Dlaczego i w jaki sposób wykorzystać architekturę zasilania rozproszonego opartego na komponentach w robotyce

Roboty z zasilaniem bateryjnym są coraz szerzej stosowane w automatyce przemysłowej, rolnictwie, dostawach kampusowych i konsumenckich, a także zarządzaniu zapasami magazynowymi. Aby maksymalnie wydłużyć czas pracy pomiędzy ładowaniami, projektanci systemów z zasilaniem bateryjnym zawsze muszą brać pod uwagę sprawność konwersji energii, jak również rozmiary i wagę.

Zagadnienia te nabierają znaczenia krytycznego wraz ze wzrostem obciążeń, a także wzrostem skomplikowania projektów i wagi spowodowanym funkcjami bezpieczeństwa i pomiarów, takimi jak np. wizja, czujniki zbliżeniowe i określanie lokalizacji. A jednocześnie wymagane dodatkowe układy elektroniczne przetwarzania zużywają również więcej energii.

Aby maksymalnie wydłużyć czas pracy baterii w obliczu tych dodatkowych wyzwań, do zasilania silników, procesorów i innych podsystemów projektanci mogą wykorzystać architekturę zasilania rozproszonego opartego na komponentach. W tym podejściu poszczególne komponenty przetwornic prądu stałego mogą zostać umieszczone w punkcie odbioru (PoL) i zoptymalizowane pod kątem wysokiej sprawności, niewielkich rozmiarów (wysokiej gęstości mocy) i ogólnych parametrów działania. Podejście takie pozwala uzyskać ogólnie lżejsze systemy zasilania, a co za tym idzie dalsze korzyści, jeśli chodzi o parametry systemów robotycznych z zasilaniem bateryjnym. Zwiększa się również elastyczność, ponieważ komponenty konwersji energii można łączyć równolegle, aby sprostać rosnącemu zapotrzebowaniu na moc robota. Możliwe jest również użycie tej samej architektury zasilania dla całej platformy systemów robotycznych o różnych rozmiarach.

Artykuł opisuje pokrótce wymagania dotyczące zasilania kilku zastosowań robotycznych, takich jak zbiory rolnicze, dostawy kampusowe i konsumenckie oraz przenoszenie zapasów magazynowych. Następnie analizuje korzyści ze stosowania architektury zasilania rozproszonego opartego na komponentach i przedstawia przykładowe rozwiązania przetwornic prądu stałego firmy Vicor, a także płytki ewaluacyjne i powiązane oprogramowanie ułatwiające projektantom rozpoczęcie prac.

Wymagania robotów dotyczące zasilania

Wymagania konkretnych typów robotów w zakresie zasilania uzależnione są od zastosowania:

• Rolnicze roboty zbierające: sadzenie, pielęgnacja i zbiory plonów (owoców, warzyw, ziaren) przy użyciu automatycznego prowadzenia pojazdów, rozpoznawania obrazów oraz wielu czujników analizy warunków środowiskowych i glebowych. Duże pojazdy robotyczne są zwykle zasilane ze źródeł prądu stałego wysokiego napięcia 400V i powyżej.
• Roboty dostawcze: ostatni etap dostaw kampusowych i konsumenckich różnorodnych przedmiotów. Ładunki mogą mieć różne rozmiary i wagi, jednak roboty te zwykle są zasilane z baterii o napięciu od 48 do 100V i wymagają dłuższego czasu działania w porównaniu z robotami używanymi do przenoszenia zapasów magazynowych.
• Roboty służące do przenoszenia zapasów magazynowych: wykonują zadania zarządzania zapasami oraz realizacji zamówień w dużych środowiskach magazynowych. Roboty tej klasy są zwykle zasilane ze źródeł bateryjnych o napięciu od 24 do 72V, które mogą być ładowane, gdy zachodzi taka potrzeba.

Architektury zasilania rozproszonego opartego na komponentach do stosowania w robotyce

W tej sekcji przedstawiono cztery przykłady architektur zasilania rozproszonego opartego na komponentach przeznaczonych dla robotów: od systemów 15,9kW dla rolniczych robotów zbierających z pakietem baterii 760V, aż do systemów 1,2kW dla robotów przenoszenia zapasów magazynowych wykorzystujących pakiety baterii 48V. Wspólną cechą trzech spośród powyższych zastosowań jest szyna główna rozdzielająca zasilanie o stosunkowo wysokim napięciu w robocie, po czym następuje jedna lub kilka sekcji obniżających napięcie, które dostarczają energię do podsystemów. Szyna rozdzielająca zasilanie wysokiego napięcia poprawia sprawność i obniża prądy zasilające, umożliwiając stosowanie mniejszych, lżejszych i tańszych kabli zasilających. Czwarte zastosowanie stanowi pewne uproszczenie, które pozwala tworzyć mniejsze roboty wykorzystujące systemy zasilania bateryjnego 48V.

Sieć zasilająca (PDN) do rolniczych robotów zbierających zawiera główną szynę zasilającą 760V (ilustracja 1). Jest ona obsługiwana przez szereg izolowanych przetwornic prądu stałego o stałej przekładni (nieregulowanych) (moduły BCM po lewej stronie) o napięciu wyjściowym równym 1/16 napięcia wejściowego. Przetwornice te są używane równolegle, co pozwala na dostosowanie rozmiarów systemu do potrzeb konkretnej konstrukcji.

Ilustracja 1: sieć zasilająca (PDN) dla rolniczych robotów zbierających o mocy 15,4kW zawiera szynę rozdzielczą 760V, obsługującą sieć przetwornic niższego napięcia (DCM, PRM, NBM i obniżających). (Źródło ilustracji: Vicor)

W dalszej części sieci znajduje się szereg przetwornic o stałej przekładni (NBM, środkowa górna część) i regulowanych przetwornic obniżająco-podwyższających (PRM, środek) oraz przetwornic obniżających (dół) zasilających szyny niższych napięć według potrzeb. W tym projekcie serwomechanizmy są zasilane wprost z pośredniej szyny zasilającej 48V bez dodatkowych przetwornic prądu stałego.

Sieć zasilająca (PDN) dla robotów dostaw kampusowych i konsumenckich charakteryzuje się uproszczeniem, które może być stosowane w systemach średniej mocy dzięki wykorzystaniu niższego napięcia głównej szyny zasilającej (w tym przypadku 100V) i dodaniu regulacji w izolowanych przetwornicach prądu stałego (DCM) na głównej szynie rozdziału zasilania w celu uzyskania napięcia szyny pośredniej 48V (ilustracja 2).

Ilustracja 2: sieć (PDN) dla robotów dostaw kampusowych i konsumenckich wykorzystuje bezpośrednie zasilanie silników oraz szyny pośrednie do zasilania pozostałych podsystemów. (Źródło ilustracji: Vicor)

To podejście pozwala na użycie nieizolowanych przetwornic obniżająco-podwyższających i obniżających prądu stałego do zasilania różnorodnych podsystemów. Dodatkowo użycie niższego napięcia na głównej szynie zasilającej pozwala na bezpośrednie podłączanie napędów silnikowych do szyny głównej, natomiast serwomechanizmy mogą łączyć się wprost z szyną pośrednią 48V. Mniejsze roboty dostaw kampusowych i konsumenckich mogą zawierać szynę pośrednią o napięciu 24V oraz serwomechanizmy na napięcie 24 lub 48V, jednak ogólna architektura jest podobna.

Sieć zasilająca (PDN) dla robotów magazynowych wykorzystująca pakiet baterii 67V zawiera nieizolowane przetwornice obniżająco-podwyższające prądu stałego (PRM) na głównej szynie zasilającej (ilustracja 3). Przetwornice te zapewniają sprawność rzędu 96% do 98% i mogą być łączone równolegle w celu zapewnienia wyższej mocy. Ta architektura zawiera również nieizolowane przetwornica prądu stałego o stałej przekładni (NBM) do zasilania procesora graficznego (GPU) oraz nieizolowane regulowane przetwornice obniżające zasilające sekcje logiczne.

Ilustracja 3: sieć zasilająca (PDN) dla robotów magazynowych wykorzystuje główną szynę zasilającą 67V oraz pośrednią szynę rozdziału zasilania 48V. (Źródło ilustracji: Vicor)

W mniejszych konstrukcjach robotów wykorzystujących baterie 48V nie ma potrzeby generowania szyny o napięciu pośrednim, co upraszcza konstrukcję (ilustracja 4). Odbiorniki są zasilane bezpośrednio napięciem baterii w bezpośredniej konwersji z wykorzystaniem nieizolowanych przetwornic prądu stałego. Eliminacja szyny pośredniej w układzie zasilania zwiększa sprawność systemu i zmniejsza wagę oraz koszt układu zasilania.

Ilustracja 4: sieć zasilająca (PDN) dla robotów magazynowych wykorzystująca pakiety baterii 48V eliminuje potrzebę stosowania pośredniej szyny zasilającej, co znacznie upraszcza konstrukcję. (Źródło ilustracji: Vicor)

Zagadnienia dotyczące projektowania architektur zasilania rozproszonego

Jak ukazano powyżej, projektanci muszą podejmować liczne decyzje dotyczące układów zasilania, aby zoptymalizować sieć zasilającą (PDN) bazującą na komponentach pod kątem zastosowań robotycznych. Nie istnieją rozwiązania uniwersalne pasujące do wszystkich zastosowań. Generalnie w większych robotach korzystniejsze jest stosowanie wyższych napięć baterii, co pozwala uzyskać wyższą sprawność rozdziału zasilania oraz stosować lżejsze i mniejsze szyny dystrybucyjne.

Wybór pomiędzy izolowanymi i nieizolowanymi przetwornicami prądu stałego jest ważnym zagadnieniem podczas optymalizacji ogólnej sprawności systemu i minimalizacji kosztów. Im bliżej odbiornika niskiego napięcia znajduje się przetwornica prądu stałego, tym większa szansa, że dobrany nieizolowany komponent zasilający będzie tańszy i zwiększy ogólną sprawność sieci zasilającej (PDN). Tam gdzie to możliwe, zastosowanie tańszych przetwornic prądu stałego o stałej przekładni (nieregulowanych) również może zwiększać sprawność sieci zasilającej (PDN).

Firma Vicor oferuje przetwornice prądu stałego odpowiadające potrzebom projektantów w szerokim zakresie architektur zasilania rozproszonego opartego na komponentach, również czterech opisanych wyżej. Poniższa dyskusja koncentruje się na konkretnych urządzeniach, które mogą być używane w systemach zasilających podobnych do stosowanych w robotach dostaw kampusowych i konsumenckich, ukazanych na ilustracji 2.

Przetwornice prądu stałego do systemów zasilania w robotach

Układ DCM3623TA5N53B4T70 jest przykładem izolowanej i regulowanej przetwornicy prądu stałego DCM, która może dostarczać napięcia 48V szyny pośredniej przy zasilaniu z baterii 100V (ilustracja 5). Przetwornica ta wykorzystuje technologię przełączania przy zerowym napięciu (ZVS), która pozwala uzyskać szczytową sprawność 90,7% i gęstość mocy 653W na centymetr sześcienny. Zapewnia ona izolację 3000V pomiędzy wejściem i wyjściem.

Ilustracja 5: izolowana i regulowana przetwornica prądu stałego DCM3623TA5N53B4T70 może dostarczać napięcia 48V szyny pośredniej przy zasilaniu z baterii 100V. (Źródło ilustracji: Vicor)

Dzięki zaletom termicznym i gęstości mocy technologii obudów ChiP (Converter-housed-in-Package) firmy Vicor, moduł DCM oferuje elastyczne opcje odprowadzania ciepła przy bardzo niskich impedancjach termicznych strony górnej i dolnej. Komponenty zasilające wykorzystujące technologię ChiP pozwalają projektantom na szybkie i pewne tworzenie ekonomicznych systemów zasilania o dotychczas nieosiągalnych rozmiarach, wadze i sprawnościach.

Aby wypróbować możliwości układu DCM3623TA5N53B4T70, projektanci mogą posłużyć się płytką ewaluacyjną DCM3623EA5N53B4T70 (ilustracja 6). Płytka ewaluacyjna DCM pozwala na skonfigurowanie różnych schematów włączania i monitorowania usterek, a także trybów strojenia w zależności od wymogów konkretnego zastosowania.

Ilustracja 6: płytka ewaluacyjna DCM3623EA5N53B4T70 pozwala projektantom na sprawdzenie możliwości przetwornicy prądu stałego DCM3623TA5N53B4T70. (Źródło ilustracji: Vicor)

Płytka DCM3623EA5N53B4T70 pozwala na ewaluację przetwornic DCM w konfiguracji autonomicznej lub w układzie wielu modułów. Pozwala ona również na ewaluację wielu opcji włączania, strojenia i monitorowania usterek:

Opcje włączania:

• Wbudowany przełącznik mechaniczny (domyślnie)
• Sterowanie zewnętrzne

Opcje strojenia:

• Działanie przy ustalonym strojeniu (domyślnie): wtyk TR może „pływać” po pierwszym uruchomieniu.Moduł DCM wyłącza strojenie wyjścia i trym wyjściowy jest zaprogramowany na napięcie znamionowe VOUT.
• Działanie przy zmiennym strojeniu, z wbudowanym rezystorem zmiennym: napięcie wtyku strojenia ma charakter ratiometryczny, przy czym rezystor nastawny współdziała z rezystorem podciągającym wewnątrz modułu DCM do VCC.
• Działanie przy zmiennym strojeniu, sterowanie poza płytką: napięciem wtyku strojenia steruje zewnętrzne programowanie, którego wartość mierzona jest w odniesieniu do -IN konkretnego modułu DCM w systemie.

Opcje monitorowania usterek:

• Wbudowana dioda LED: wtyk FT steruje diodą LED informującą wizualnie o statusie usterki.
• Wbudowany sprzęgacz optyczny: wtyk FT steruje wbudowanym sprzęgaczem optycznym umożliwiającym przekazanie statusu usterki przez barierę izolacyjną pomiędzy stroną pierwotną i wtórną.

Przetwornicę obniżająco-podwyższająca prądu stałego PI3740-00 firmy Vicor można wykorzystać do dostarczania zasilania 44V i 24V odpowiednio do reflektorów szerokostrumieniowych LED i kamer HD (High Hefinition). Jest to przetwornica ZVS o wysokiej sprawności oraz szerokich zakresach wejściowych i wyjściowych. Omawiany układ SiP (System-in-Package) wysokiej gęstości integruje kontroler, przełączniki zasilania oraz komponenty pomocnicze (ilustracja 7). Charakteryzuje się on szczytową sprawnością 96%, a także dobrą sprawnością przy niskich obciążeniach.

Ilustracja 7: obniżająco-podwyższającą przetwornicę SiP prądu stałego PI3740-00 można wykorzystać do zasilania reflektorów szerokostrumieniowych LED i kamer HD w robotach dostaw kampusowych i konsumenckich. (Źródło ilustracji: Vicor)

Do stworzenia kompletnego regulatora obniżająco-podwyższającego układ PI3740-00 wymaga zewnętrznej cewki indukcyjnej, dzielnika rezystancyjnego oraz kondensatorów minimalnych. Częstotliwość przełączania 1MHz zmniejsza rozmiary zewnętrznych komponentów filtrujących, poprawia gęstość mocy i zapewnia szybką reakcję dynamiczną na stany nieustalone w linii i obciążeniu.

Aby ułatwić szybkie rozpoczęcie projektowania z wykorzystaniem układów PI3740-00, firma Vicor oferuje płytki PI3740-00-EVAL1 umożliwiające ewaluację układów PI3740-00 w zastosowaniach z ustalonym napięciem, w których V_OUT przekracza 8V. Płytka działa przy napięciach wejściowych w przedziale od 8 do 60V= i dostarcza napięć wyjściowych do 50V=. Charakterystyka płytki ewaluacyjnej:

• Oczka wejściowe i wyjściowe do podłączania źródła i obciążenia
• Miejsce do zainstalowania przewlekanego aluminiowo-elektrolitycznego kondensatora wejściowego
• Wejściowy filtr źródła
• Gniazdo sondy oscyloskopowej zapewniające dokładny pomiar sygnału wyjściowego wysokiej częstotliwości i napięcia wejściowego
• Punkty pomiarowe wtyków sygnałowych oraz złącza przewodowe
• Punkty pomiarowe napięcia Kelvina oraz gniazda dla wszystkich wtyków układu PI3740
• Pomiar prądu strony niskiej i wysokiej wybierany przy użyciu mostka
• Napięcie naładowania wybierane mostkiem

Regulator obniżający PI3526-00-LGIZ firmy Vicor można wykorzystać aby zapewnić zasilanie 12V dla podsystemów komputerowych i bezprzewodowych w sieci zasilającej (PDN) (ilustracja 8). Ta przetwornica prądu stałego zapewnia sprawność dochodzącą do 98% i pozwala na regulowane przez użytkownika płynne uruchamianie i śledzenie, a także funkcje szybkiego i zwłocznego ograniczania prądu. Wspomniane regulatory ZVS integrują kontrolery, przełączniki zasilania oraz komponenty pomocnicze w konfiguracji SiP (System-in-Package).

Ilustracja 8: regulator obniżający PI3526-00-LGIZ firmy Vicor można wykorzystać aby zapewnić zasilanie 12V wymagane dla podsystemów komputerowych i bezprzewodowych w sieci zasilającej (PDN) robotów dostaw kampusowych i konsumenckich. (Źródło ilustracji: Vicor)

Płytkę ewaluacyjną PI3526-00-EVAL1 firmy Vicor można skonfigurować pod kątem eksperymentów z regulatorem obniżającym PI3526-00-LGIZ w konfiguracji autonomicznej lub pomiaru zdalnego. Dostępne są gniazda umożliwiające szybkie podłączanie sond i instalację wejściowego kondensatora dużej pojemności. Płytka ewaluacyjna posiada oczka i pola na gniazda bananowe na dolnej warstwie umożliwiające wykonanie połączeń wejściowych i wyjściowych, złącza sygnałowe, punkty pomiarowe i gniazda Kelvina-Johnsona umożliwiające dokładne pomiary napięcia węzła zasilania.

Podsumowanie

Konwersja energii w systemach robotycznych staje się coraz bardziej problematyczna ze wzrostem obciążeń, rozwojem funkcji użytkownika i rozpoznawania obrazów, a także poziomu skomplikowania robotów. Istniejące rozwiązania zasilania mają swoje ograniczenia jeżeli chodzi o rozmiary, sprawność, wagę i skalowalność, przez co gorzej nadają się do stosowania w robotyce. W zastosowaniach robotycznych, do zasilania silników, procesorów i innych systemów projektanci mogą zdecydować się na architektury zasilania rozproszonego opartego na komponentach.

Jak wykazano, podejście takie pozwala uzyskać ogólnie lżejsze systemy zasilania, a co za tym idzie dalsze korzyści, jeśli chodzi o parametry systemów robotycznych z zasilaniem bateryjnym. Zwiększa się również elastyczność, ponieważ komponenty konwersji energii można łączyć równolegle, aby sprostać rosnącemu zapotrzebowaniu na moc, co umożliwia użycie tej samej architektury zasilania dla całej platformy systemów robotycznych o różnych rozmiarach.

Rekomendowane artykuły

1. Zmniejszanie ryzyka związanego z robotami: projektowanie bezpiecznych środowisk przemysłowych
2. Wykorzystanie kompaktowych robotów przemysłowych zwiększy wydajność każdego warsztatu