-buckomvandlare för att driva de olika delsystemen. Dessutom möjliggör användning av en lägre spänning för huvudeffektbussen att motordrivningen kan anslutas direkt till huvudbussen, medan servon kan anslutas direkt till mellanbussen på 48 volt. Mindre campus- och konsumentleveransrobotar kan innehålla en 24 volt mellanbusspänning och antingen 24 eller 48 volts servon, men den övergripande arkitekturen är likartad.

Effektmatningsnätet för lagerrobotar som använder ett 67 volts batteripaket visar användning av icke-isolerade DC/DC-omvandlare (PRM) på huvudströmbussen (figur 3). Dessa omvandlare ger en verkningsgrad på 96 till 98 % och kan parallelliseras för högre effektbehov. Denna arkitektur har också en icke-isolerad DC/DC-omvandlare (NBM) med fast förhållande för att driva grafikprocessorn, och oisolerade reglerade buck-omvandlare som driver logikdelarna.

Diagram över Vicors effektmatningsnät för lagerrobotarFigur 3: Effektmatningsnätet för lagerrobotar kombinerar en 67 volts huvudbuss och en 48 volts mellandistributionsbuss. (Bildkälla: Vicor)

För mindre robotkonstruktioner som använder ett 48 volts batteri finns inget behov av att generera en mellanbusspänning, vilket förenklar konstruktionen (figur 4). Lasten drivs direkt från batterispänningen genom direkt omvandling med olika icke-isolerade DC/DC-omvandlare. Elimineringen av mellanbussen i effektbanan ökar systemeffektiviteten och minskar effektsystemets vikt och kostnad.

Diagram över Vicors effektmatningsnät för lagerrobotar Figur 4: Effektmatningsnätet för lagerrobotar som använder ett 48 volts batteripaket eliminerar behovet av en mellanliggande effektbuss, vilket förenklar konstruktionen. (Bildkälla: Vicor)

Konstruktionsöverväganden för distribuerad effektarkitektur

Som visas ovan måste konstruktörer fatta ett antal beslut kring energisystem för att optimera ett komponentbaserat effektmatningsnät för robotar. Det finns ingen "one size fits all"-metod. I allmänhet har större robotar nytta av högre batterispänningar, vilket kan leda till högre distributionsverkningsgrad och mindre, lättare effektdistributionsbussar.

Användning av isolerade kontra icke-isolerade DC/DC-omvandlare är en viktig faktor när man optimerar den totala systemeffektiviteten och minimerar kostnaderna. Ju närmare DC/DC-omvandlaren ligger en lågspänningsbelastning, desto mer sannolikt är det att det optimala valet kommer att vara en billigare, icke-isolerad effektkomponent, vilket ökar effektmatningsnätets totala verkningsgrad. När det är lämpligt kan användning av billiga DC/DC-omvandlare med fast omvandlingsförhållande (oreglerade) också bidra till högre verkningsgrad för effektmatningsnätet.

Vicor erbjuder DC/DC-omvandlare som stödjer konstruktörers behov med ett brett spektrum av komponentbaserade, distribuerade effektmatningsarkitekturer, inklusive de fyra som beskrivs ovan. Följande diskussion fokuserar på specifika produkter som kan användas i ett effektmatningssystem som liknar det som beskrivs för campus- och konsumentleveransrobotar, som visas i figur 2.

DC/DC-omvandlare för effektsystem till robotar

DCM3623TA5N53B4T70 är ett exempel på en DCM-isolerad och reglerad DC/DC-omvandlare som kan producera mellanbusspänningen på 48 volt, från 100 volt batteriström (figur 5). Denna omvandlare använder ZVS-teknik (zero voltage switching) för att leverera en toppverkningsgrad på 90,7 % och en effekttäthet på ca. 40 watt per kubikcentimeter. Det ger 3 000 volt DC-isolering mellan ingång och utgång.

Bild på Vicor isolerade och reglerade DC/DC-omvandlare DCM3623TA5N53B4T70 Bild 5: Den isolerade och reglerade DC/DC-omvandlaren DCM3623TA5N53B4T70 kan producera mellanbusspänningen på 48 volt från en batterispänning på 100 volt. (Bildkälla: Vicor)

DCM-modulen utnyttjar de termiska och täthetsmässiga fördelarna med Vicors kapslingsteknologi Converter-housed-in-package (ChiP) och erbjuder flexibla värmehanteringsalternativ med mycket låga värmeimpedanser för topp- och bottendel. ChiP-baserade effektkomponenter gör det möjligt för konstruktörer att snabbt och förutsägbart skapa kostnadseffektiva effektsystemlösningar med tidigare ouppnåelig systemstorlek, vikt och verkningsgrad.

För att börja utforska funktionerna i DCM3623TA5N53B4T70 kan konstruktörer använda utvärderingskortet DCM3623EA5N53B4T70 (figur 6). DCM-utvärderingskortet kan konfigureras för olika aktiverings- och felövervakningsscheman eller för att utföra olika slags trimningar beroende på tillämpningskraven.

Bild på Vicors utvärderingskort DCM3623EA5N53B4T70 Figur 6: Utvärderingskortet DCM3623EA5N53B4T70 gör det möjligt för konstruktörer att utforska DC/DC-omvandlarens DCM3623TA5N53B4T70 funktioner. (Bildkälla: Vicor)

DCM3623EA5N53B4T70 kan användas för att utvärdera DCM i antingen fristående konfiguration eller som en array av moduler. Den stöder också utvärdering av flera alternativ för aktivering, trimning och felövervakning:

Aktiveringsalternativ:

  • Inbyggd mekanisk brytare (standard)
  • Extern styrning

Trimalternativ:

  • Fast trimning (standard): TR-stiftet tillåts flyta vid första uppstarten.DCM inaktiverar utgångstrimning och utgångstrimningen programmeras till nominellt Vout.
  • Variabel trimfunktion, kortmonterat variabelt motstånd: trimpinnesspänningen är ratiometrisk, med en reostat som arbetar mot ett pull-up-motstånd inuti DCM:n till Vcc.
  • Variabel trimfunktion och styrning utanför kortet: Trimspänningen styrs med extern programmering, som referenssätts till –IN för varje specifik DCM i systemet.

Alternativ för felövervakning:

  • Inbyggd lysdiod: FT-pinnen driver en synlig lysdiod för visuell återkoppling av felstatus.
  • Inbyggd optokopplare: FT-pinnen driver en inbyggd optokopplare för att överföra felstatus över den primära-sekundära isolationsgränsen.

Vicors buck-boost DC/DC-omvandlare PI3740-00 kan användas för att producera 44 volt och 24 volt effektmatning för LED-strålkastare respektive HD-kameror. Det är en ZVS-omvandlare med hög verkningsgrad och stort ingångs- och utgångsomfång. Detta starkt integrerade system-in-package (SiP) inbegriper styrenhet, strömbrytare och stödkomponenter (figur 7). Den har en toppverkningsgrad på upp till 96 % och dessutom hög lättlastverkningsgrad.

Bild på Vicors buck-boost-omvandlare PI3740-00 (DC/DC) i SiP-format Figur 7: buck-boost-omvandlaren (DC/DC) PI3740-00 i SiP-format kan användas för att driva LED-strålkastare och HD-kameror i effektmatningsnätet för campus- och leveransrobotar. (Bildkälla: Vicor)

PI3740-00 kräver en extern induktor, resistiv spänningsdelare och minimalt med kondensatorer för att bilda en komplett buck-boost-regulator. Kopplingsfrekvensen på 1 megahertz (MHz) minskar storleken på de externa filtreringskomponenterna, förbättrar effekttätheten och möjliggör snabb dynamisk respons på matnings- och lasttransienter.

För att snabbt komma igång med att konstruera med PI3740-00, erbjuder Vicor PI3740-00-EVAL1 för att utvärdera PI3740-00 i tillämpningar med konstantspänning där VOUT är över 8 volt. Kortet arbetar med en ingångsspänning på 8 till 60 VDC och stödjer utspänningar upp till 50 VDC. Egenskaper för detta utvärderingskort:

  • Ingångs- och utgångsplintar för matnings- och lastanslutningar
  • Plats för att montera en hålmonterad elektrolytkondensator i aluminium
  • Filter på mataringång
  • Oscilloskopprobuttag för exakta, högfrekventa mätningar av ut- och ingångsspänning
  • Testpunkter för signalpinnar och ledningsplintar
  • Kelvin-spänningstestpunkter och uttag för alla PI3740-pinnar
  • Valbar strömavkänning för låg-/högsida med bygel
  • Valbar flottörspänning med bygling

Slutligen kan buck-regulatorn PI3526-00-LGIZ från Vicor användas för att ge 12 V-matning till en dator och trådlösa delsystem i effektmatningsnätet (figur 8). Denna DC/DC-omvandlare ger en verkningsgrad upp till 98 %, har stöd för användarjusterbar mjukstart och spårning som inkluderar snabba och långsamma strömbegränsarfunktioner. Dessa ZVS-regulatorer inbegriper styrenhet, matningsströmbrytare och stödkomponenter i en SiP-konfiguration.

Bild på buckregulatorn PI3526-00-LGIZ från Vicor Figur 8: buckregulatorn PI3526-00-LGIZ från Vicor kan användas för att mata de 12 volt som behövs av datorer och trådlösa delsystem i effektmatningsnätet för campus- och leveransrobotar. (Bildkälla: Vicor)

Utvärderingskortet PI3526-00-EVAL1 från Vicor kan konfigureras för experiment med buck-regulatorn PI3526-00-LGIZ i en fristående eller fjärravkännande konfiguration. Mätuttag finns för att möjliggöra snabb probemätning och placering av en bulkingångskondensator. Utvärderingskortet erbjuder anslutningstungor, mönster i bottenskiktet för banankontakter för in- och utgångsanslutningar, signalanslutningar och testpunkter samt Kelvin Johnson-uttag för noggranna spänningsmätningar på effektnoder.

Slutsats

Behoven av effektomvandling i robotsystem blir mer utmanande eftersom lastkapacitet, visuell igenkänning och användarfunktionalitet ökar komplexiteten hos robotar. Befintliga effektlösningar kan drabbas av prestandabegränsningar när det gäller storlek, effektivitet, vikt och skalbarhet, vilket gör dem mindre lämpliga för robottillämpningar. För robotiktillämpningar kan konstruktörer använda sig av komponentbaserade distribuerade effektmatningsarkitekturer för att driva motorer, processorer och andra system.

Såsom visats kan denna princip resultera i kraftsystem med lägre vikt, vilket möjliggör ytterligare prestandavinster för batteridrivna robotar. Flexibiliteten förbättras också eftersom kraftomvandlingskomponenter kan parallelliseras för att enkelt skalas upp när kraftbehovet ökar, vilket gör att samma kraftarkitektur kan distribueras över en plattform för flera robotsystem av olika storlek.

Rekommenderad läsning

  1. Minska robotrisken: Hur man utformar en säker industriell miljö
  2. Använd kompakta industrirobotar för att göra verkstäder mer produktiva

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.

Om skribenten

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.

Om utgivaren

Digi-Keys nordamerikanska redaktörer