EUR | USD

Waarom en hoe een op componenten gebaseerde gedistribueerde energiearchitectuur voor robotica te gebruiken

Door Jeff Shepard

Bijgedragen door De Noord-Amerikaanse redacteurs van Digi-Key

Het gebruik van batterij-aangedreven robots neemt toe in toepassingen zoals fabrieksautomatisering, landbouw, campus- en consumentenlevering en magazijnvoorraadbeheer. Voor een maximale gebruiksduur tussen de laadbeurten moeten de ontwerpers van deze batterijsystemen zich altijd zorgen maken over de efficiëntie van de stroomomzetting en over de grootte en het gewicht.

Deze punten van zorg zijn echter kritischer geworden omdat de belastingscapaciteit blijft toenemen en de detectie- en veiligheidskenmerken, zoals onder andere het zicht, de afstand, de nabijheid en de locatie, het ontwerp ingewikkelder maken en het fysieke gewicht doen toenemen. Tegelijkertijd verbruikt de vereiste extra elektronicaverwerking ook meer vermogen.

Om de levensduur van de accu's te maximaliseren in het licht van deze extra uitdagingen, kunnen ontwerpers gebruik maken van een op componenten gebaseerde gedistribueerde stroomtoevoerarchitectuur om de motoren, CPU's en andere subsystemen van stroom te voorzien. Bij een dergelijke aanpak kan elke afzonderlijke DC-DC-vermogensconversiecomponent op het punt van belasting (PoL) worden geplaatst en worden geoptimaliseerd voor een hoge efficiëntie, kleine omvang (hoge vermogensdichtheid) en algemene prestaties. Deze aanpak kan resulteren in een lichter totaalstroomsysteem, waardoor de prestaties van robotsystemen op batterijen nog verder kunnen worden verbeterd. De flexibiliteit is ook verbeterd omdat de componenten voor de stroomconversie gemakkelijk parallel kunnen worden geschaald naarmate de vraag naar robotvermogen toeneemt, en ze maken het ook mogelijk om dezelfde stroomarchitectuur in te zetten op een platform van verschillende robotsystemen.

Dit artikel schetst in het kort de krachtbehoefte van verschillende robotica-toepassingen, waaronder agrarische oogst, campus- en consumentenlevering, en magazijnbewegingen. Het zal dan de voordelen van het gebruik van een op componenten gebaseerde gedistribueerde stroomtoevoerarchitectuur bekijken, en dan een voorbeeld van DC-DC-convertoroplossingen van Vicor introduceren, samen met evaluatieborden en bijbehorende software om ontwerpers te helpen aan de slag te gaan.

Stroomvereisten voor robots

De vermogenseisen voor specifieke typen robots worden bepaald door de toepassing:

  • Landbouwoogstrobots: Plannen, onderhouden en oogsten van producten (fruit, groenten, granen) met behulp van geautomatiseerde voertuigbegeleiding, samen met visuele herkenning en meerdere milieu- en bodemanalysesensoren. Deze grote robotvoertuigen worden doorgaans aangedreven door een hoogspanningsgelijkstroombron van 400 volt of meer.
  • Leveringsrobots: Last-mile consumenten- of campuslevering van diverse artikelen. Hoewel het laadvermogen varieert in grootte en gewicht, worden deze robots doorgaans gevoed door 48 tot 100 volt batterijen en hebben ze een langere looptijd nodig dan de magazijnvoorraadverplaatsende klasse van robots.
  • Magazijninventaris bewegende robots: Voorraadbeheer en orderverwerking binnen grote magazijnomgevingen. Deze robotklasse wordt gewoonlijk gevoed door een 24 tot 72 volt batterijbron, waarbij het opladen naar behoefte wordt uitgevoerd.

Component-gebaseerde gedistribueerde vermogensarchitecturen voor robotica

Dit hoofdstuk geeft vier voorbeelden van op componenten gebaseerde gedistribueerde vermogensarchitecturen voor robots, variërend van een 15,9 kilowatt (kW) systeem voor landbouwoogstrobots met een 760 volt accupack tot een 1,2 kW systeem voor magazijnbewegingsrobots met een 48 volt accupack. Een gemeenschappelijk kenmerk in drie van deze toepassingen is een relatief hoogspanningshoofdbus die het vermogen over de robot verdeelt, gevolgd door een of meer spanningsstapsgewijze secties die het benodigde vermogen aan de subsystemen leveren. Een hoogspanningsdistributiebus resulteert in een verbeterde efficiëntie en lagere stroomverdelingsstromen, waardoor kleinere, lichtere en goedkopere stroomkabels kunnen worden gebruikt. De vierde toepassing laat de vereenvoudiging zien die kan resulteren in kleinere robots die gebruik maken van 48 volt batterijsystemen.

Het stroomvoorzieningsnetwerk (PDN) voor landbouwoogstrobots bestaat uit een 760 volt hoofdstroombus (Afbeelding 1). Dit wordt ondersteund door een serie vaste ratio (ongereguleerde) geïsoleerde DC-DC-convertors (links weergegeven als BCM modules) met een uitgangsspanning van 1/16 van de ingangsspanning. Deze convertors worden parallel gebruikt, waardoor het systeem kan worden aangepast aan de behoeften van het specifieke ontwerp.

Diagram van Vicor PDN voor 15,4 kW landbouwoogstrobotsAfbeelding 1: Deze PDN voor 15,4 kW landbouwoogstrobots bestaat uit een 760 volt distributiebus die een netwerk van lagere spanningsomvormers (DCM's, PRM's, NBM's en buck) ondersteunt. (Bron afbeelding: Vicor)

Verder in het netwerk, een reeks van vaste ratio (NBM, bovenste midden) en gereguleerde buck-boost (PRM's, center) en buck-convertors (onder) stroomafwaarts, lagere spanningsrails indien nodig. In dit ontwerp wordt de servo rechtstreeks vanuit de 48 volt tussenvoedingsbus zonder extra DC-DC-conversie aangedreven.

De PDN voor campus- en consumentenrobots toont de vereenvoudiging die kan resulteren in middenspanningsinstallaties door gebruik te maken van een lagere hoofdvermogensbusspanning (in dit geval 100 volt), en door de geïsoleerde DC-DC-convertors (DCM's) op de hoofdvermogensverdelingsbus te voorzien van een regeling voor de productie van de 48 volt tussenliggende busspanning (Afbeelding 2).

Diagram van Vicor PDN voor campus- en consumentenleveringsrobotsAfbeelding 2: Het PDN voor campus- en consumentenrobots bevat een directe aandrijving voor de motor en een tussenbus voor de voeding van de overige subsystemen. (Bron afbeelding: Vicor)

Deze aanpak maakt het mogelijk om niet-geïsoleerde buck-boost en buck DC-DC-convertors te gebruiken om de verschillende subsystemen van stroom te voorzien. Bovendien maakt het gebruik van een lagere spanning voor de hoofdbus het mogelijk dat de motoraandrijving rechtstreeks op de hoofdbus wordt aangesloten, terwijl de servo rechtstreeks op de 48 volt tussenbus kan worden aangesloten. Kleinere campus- en consumentenrobots kunnen een 24 volt tussenliggende busspanning en ofwel 24 ofwel 48 volt servo's bevatten, maar de algemene architectuur is gelijkaardig.

De PDN voor magazijnrobots met een 67 volt batterijpakket benadrukt het gebruik van buck-boost niet-geïsoleerde DC-DC-convertors (PRM's) op de hoofdstroombus (Afbeelding 3). Deze convertors bieden een rendement van 96% tot 98% en kunnen worden geparallelleerd voor hogere vermogensbehoeften. Deze architectuur heeft ook een vaste verhouding, niet-geïsoleerde DC-DC-converter (NBM) voor de voeding van de GPU, en niet-geïsoleerde gereguleerde buckconvertors voor de voeding van de logische secties.

Diagram van Vicor PDN voor magazijnrobotsAfbeelding 3: De PDN voor magazijnrobots combineert een 67 volt hoofdvermogensbus met een 48 volt tussenvermogensverdelingsbus. (Bron afbeelding: Vicor)

Voor kleinere robotontwerpen die gebruik maken van een 48 volt batterij is het niet nodig om een tussenliggende busspanning te genereren, wat het ontwerp vereenvoudigt (Afbeelding 4). De belastingen worden rechtstreeks uit de batterijspanning gevoed door directe conversie met behulp van verschillende niet-geïsoleerde DC-DC-convertors. De eliminatie van de tussenbus in de aandrijflijn verhoogt de efficiëntie van het systeem en vermindert het gewicht en de kosten van het energiesysteem.

Diagram van Vicor PDN voor magazijnrobotsAfbeelding 4: De PDN voor magazijnrobots met een 48 volt batterijpakket maakt een tussenliggende voedingsbus overbodig, wat het ontwerp sterk vereenvoudigt. (Bron afbeelding: Vicor)

Overwegingen met betrekking tot het ontwerp van de verdeelde energiearchitectuur

Zoals hierboven is aangetoond, moeten ontwerpers tal van keuzes maken voor het voedingssysteem om een op componenten gebaseerde PDN voor de robotica te optimaliseren. Er is geen "one size fits all" benadering. Over het algemeen profiteren grotere robots van hogere accuspanningen, wat kan leiden tot een hogere stroomverdelingsefficiëntie en kleinere, lichtere stroomverdelingsbussen.

Het gebruik van geïsoleerde versus niet-geïsoleerde DC-DC-convertors is een belangrijke overweging bij het optimaliseren van de algehele systeemefficiëntie en het minimaliseren van de kosten. Hoe dichter de DC-DC-convertor bij een laagspanningsbelasting, hoe waarschijnlijker het is dat de optimale keuze een goedkopere, niet-geïsoleerde vermogenscomponent zal zijn, die de totale PDN-efficiëntie verhoogt. In voorkomend geval kan het gebruik van (ongereguleerde) DC-DC-convertors met een lagere vaste kostenverhouding ook bijdragen tot een hogere PDN-rendementen.

Vicor biedt DC-DC-convertors die in staat zijn om de behoeften van ontwerpers te ondersteunen in een breed scala van op componenten gebaseerde gedistribueerde stroomtoevoerarchitecturen, waaronder de vier hierboven beschreven. De volgende discussie richt zich op specifieke apparaten die kunnen worden gebruikt in een stroomvoorzieningssysteem dat vergelijkbaar is met het systeem dat is beschreven voor campus- en consumentenrobots, zoals te zien is in Afbeelding 2.

DC-DC-convertors voor robotsystemen

De DCM3623TA5N53B4T70 is een voorbeeld van een DCM geïsoleerde en geregelde DC-DC-convertor die de 48 volt tussenliggende busspanning kan produceren uit 100 volt batterijvermogen (Afbeelding 5). Deze omvormer maakt gebruik van ZVS (zero voltage switching) technologie om een 90,7% piekrendement en een 653 Watt per kubieke inch vermogensdichtheid te leveren. Het zorgt voor 3.000 volt gelijkstroom-isolatie tussen de ingang en de uitgang.

Afbeelding van Vicor DCM3623TA5N53B4T70 geïsoleerde en gereguleerde DC-DC-convertorAfbeelding 5: De DCM3623TA5N53B4T70 geïsoleerde en geregelde DC-DC-convertor kan de 48 volt tussenliggende busspanning produceren uit 100 volt batterijvermogen. (Bron afbeelding: Vicor)

Door gebruik te maken van de thermische en dichtheidsvoordelen van Vicor's Converter-housed-in-Package (ChiP) verpakkingstechnologie, biedt de DCM-module flexibele opties voor thermisch beheer met zeer lage thermische impedanties aan de boven- en onderkant. Met op ChiP gebaseerde stroomcomponenten kunnen ontwerpers snel en voorspelbaar kosteneffectieve stroomsysteemoplossingen bereiken met voorheen onbereikbare systeemgrootte, gewicht en efficiëntiekenmerken.

Om de mogelijkheden van de DCM3623TA5N53B4T70 te verkennen, kunnen ontwerpers gebruik maken van het DCM3623EA5N53B4T70-evaluatiebord (Afbeelding 6). Het DCM-evaluatiebord kan worden geconfigureerd voor verschillende vrijgave- en foutbewakingsschema's, maar ook voor verschillende modi voor het trimmen, afhankelijk van de vereisten van de toepassing.

Afbeelding van het evaluatiebord van Vicor DCM3623EA5N53B4T70Afbeelding 6: Het DCM3623EA5N53B4T70-evaluatiebord stelt ontwerpers in staat de mogelijkheden van de DCM3623TA5N53B4T70 DC-DC-convertor te onderzoeken. (Bron afbeelding: Vicor)

De DCM3623EA5N53B4T70 kan worden gebruikt om DCM's te evalueren in een stand-alone configuratie, of als een reeks van modules. Het ondersteunt ook de evaluatie van verschillende opties voor vrijgave, trimmen en foutbewaking:

Schakel opties in:

  • Mechanische onboard switch (standaard)
  • Externe controle

Trimopties:

  • Vaste trimbediening (standaard): de TR-pen mag bij de eerste inbedrijfstelling zweven.De DCM schakelt het trimmen van de uitgangen uit en het trimmen van de uitgangen wordt geprogrammeerd op de nominale VOUT.
  • Variabele trimwerking, variabele weerstand aan boord: De spanning van de trimdraad is ratiometrisch, waarbij een reostaat werkt tegen een pull-up-weerstand in de DCM tot VCC.
  • Variabele trimbediening, buitenboordbediening: De spanning van de trimpennen wordt geregeld via een externe programmeerbesturing, die gerelateerd is aan de -IN van elke specifieke DCM in het systeem.

Foutmonitor opties:

  • Onboard LED: de FT-pen drijft een zichtbare LED aan voor visuele terugkoppeling over de foutstatus.
  • Onboard optocoupler: de FT-pen drijft een onboard optocoupler aan om de foutstatus over de primaire-secundaire isolatiegrens te brengen.

Vicor's PI3740-00 buck-boost DC-DC converter kan worden gebruikt om 44 volt en 24 volt stroom te produceren voor respectievelijk LED-schijnwerpers en high-definition (HD) camera's. Het is een hoog rendement, breed ingangs- en uitgangsbereik ZVS-converter. Dit systeem-in-pakket (SiP) met hoge dichtheid integreert een controller, stroomschakelaars en ondersteunende componenten (Afbeelding 7). Het heeft een piekrendement tot 96%, evenals een goede lichtbelastingsefficiëntie.

Afbeelding van Vicor PI3740-00 buck-boost DC-DC-convertor SiPAfbeelding 7: De PI3740-00 buck-boost DC-DC-convertor SiP kan worden gebruikt om LED-schijnwerpers en HD-camera's in de PDN te voeden voor campus- en bezorgrobots. (Bron afbeelding: Vicor)

De PI3740-00 heeft een externe inductor, een resistieve verdeler en minimale condensators nodig om een complete buck-boost regelaar te vormen. De schakelfrequentie van 1 megahertz (MHz) vermindert de omvang van de externe filtercomponenten, verbetert de vermogensdichtheid en maakt een snelle dynamische reactie op lijn- en belastingstransiënten mogelijk.

Om het ontwerp met de PI3740-00 te starten, levert Vicor de PI3740-00-EVAL1 om de PI3740-00 te evalueren in toepassingen met een constante spanning waarde VOUT boven de 8 volt ligt. De printplaat werkt met een ingangsspanning tussen 8 en 60 volt gelijkstroom en ondersteunt uitgangsspanningen tot 50 volt gelijkstroom. Kenmerken van dit evaluatiebord zijn onder andere:

  • In- en uitvoerlugs voor bron- en belastingsaansluitingen
  • Locatie om een doorlopende aluminium elektrolytische condensator te plaatsen
  • Invoerbronfilter
  • Oscilloscoopsonde-aansluiting voor nauwkeurige metingen van hoogfrequente output en ingangsspanning
  • Signaalpennen en draadaansluitingen
  • Kelvin spanningstestpunten en contactdozen voor alle PI3740-pennen
  • Jumper selecteerbare hoog-zij/laag-zijwaartse stroomdetectie
  • Jumper selecteerbare drijfspanning

Tot slot kan de PI3526-00-LGIZ buckregelaar van Vicor worden gebruikt om een computer en draadloze subsystemen in de PDN van 12 volt te voorzien (Afbeelding 8). Deze DC-DC-convertor biedt efficiëntie tot 98%, en ondersteuning voor door de gebruiker aanpasbare softstart en tracking die snelle en langzame stroombegrenzingscapaciteiten omvat. Deze ZVS-regelaars integreren de controller, voedingsschakelaars en ondersteuningscomponenten in een SiP-configuratie.

Afbeelding van PI3526-00-LGIZ buckregelaar van VicorAfbeelding 8: De PI3526-00-LGIZ buckregelaar van Vicor kan worden gebruikt om de 12 volt stroom te leveren die nodig is voor een computer en draadloze subsystemen in het PDN voor campus- en bezorgrobots. (Bron afbeelding: Vicor)

De PI3526-00-EVAL1-evaluatiekaart van Vicor kan geconfigureerd worden om te experimenteren met de PI3526-00-LGIZ buckregelaar in een stand-alone of een remote sense configuratie. Er zijn sockets voorzien om een snelle sonde en plaatsing van een bulkinputcondensator mogelijk te maken. Het evaluatiebord biedt nokken, onderlaagse banaanstekker voetafdrukken voor in- en uitgangsaansluitingen, signaalconnectoren en testpunten, en Kelvin Johnson-Jacks voor nauwkeurige metingen van de voedingsspanning.

Conclusie

De conversie van het vermogen van een robotsysteem wordt moeilijker naarmate de belastingscapaciteit, de visuele herkenning en de gebruikersfunctionaliteit de complexiteit van de robots verhogen. Bestaande stroomoplossingen kunnen te lijden hebben van prestatiebeperkingen in termen van grootte, efficiëntie, gewicht en schaalbaarheid, waardoor ze minder geschikt zijn voor robotica-toepassingen. Voor robotica-toepassingen kunnen ontwerpers een beroep doen op componentengebaseerde gedistribueerde stroomtoevoerarchitecturen om de motoren, CPU's en andere systemen van stroom te voorzien.

Zoals aangetoond, kan deze aanpak resulteren in een lichter stroomsysteem, waardoor de prestaties van de robotica op batterijen nog verder kunnen worden verbeterd. De flexibiliteit wordt ook vergroot doordat de componenten voor de stroomconversie gemakkelijk parallel kunnen worden geschaald naarmate de stroombehoefte toeneemt, waardoor dezelfde stroomarchitectuur kan worden ingezet op een platform van robotsystemen van verschillende afmetingen.

Aanbevolen lectuur

  1. Vermindering van het robotrisico: hoe een veilige industriële omgeving te ontwerpen
  2. Gebruik compacte industriële robots om elke winkel productiever te maken

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.

Achtergrondinformatie over deze auteur

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.

Over deze uitgever

De Noord-Amerikaanse redacteurs van Digi-Key