Hvorfor og hvordan man bruger en komponentbaseret distribueret strømarkitektur til robotteknologi

Brugen af batteridrevne robotter vokser på tværs af applikationer som fabriksautomation, landbrug, campus- og forbrugerlevering og lagerstyringer. For maksimal driftstid mellem opladninger har designere af disse batterisystemer altid været nød til at tage hensyn til effektiviteten af strømkonvertering samt størrelse og vægt.

Dette er imidlertid blevet mere kritiske, da belastningskapaciteten fortsætter med at øges, og sensing- og sikkerhedsfunktioner såsom syn, rækkevidde, nærhed, placering blandt andet tilføjer kompleksitet til design og fysisk vægt. Samtidig forbruger den ekstra elektroniske behandling også mere strøm.

For at maksimere batteriets levetid i lyset af disse yderligere udfordringer kan designere vælge at bruge et komponentbaseret distribueret strømforsyningsarkitektur for at drive motorer, CPU'er og andre undersystemer. I en sådan tilgang kan hver enkelt komponent til DC/DC-strømkonvertering placeres ved belastningspunktet (PoL) og optimeres til høj effektivitet, lille størrelse (høj effekttæthed) og samlet ydeevne. Denne tilgang kan resultere i et lettere samlet strømsystem, hvilket gør det muligt at få yderligere forbedring i præstation for batteridrevne robotsystemer. Fleksibilitet forbedres også, da komponenter til strømkonvertering kan parallelkobles, så de let kan skaleres, efterhånden som kravene til robotkraft øges. De tillader også, at den samme strømarkitektur kan implementeres på tværs af en platform med forskellige robotsystemer.

Denne artikel skitserer kort strømbehovet i adskillige robotapplikationer, herunder landbrugshøst, campus- og forbrugerlevering og lagerbeholdning. Derefter gennemgås fordelene ved at bruge en komponentbaseret distribueret strømforsyningsarkitektur og viser derefter eksempler på DC/DC-konverteringsløsninger fra Vicor sammen med evalueringskort og tilhørende software til at hjælpe designere med at komme i gang.

Strømkrav for robotter

strømkrav til bestemte typer robotter bestemmes af applikationen:

• Robotter til landbrugshøst: Plant, vedligehold og høst af produkter (frugt, grøntsager, korn) ved hjælp af automatiseret køretøjer sammen med visuel genkendelse og flere sensorer til analyse af miljø og jordbund. Disse store kørende robotter drives typisk fra en højspændings DC-kilde på 400 volt eller mere.
• Robotter til levering: Levering af forskellige varer til forbruger eller campus i nærområdet. Mens nyttelast varierer i størrelse og vægt, drives disse robotter typisk af batterier på 48 til 100 volt og har længere driftskrav end robotter i lagerbeholdningsklassen.
• Robotter til lagerbeholdning: Til lagerstyring og opgaver inden for ordreudførelses i store lagermiljøer. Denne klasse af robotter drives typisk fra en batterikilde på 24 til 72 volt med mulighed for opladning efter behov.

Komponentbaseret distribueret strømarkitektur til robotik

Dette afsnit gennemgår fire eksempler på komponentbaserede distribuerede strømarkitekturer til robotter, der spænder fra et 15,9 kilowatt (kW) system til robotter til landbrugshøst med en batteripakke på 760 volt samt ned til et 1,2 kW-system til robotter til lagerbeholdning med batteripakke på 48 volt. Et fælles træk i tre af disse applikationer er en relativt høj spænding på hovedbussen, som distribuerer strøm igennem robotten, efterfulgt af et eller flere sektioner med spændings step-down som leverer den nødvendige spænding til undersystemerne. En bus til distribution af højspænding resulterer i forbedret effektivitet og lavere strøm til distribution, hvilket gør det muligt at bruge mindre, lettere og billigere strømkabler. Den fjerde applikation viser den forenkling, der kan resultere i mindre robotter, der bruger batterisystemer på 48 volt.

PDN (power delivery network) til robotter til landbrugshøst omfatter en hovedstrømbus på 760 volt (figur 1). Dette understøttes af en serie af isolerede DC/DC-konvertere (vist som BCM-moduler til venstre) med faste forhold (uregulerede) som har en output-spænding på 1/16 af input-spændingen. Disse konvertere bruges parallelt, hvilket gør det muligt at ændre størrelsen på systemet i henhold til behovene i det specifikke design.

Figur 1: Denne PDN til 15,4 kW robotter til landbrugshøst omfatter en distributionsbus på 760 volt, der understøtter et netværk af lavere spændings-konvertere (DCM'er, PRM'er, NBM'er og buck). (Billedkilde: Vicor)

Længere ind i netværket findes en serie med fast (NBM, øvre midt) og reguleret buck-boost (PRM'er, center) og buck-konvertere (nederst) som driver nedstrøms-skinner med lavere spænding efter behov. I dette design drives servoen direkte fra mellemstrømbussen på 48 volt uden yderligere DC/DC-konvertering.

PDN til leveringsrobotter til campus- og forbruger viser den forenkling, der kan resultere i middelstrømssystemer ved at anvende en lavere spænding på hovedstrømbussen (i dette tilfælde 100 volt) og tilføjer regulering til de isolerede DC/DC-konverter (DCM'er) på hovedbussen til strømfordeling for at producere en 48 volt mellembusspænding (figur 2).

Figur 2: PDN'en til leveringsrobottoer til campus- og forbruger inkluderer direkte drift til motoren og en mellembus til at drive de resterende undersystemer. (Billedkilde: Vicor)

Denne tilgang gør det muligt at bruge ikke-isolerede buck-boost og buck DC/DC-konvertere til at drive de forskellige undersystemer. Derudover gør brugen af en lavere spænding til hovedstrømbussen det muligt for motordrivenheden at forbinde direkte til hovedbussen, mens servoen kan oprette forbindelse direkte til 48 volt mellembussen. Mindre robotter til campus- og forbrugerlevering kan inkorporere en 24 volt mellembusspænding og servoer på enten 24 eller 48 volt, mens den overordnede arkitektur er ens.

PDN til lagerrobotter, der bruger batteripakker på 67 volt, fremhæver brugen af ikke-isolerede DC/DC-konvertere (PRM'er) på hovedstrømbussen (figur 3). Disse konvertere giver forbedring i effektivitet på 96 % til 98 % og kan parallelforbindes til områder med højere strømbehov. Denne arkitektur har også en ikke-isoleret DC/DC-konverter (NBM) med fast forhold,til at drive GPU'en samt ikke-isolerede regulerede buck-konvertere som driver de logiske sektioner.

Figur 3: PDN for lagerrobotter kombinerer en hovedstrømbus på 67 volt og en mellembus til strømfordeling på 48 volt. (Billedkilde: Vicor)

For mindre robotdesign, der bruger et batteri på 48 volt, er der ikke behov for at generere en mellemliggende busspænding, hvilket forenkler designet (figur 4). Belastningerne drives direkte fra batterispændingen via direkte konvertering ved hjælp af forskellige ikke-isolerede DC/DC-konvertere. Elimineringen af den mellembus i strømdriftsystem øger systemets effektivitet og reducerer strømsystemets vægt og omkostninger.

Figur 4: PDN til lagerrobotter, der bruger en batteripakke på 48 volt, eliminerer behovet for en mellemstrømbus, hvilket i høj grad forenkler designet. (Billedkilde: Vicor)

Overvejelser vedrørende design af distribuerede strømarkitekturer

Som vist ovenfor skal designere træffe adskillige valg i.forb. med strømsystem for at optimere en komponentbaseret PDN til robotik. Der er ingen ”one size fits all” tilgang. Generelt drager større robotter fordel af højere batterispændinger, hvilket kan resultere i højere effektivitet af strømdistribution og mindre, lettere strømdistributionsbusser.

Brugen af isolerede kontra ikke-isolerede DC/DC-konvertere er en vigtig overvejelse, når man optimerer den samlede effektivitet af systemet og minimerer omkostningerne. Jo tættere DC/DC-konverteren er på en belastning med lav spænding, jo mere sandsynligt er det, at det optimale valg vil være en billigere, ikke-isoleret strømkomponent, hvilket øger den samlede PDN-effektivitet. Når det er relevant, kan brugen af lavere billigere DC/DC-konverter med fast forhold (ureguleret) også bidrage til højere PDN-effektivitet.

Vicor tilbyder DC/DC-konvertere, der er i stand til at understøtte designers behov i en bred vifte af komponentbaserede distribuerede strømforsyningsarkitekturer, herunder de fire, der er skitseret ovenfor. Den følgende diskussion fokuserer på specifikke enheder, der kan bruges i et strømforsyningssystem svarende til det, der er beskrevet for leveringsrobotter til campus- og forbruger, som vist i figur 2.

DC/DC-konvertere til robotsystemer

DCM3623TA5N53B4T70 er et eksempel på en DCM-isoleret og reguleret DC/DC-konverter, der kan producere en mellembusspænding på 48 volt ud fra et batteri på 100 volt (figur 5). Denne konverter bruger ZVS-teknologi (zero voltage switching) til at levere en topeffektivitet på 90,7 % og en effekttæthed på 653 watt pr. kubiktomme. Den leverer 3.000 volt DC-isolering mellem input og output.

Figur 5: DCM3623TA5N53B4T70 isolerede og regulerede DC/DC-konverter kan producere en mellembusspænding på 48 volt fra et batteri på 100 volt. (Billedkilde: Vicor)

DCM-modulet udnytter de termiske og densitet fordele ved Vicors ChiP (Converter-housed-in-Package) emballeringsteknologi og tilbyder fleksible muligheder for termostyring med meget lavere impedans på varme- og topside. ChiP-baserede strømkomponenter gør det muligt for designere at opnå omkostningseffektive strømsystemløsninger med tidligere uopnåelige systemstørrelse, vægt og effektivitet; hurtigt og forudsigeligt.

For at begynde at udforske mulighederne i DCM3623TA5N53B4T70 kan designere bruge DCM3623EA5N53B4T70 evalueringskort (figur 6). DCM-evalueringskortet kan konfigureres til forskellige aktiverings- og fejlovervågningsordninger samt til at bruge forskellige tilpasningsmetoder, afhængigt af applikationskrav.

Figur 6: Evalueringskortet DCM3623EA5N53B4T70 gør det muligt for designere at udforske DCM3623TA5N53B4T70 DC/DC-konverterens muligheder. (Billedkilde: Vicor)

DCM3623EA5N53B4T70 kan bruges til at evaluere DCM'er i enten en enkeltstående konfiguration eller som en række moduler. Det understøtter også evaluering af forskellige muligheder for aktiverings-, trim- og fejlovervågning:

Aktiver indstillinger:

• On-board mekanisk afbryder (standard)
• Ekstern kontrol

Trim muligheder:

• Fast trim-operationer (standard): TR-benet får lov til at flyde ved første opstart.DCM deaktiverer output trimning, og output trim er programmeret til den nominelle VOUT.
• Variabel trim-operation, indbygget variabel modstand: Spænding på trim-benet er ratiometrisk, med en reostat, som arbejder mod en pull-up-modstand inde i DCM til VCC.
• Variabel trim-operation, off-board-kontrol: Spænding på trim-benet styres via ekstern programmeringskontrol, der refereres til –IN for hver specifik DCM i systemet.

Indstillinger for fejlmonitor:

• Indbygget LED: FT-benet driver en synlig LED til visuel feedback om fejlstatus.
• Indbygget optokobler: FT-benet driver en indbygget optokobler for at bringe fejlstatus over den primære sekundære isolationsgrænse.

Vicors PI3740-00 buck-boost DC/DC-konverter kan bruges til at producere henholdsvis 44 volt og 24 volt strøm til LED-projektører og HD-kameraer. Det er en ZVS-konverter med høj effektivitet, bredt input og output-område. Dette system med høj densitet (SiP) integrerer en kontroller, strømafbrydere og supportkomponenter (figur 7). Den har en topeffektivitet på op til 96 % samt god effektivitet ved let belastning.

Figur 7: PI3740-00 buck-boost DC/DC-konverter SiP kan bruges til at tænde LED-projektører og HD-kameraer i PDN til campus- og leveringsrobotter. (Billedkilde: Vicor)

PI3740-00 kræver en ekstern induktor, modstandsdeler og minimale kondensatorer for at danne en komplet buck-boost regulator. Skiftefrekvensen på 1 megahertz (MHz) reducerer størrelsen på de eksterne filtreringskomponenter, forbedrer effekttætheden og muliggør hurtig dynamisk respons på linje- og belastningstransienter.

For at kickstarte design med PI3740-00 leverer Vicor PI3740-00-EVAL1 til at evaluere PI3740-00 i applikationer med konstant spænding, hvor V_UD er over 8 volt. Kortet fungerer fra en input-spænding mellem 8 og 60 volt DC og understøtter output-spænding op til 50 volt DC. Funktionerne i dette evalueringskort inkluderer:

• Input og output-kabelsko til kilde og load forbindelser
• Placering for en gennemgående hul-elektrolytkondensator af aluminium
• Indgangskildefilter
• Oscilloskop-probestik til nøjagtige måling af højfrekvent output og input-spænding
• Signalben testpunkter og ledningsstik
• Kelvin spændingstestpunkter og stikkontakter til alle PI3740-ben
• Jumper kan vælge strømsensing på høj- eller lavside
• Flydespænding kan vælges via jumper

Endelig kan PI3526-00-LGIZ buck-regulator fra Vicor bruges til at levere 12 volt strøm til en computer og trådløse undersystemer i PDN'en (figur 8). Denne DC/DC-konverter giver effektivitet på op til 98 % og understøtter brugerjustering af soft-start og sporing, der inkluderer hurtige og langsomme funktioner til strømbegrænsning. Disse ZVS-regulatorer integrerer controlleren, afbryderne og supportkomponenterne i en SiP-konfiguration.

Figur 8: PI3526-00-LGIZ buck-regulator fra Vicor kan bruges til at levere 12 volt strøm, der kræves af en computer og trådløse undersystemer i PDN'en til campus- og leveringsrobotter. (Billedkilde: Vicor)

PI3526-00-EVAL1 evalueringskort fra Vicor kan konfigureres til at eksperimentere med PI3526-00-LGIZ buck-regulator i en stand-alone eller en remote-sensing konfiguration. Udtag er tilgængelig for at muliggøre hurtig probetestning og placering af en bulk-indgangskondensator. Evalueringskortet leverer med kabelsko, bananstik for den nedre monteringsflade for input- og output-forbindelser, signalstik og testpunkter samt Kelvin Johnson-Jacks til nøjagtige målinger af strømnodes spændinger.

Konklusion

Behovet for konvertering af strømsystemer til robotter bliver mere udfordrende, da belastningskapacitet, visuel genkendelse og brugerfunktionalitet øger robottenes kompleksitet. Eksisterende strømløsninger kan medføre begrænsninger af ydeevne med hensyn til størrelse, effektivitet, vægt og skalerbarhed, hvilket gør dem mindre egnede til robottekniske applikationer. Til robottekniske applikationer kan designere henvende sig til komponentbaserede distribuerede strømforsyningsarkitekturer for at drive motorer, CPU'er og andre systemer.

Som vist kan denne fremgangsmåde resultere i et strømsystem med lettere vægt, hvilket gør yderligere forbedring muligt i præstation for batteridrevet robotik. Fleksibiliteten forbedres også, da komponenter til strømkonvertering kan parallelkobles, så de let kan skaleres, efterhånden som strømkravene øges. Derved kan den samme strømarkitektur implementeres på tværs af en platform med forskellige robottesystemer.

Anbefalet læsning

1. Reduktion af robotrisiko: Sådan designes et sikkert industrielt miljø
2. Brug kompakte industrielle robotter til at gøre enhver forretning mere produktiv