Miért és hogyan használjunk komponens alapú energiaelosztási architektúrát robotikai rendszereknél

Az akkumulátoros üzemű robotok használata egyre elterjedtebb a gyárautomatizálási, a mezőgazdasági, az egyetemi városokon belüli, illetve a vásárlók részére történő kiszállítási, valamint a raktárkészlet-mozgatási rendszerekben. A töltések közötti maximális működési idő érdekében ezen akkumulátoros rendszerek tervezőinek mindig oda kellett figyelniük az energiaátalakítás hatékonyságára, valamint a méretre és a súlyra is.

Ezek a a tényezők azonban egyre kritikusabbá váltak, mivel a teherbírás folyamatosan növekszik, és az érzékeléssel (például a látás, valamint a távolság, közelítés és pozíció érzékelése) illetve a biztonsággal kapcsolatos funkciók megnövelik a berendezés bonyolultságát és fizikai súlyát. Ugyanakkor az ezzel járó több szükséges elektronikai feldolgozási folyamat is több energiát igényel.

Az akkumulátorok élettartamának maximalizálása érdekében és a fenti problémák kezelése érdekében a tervezők komponens alapú elosztott energiaellátási architektúrát használhatnak a motorok, a CPU-k és más alrendszerek tápellátásához. E megközelítésmód esetén minden egyes DC-DC átalakító egység elhelyezhető a terhelés közelében (point of load, PoL), és azok optimalizálhatók a nagy hatásfok, a kis méret (nagy teljesítménysűrűség) és az általános teljesítmény tekintetében. Így általánosan nézve kisebb tömegű energiaellátó rendszerek alakíthatók ki, amivel az akkumulátorral működő robotrendszerek teljesítőképessége tovább növelhető. A rugalmasság szintén növekszik, mivel egy-egy robot esetleges teljesítményigényének növekedése miatti könnyű méretezhetőség érdekében az áramátalakító komponensek párhuzamosíthatók, és lehetővé teszik ugyanolyan áramellátási architektúra telepítését különböző méretű robotrendszer-platformokon.

Ez a cikk röviden felvázolja néhány robotikai rendszer energiaigényét, beleértve a mezőgazdasági betakarítás, az egyetemi városokon belüli és vásárlók részére történő kiszállítás, valamint a raktárokon belüli készletmozgatás területét. Ezután áttekinti a komponens alapú elosztott áramellátási architektúra használatának előnyeit, és bemutat néhány Vicor DC-DC átalakító megoldást a hozzájuk tartozó fejlesztőlapokkal és szoftverekkel együtt, amelyek segítenek a tervezőknek az indulásban.

A robotok energiaellátási követelményei

A különböző típusú robotok energiaigénye minden esetben az adott alkalmazástól függ:

• Mezőgazdasági betakarító robotok: termények (gyümölcsök, zöldségek, gabonák) ültetése, gondozása és betakarítása vizuális felismeréssel, illetve több környezeti és talajérzékelővel támogatott automatizált járművezetés alkalmazásával. Ezek a nagyméretű robotjárművek általában nagy feszültségű (legalább 400 V-os) DC áramforrással működnek.
• Kiszállító robotok: különböző cikkek kiszállítása vásárlók vagy végfelhasználók részére, illetve egyetemi városokon belüli szállítás. Míg a hasznos teher mérete és súlya változó, ezeket a robotokat általában 48-100 V-os akkumulátorok működtetik és működési időigényük hosszabb, mint a raktáron belüli készletmozgatást végző robotoké.
• Raktárkészletet mozgató robotok: készletkezelési és rendeléskiszolgálási feladatokat látnak el nagy raktári környezetben. Ez a robotosztály általában 24-72 V-os akkumulátorról működik, szükség szerinti alkalmi töltéssel.

Komponens alapú elosztott energiaellátási architektúrák robotokhoz

Ebben a részben négy példát mutatunk be a robotoknál használt komponens alapú elosztott energiaellátó architektúrákra, a mezőgazdasági betakarító robotok 760 V-os akkumulátorral rendelkező 15,9 kW-os rendszerétől a raktári készletmozgató robotok 48 V-os akkumulátort használó 1,2 kW-os rendszeréig. Ezen rendszerek közül háromnak közös jellemzője az, hogy a robotban egy energiát elosztó viszonylag nagy feszültségű fő tápsín található, amelyet egy vagy több feszültségcsökkentő szakasz követ, utóbbiak szállítják az energiát az alrendszerekhez. A nagyfeszültségű áramelosztó sín jobb hatásfokot és alacsonyabb áramelosztási áramokat eredményez, ami kisebb, könnyebb és olcsóbb tápkábelek használatát teszi lehetővé. A negyedik alkalmazás azt az egyszerűsítést mutatja be, amely révén 48 V-os akkumulátorrendszereket használó kisebb robotok alakíthatók ki.

A mezőgazdasági betakarító robotok energiaellátó hálózata (power delivery network, PDN) egy 760 V-os fő sínt tartalmaz (1. ábra). Ezt rögzített áttételű (nem szabályozott) DC-DC átalakítók sorozata egészíti ki (a bal oldalon BCM modulokként láthatók), amelyek kimeneti feszültsége a bemeneti feszültség 1/16 része. Ezeket az átalakítók párhuzamosan vannak kapcsolva, lehetővé téve a rendszer átméretezését az adott kialakítás igényeinek megfelelően.

1. ábra: Ez a 14,5 kW-os mezőgazdasági robotokhoz való energiaellátó hálózat (PDN) egy 760 V-os elosztó sínt tartalmaz, amely alacsonyabb feszültségű feszültségátalakítók (DCM-ek, PRM-ek, NBM-ek és feszültségcsökkentők) számára biztosítja az energiát. (Kép: Vicor)

Az áramkört tovább részletezve, abban rögzített áttételű átalakítók (NBM-ek, középen felül) szabályozott kétirányú átalakítók (PRM-ek, középen) és feszültségcsökkentő átalakítók (alul) továbbítják az energiát lefelé, az alacsonyabb feszültségű sínekhez, szükség szerint. Ebben az elrendezésben a szervót közvetlenül a 48 V-os közbenső sín táplálja, további DC-DC átalakítás nélkül.

A rövidtávú kiszállítást végző robotok PDN-jén látható egyszerűsítéssel közepes teljesítményű rendszerek alakíthatók ki, ha alacsonyabb feszültséget (ebben az esetben 100 V-ot) használnak a fő sínen, és szabályozzák az arra csatlakozó elválasztott DC-DC átalakítókat (DCM-eket) a 48 V-os közbenső sínfeszültség előállításához (2. ábra).

2. ábra: Az egyetemi városokon belüli és vásárlók részére történő kiszállítást végző robotokhoz való energiaellátó hálózat (PDN) közvetlen hajtást tartalmaz a motorok, és egy közbenső sínt a többi alrendszer számára. (Kép: Vicor)

Ez a megközelítés lehetővé teszi nem elválasztott kétirányú (buck-boost) és feszültségcsökkentő (buck) DC-DC átalakítók használatát a különféle alrendszerek táplálásához. Ezenkívül, az alacsonyabb feszültségű fő energiaellátó sín lehetővé teszi, hogy a motor hajtása közvetlenül a fő sínhez, míg a szervó közvetlenül a 48 V-os közbenső sínhez csatlakozzon. Előfordulhat, hogy az ilyen rövidtávú kiszállítást végző kisebb robotok 24 V-os közbenső sínfeszültséggel és 24 vagy 28 V-os szervóval rendelkeznek, az általános felépítés azonban hasonló.

A 67 V-os akkumulátoregységgel működő raktári robotok PDN-jének jellegzetessége a nem leválasztott kétirányú (buck-boost) DC-DC feszültségátalakítók (PRM-ek) használata a fő energiaellátó sínen (3. ábra). Ezek az átalakítók 96-98%-os hatásfokkal rendelkeznek, és nagyobb teljesítményigény esetén párhuzamosíthatók. Ez az architektúra tartalmaz egy rögzített áttételű, nem leválasztott DC-DC átalakítót (NBM) is a GPU táplálásához, valamint a logikai egységeket tápláló nem leválasztott szabályozott feszültségcsökkentő (buck) átalakítókat.

3. ábra: A raktári robotokhoz való PDN egy 67 V-os fő energiaellátó sín és egy 48 V-os közbenső energiaellátó sín kombinációja. (Kép: Vicor)

Kisebb, 48 V-os akkumulátort használó robotoknál nincs szükség közbenső sínfeszültség előállítására, ami egyszerűsíti a kialakítást (4. ábra). A terhelések táplálása közvetlenül az akkumulátor feszültségéből történik, közvetlen átalakítással, különféle nem leválasztott DC-DC átalakítók használatával. A közbenső sín elhagyása az erőátviteli rendszerből növeli a rendszer hatásfokát és csökkenti az energiaellátó rendszer súlyát, illetve költségeit.

4. ábra: A 48 V-os akkumulátort használó raktári robotok PDN-jében nincs szükség közbenső sínre, ami nagyban egyszerűsíti a kialakítást. (Kép: Vicor)

Az elosztott energiaellátási architektúra tervezési szempontjai

Amint a fentiekből látható, a tervezőknek számos döntést kell meghozniuk az energiaellátó rendszer kiválasztása során, hogy optimális komponens alapú PDN-eket tudjanak kialakítani a robotrendszereknél. Univerzális megoldás nem létezik. Általánosan nézve, a nagyobb robotok számára előnyös a nagyobb akkumulátorfeszültség, ami magasabb energiaelosztási hatásfokot és kisebb, könnyebb áramelosztó síneket eredményezhet.

Annak eldöntése, hogy elválasztott vagy nem elválasztott DC-DC átalakítók kerülnek-e a kialakításba fontos szempont a rendszer általános hatásfokának optimalizálásakor és a költségek minimalizálásakor. Minél közelebb van a DC-DC átalakító egy kisfeszültségű terheléshez, annál valószínűbb, hogy az optimális választás egy olcsóbb, nem leválasztott energiaellátó komponens lesz, növelve a PDN eredő hatásfokát. Adott esetben az olcsóbb, rögzített áttételű (nem szabályozott) DC-DC átalakítók használata szintén hozzájárulhat a PDN magasabb hatásfokához.

A Vicor kínálatában vannak olyan DC-DC átalakítók, amelyek széleskörűen ki tudják elégíteni a tervezők igényeit a komponens alapú elosztott energiaellátási architektúrák terén, beleértve a fentiekben vázolt négy rendszert is. Az alábbiakban olyan konkrét eszközökre összpontosítunk, amelyek a rövidtávú kiszállítást végző robotoknál ismertetetthez (lásd 2. ábra) hasonló energiaellátó rendszerben használhatók.

DC-DC átalakítók robotok energiaellátó rendszereihez

A DCM3623TA5N53B4T70 egy példa a leválasztott és szabályozott DC-DC átalakítókra, amelyek képesek a 48 V-os közbenső sínfeszültség előállítására 100 V-os akkumulátorfeszültségből (5. ábra). Ez az átalakító nullfeszültség kapcsolási (zero voltage switching, ZVS) alapon működik, maximálisan 90,7%-os hatásfokkal, 39,84 W/cm3 teljesítménysűrűség mellett. 3000 V DC elválasztást biztosít a bemenet és a kimenet között.

5. ábra: A DCM3623TA5N53B4T70 elválasztott és szabályozott DC-DC átalakító 48 V-os közbenső sínfeszültséget állít elő 100 V-os akkumulátorfeszültségből. (Kép: Vicor)

A Vicor átalakítója Converter-housed-in-Package (ChiP) tokozási technológiájának termikus és teljesítménysűrűségi előnyeit kihasználva a DCM modul a rendkívül alacsony felső és alsó oldali termikus impedanciája révén rugalmas hőszabályozási lehetőségeket kínál. A ChiP-alapú energiaellátó komponensek lehetővé teszik a tervezők számára, hogy költséghatékony energiarendszer-megoldásokat valósítsanak meg korábban elérhetetlen rendszermérettel, súllyal és hatásfokkal, gyorsan és kiszámíthatóan.

A DCM3623TA5N53B4T70 képességeinek megismeréséhez a tervezők rendelkezésére áll a DCM3623EA5N53B4T70 fejlesztőlap (6. ábra). A DCM fejlesztőlap különféle engedélyezési és hibafigyelési sémákra, valamint az alkalmazás követelményeitől függően különböző beállítási módok megvalósítására konfigurálható.

6. ábra: A DCM3623EA5N53B4T70 fejlesztőlap lehetővé teszi a tervezőknek a DCM3623TA5N53B4T70 DC-DC átalakító képességeinek megismerését. (Kép: Vicor)

A DCM3623EA5N53B4T70 segítségével a DCM-ek különállóan vagy több modult tartalmazó csoportban is kiértékelhetők. Különböző engedélyezési, beállítási és hibafigyelési funkciók kiértékelését teszi lehetővé:

Engedélyezési opciók:

• Kártyán levő mechanikus kapcsoló (alapértelmezett)
• Külső vezérlés

Beállítási opciók:

• Fix beállítású működés (alapértelmezett): kezdeti indulásnál a TR kivezetés lebegő állapotban lehet.A DCM letiltja a kimenet hangolását és a kimenet a névleges kimeneti feszültségre (VOUT) van programozva.
• Változtatható beállítású működés, kártyán levő változtatható ellenállás: a hangoló kivezetés feszültsége aránymérős, azaz a tápfeszültséggel arányos. Beállítása egy szabályozó ellenállással történik a DCM-en belüli, VCC-re felhúzó ellenállással szemben.
• Változtatható beállítású működés, kártyán kívüli vezérlés: a hangoló kivezetés feszültségének változtatását külső program vezérli, a viszonyítási alap a rendszerben levő minden egyes DCM –IN kivezetése.

Hibafigyelési opciók:

• Kártyán levő LED: az FT kivezetés egy látható LED-et vezérel a hibaállapot vizuális jelzésére.
• Kártyán levő optocsatoló: az FT kivezetés egy kártyán levő optocsatolót vezérel, a hibaállapotnak a primer-szekunder elválasztási határon történő átjuttatása céljából.

A Vicor PI3740-00 kétirányú DC-DC átalakítója 44 V-os és 24 V-os tápfeszültség előállítására használható, LED-es fényszórók, illetőleg nagy felbontású (HD) kamerák számára. Ez egy nagy hatásfokú, széles bemeneti és kimeneti tartományú, nullfeszültségen kapcsoló átalakító. Ez a nagy sűrűségű tokozott rendszer (SiP) egy vezérlőt, teljesítménykapcsolókat és támogató komponenseket tartalmaz (7. ábra). Hatásfoka elérheti a 96%-ot és kis terhelés esetén is magas.

7. ábra: A PI3740-00 kétirányú DC-DC átalakító SiP LED-es fényszórók és HD kamerák tápellátására használható a rövid távú kiszállítást végző robotok PDN-jében. (Kép: Vicor)

A PI3740-00 egy külső induktivitást, ellenállásosztót és minimális számú kondenzátort igényel egy komplett kétirányú szabályozó megvalósításához. Az 1 MHz kapcsolási frekvencia csökkenti a külső szűrőkomponensek méretét, javítja a teljesítménysűrűséget és gyors dinamikus reagálást biztosít a vonali és terhelési tranziensek esetében.

A PI3740-00 eszközzel történő tervezés megkezdéséhez a Vicor a PI3740-00-EVAL1 kártyát kínálja, a PI3740-00 állandó feszültségű alkalmazásokban történő kiértékeléséhez, ahol a V_OUT 8 V-nál nagyobb. A kártya 8 és 60 V DC közötti bemeneti feszültségről működik, és maximum 50 V DC kimeneti feszültségeket támogat. A fejlesztőkártya jellemzői többek között a következők:

• Bemeneti és kimeneti csatlakozósaruk a tápfeszültség és a terhelés csatlakoztatásához
• Hely egy furatszerelt alumínium elektrolitkondenzátor számára
• Bemeneti szűrő
• Oszcilloszkóp szonda csatlakozó, pontos nagyfrekvenciás kimeneti és bemeneti mérésekhez
• Csatlakozópontok és vezetékcsatlakozók jelek tesztelésére
• Kelvin-teszt pontok és aljzatok a PI3740 összes kivezetésének befogadására
• Áthidalóval kiválasztható alsó és felső oldali (high-side/low-side) áramérzékelés
• Áthidalóval kiválasztható lebegési feszültség

Végezetül, a Vicor PI3526-00-LGIZ kétirányú szabályozója 12 V-ot tud szolgáltatni a PDN-en belüli számítógépek és vezeték nélküli alrendszerek számára (8. ábra). Ez a DC-DC átalakító maximum 98% hatásfokkal rendelkezik, és támogatja a felhasználó által beállítható lágy indítást és követést, amihez gyors és lassú áramkorlátozási képességek tartoznak. Ezek a nullfeszültségen kapcsoló (ZVS) szabályozók SiP konfigurációban tartalmazzák a vezérlőt, a teljesítménykapcsolókat és a támogató komponenseket.

8. ábra: A Vicor PI3526-00-LGIZ feszültségcsökkentő szabályozója 12 V-ot tud szolgáltatni a rövidtávú kiszállítást végző robotok PDN-jén belüli számítógépek és vezeték nélküli alrendszerek számára. (Kép: Vicor)

A Vicor PI3526-00-EVAL1 fejlesztőlapja a PI3526-00-LGIZ feszültségcsökkentő szabályozóval különálló vagy távérzékelési konfigurációban történő kísérletezésre konfigurálható. A gyors próbához és egy nagyméretű bemeneti kondenzátor elhelyezéséhez foglalatok állnak rendelkezésre. A fejlesztőlapon csatlakozó saruk találhatók, az alsó rétegen banándugó aljzathoz való nyomtatott áramköri helyek a bemeneti és kimeneti csatlakozásokhoz, valamint jelcsatlakozókkal és tesztpontokkal és Kelvin Johnson csatlakozókkal rendelkezik a csomópont feszültségének pontos méréséhez.

Összegzés

A robotrendszerek energiaátalakítási igényei egyre nagyobb kihívást jelentenek, mivel a terhelhetőség, a vizuális felismerés és a felhasználói funkcionalitás növeli a robotok összetettségét. A jelenlegi energiaellátási megoldások teljesítőképességbeli korlátokkal rendelkezhetnek a méret, a hatásfok, a súly és a méretezhetőség szempontjából, ezért kevésbé alkalmasak robotikai rendszerekhez. Ilyen esetekben a tervezők komponens alapú elosztott energiaellátó architektúrákat használhatnak a motorok, CPU-k és más rendszerek táplálására.

Amint látható, ilyen megközelítéssel kisebb tömegű energiaellátó rendszerek alakíthatók ki, lehetővé téve az akkumulátoros üzemű robotok teljesítőképességének további növelését. A rugalmasság is fokozódik, mivel az energiaátalakító komponensek párhuzamosíthatók, hogy az energiaigény növekedése esetén könnyedén méretezhetők legyenek, lehetővé téve ugyanolyan áramellátási architektúra alkalmazását különböző méretű robotrendszer-platformokon.

Ajánlott olvasnivaló

1. A robotokkal kapcsolatos kockázatok csökentése: hogyan tervezzünk biztonságos ipari környezetet
2. Kompakt ipari robotokat használva bármely vállalkozás nyereségesebbé tehető