L'utilisation de robots alimentés par batterie est en plein essor dans des applications telles que l'automatisation d'usine, l'agriculture, la livraison sur campus et aux utilisateurs et la gestion des stocks d'entrepôt. Pour obtenir une autonomie maximale entre les charges, les concepteurs de ces systèmes de batterie ont toujours dû se soucier de l'efficacité de la conversion d'énergie, ainsi que de la taille et du poids.
Cependant, ces préoccupations sont devenues plus critiques à mesure que les capacités de charge utile continuent d'augmenter et que les caractéristiques de détection et de sécurité telles que la vision, la portée, la proximité et la localisation, entre autres, ajoutent au poids physique et à la difficulté de conception. A l'époque, le traitement électronique L'auxiliaire requis consomme également plus d'énergie.
Pour maximiser la durée de vie de la batterie face à ces défis auxiliaires, les concepteurs peuvent se tourner vers une architecture d'alimentation électrique distribuée basée sur des composants pour alimenter les moteurs, les processeurs et d'autres sous-systèmes. Dans cette approche, chaque composant de conversion de puissance CC-CC individuel peut être placé au point de charge (PoL) et optimisé pour un rendement élevé, une petite taille (densité de puissance élevée) et des performances globales. Cette approche peut se traduire par un système d'alimentation global plus léger, permettant une performance accrue des systèmes robotiques alimentés par batterie. La flexibilité est également accrue, car les composants de conversion de puissance peuvent facilement être mis à l'échelle en parallèle à mesure que les demandes de puissance robotique augmentent, et permettent également de déployer la même architecture de puissance sur une plate-forme de système robotique multi-taille.
Cet article résume de manière concise les besoins en énergie de plusieurs applications robotiques, notamment la récolte agricole, la livraison aux campus et aux utilisateurs et le mouvement des stocks dans les entrepôts. Il va maintenant examiner les avantages de l'utilisation d'une architecture d'alimentation électrique distribuée à base de composants, puis présenter des exemples de solutions de convertisseur CC-CC de Vicor, ainsi que des cartes d'évaluation et des logiciels associés pour aider les concepteurs à démarrer.
Exigences de puissance pour les robots
Les exigences de puissance pour des types particuliers de robots sont déterminées par l'application :
Robots de récolte agricole : plantez, tenez et récoltez des cultures (fruits, légumes, céréales) à l'aide d'un guidage automatique de voiture ainsi que d'une reconnaissance visuelle et de multiples capteurs d'analyse de l'environnement et du sol. Ces grandes voitures robotisées sont généralement alimentées par une source haute tension de XNUMX volts ou plus.
Robots de livraison : utilisateurs du dernier kilomètre ou livraison de plusieurs articles sur le campus. Bien que les charges utiles varient en taille et en poids, ces robots fonctionnent généralement sur des batteries de XNUMX à XNUMX volts et ont des exigences d'autonomie plus longues que la classe de stock d'entrepôt des robots mobiles.
Robots de gestion des stocks d'entrepôt : ils assurent la gestion des stocks et les tâches d'exécution des commandes dans les grands entrepôts. Cette classe de robot est généralement alimentée par une source de batterie de XNUMX à XNUMX volts avec une charge occasionnelle effectuée au besoin.
Architectures d'alimentation distribuée à base de composants pour la robotique
Cette section examine 4 exemples d'architectures d'alimentation distribuée à base de composants pour robots allant d'un système de 3 kilowatts (kW) pour les robots de récolte agricole avec un ensemble de batteries de XNUMX volts jusqu'à un système de XNUMX volts. pack de piles de quarante-huit volts. Une caractéristique commune à ces trois applications est un bus principal partiellement haute tension qui distribue l'alimentation dans tout le robot, suivi d'une ou plusieurs sections de chute de tension qui fournissent l'alimentation requise aux sous-systèmes. Un bus de distribution d'alimentation haute tension se traduit par un rendement plus élevé et des courants de distribution d'alimentation plus faibles, ce qui permet l'utilisation de câbles d'alimentation plus petits, plus légers et moins coûteux. La quatrième application montre la simplification qui peut entraîner des robots plus petits utilisant des systèmes de batterie de quarante-huit volts.
Le réseau d'alimentation (PDN) des robots de récolte agricole comprend un bus d'alimentation primaire de sept cent soixante volts (Figure 1). Ceci est pris en charge par une série de convertisseurs CC-CC autonomes à rapport fixe (non régulés) (illustrés sous forme de modules BCM à gauche) avec une tension de sortie de 1/16 de la tension d'entrée. Ces convertisseurs sont utilisés en parallèle, ce qui permet de redimensionner le système en fonction des besoins de la conception spécifique.
Plus tard sur Internet, une série de convertisseurs à rapport fixe (NBM, milieu supérieur) et de convertisseurs buck-boost régulés (PRM, centre) et buck (inférieur) alimentent le courant, les rails de tension inférieurs selon les besoins. Dans cette conception, le servo est entraîné directement à partir du bus d'alimentation intermédiaire de quarante-huit volts sans conversion auxiliaire CC-CC.
Le PDN pour les robots de distribution grand public et de campus montre la simplification qui peut entraîner des systèmes de moyenne puissance en utilisant une tension de bus d'alimentation primaire inférieure (dans ce cas, cent volts) et en ajoutant une régulation aux convertisseurs DC-DC séparés (DCM) sur le bus de distribution d'alimentation principal pour générer la tension de bus intermédiaire de quarante-huit volts (Figure XNUMX).
Cette approche laisse l'utilisation de convertisseurs DC-DC non séparés pour alimenter les différents sous-systèmes. De plus, l'utilisation d'une tension inférieure pour le bus d'alimentation principal permet au moteur d'entraînement d'être directement connecté au bus principal, tandis que le servo peut être directement connecté au bus intermédiaire de XNUMX volts. . Les petits robots de distribution grand public et de campus peuvent ajouter une tension de bus intermédiaire de XNUMX volts et des servos de XNUMX ou XNUMX volts, mais l'architecture générale est similaire.
Le PDN pour les robots d'entrepôt utilisant une batterie de XNUMX volts met en évidence l'utilisation de convertisseurs CC-CC (PRM) non séparés sur le bus d'alimentation principal (Figure XNUMX). Ces convertisseurs offrent des rendements de quatre-vingt-seize à quatre-vingt-dix-huit pour cent et peuvent être mis en parallèle pour des besoins de puissance plus élevés. Cette architecture comprend également un convertisseur CC-CC non séparé à rapport fixe (NBM) pour alimenter le GPU, et des convertisseurs abaisseurs régulés non séparés pour alimenter les sections logiques.
Pour les conceptions de robots plus petits utilisant une batterie de quarante-huit volts, il n'est pas nécessaire de produire une tension de bus intermédiaire, ce qui facilite la conception (Figure XNUMX). Les charges sont alimentées directement à partir de la tension de la batterie par conversion directe à l'aide de plusieurs convertisseurs DC-DC non séparés. L'élimination du bus intermédiaire dans le groupe motopropulseur augmente l'efficacité du système et réduit le poids et le coût du système d'alimentation.
Considérations relatives à la conception de l'architecture d'alimentation distribuée
Comme indiqué ci-dessus, les concepteurs doivent faire de nombreux choix de systèmes d'alimentation pour optimiser un PDN à base de composants pour la robotique. Il n'y a pas d'approche "taille unique". Les robots plus grands bénéficient généralement de tensions de batterie plus élevées, ce qui peut entraîner une plus grande efficacité de distribution d'énergie et des bus de distribution d'énergie plus petits et plus légers.
L'utilisation de convertisseurs DC-DC bypassés ou non bypass est une considération essentielle pour optimiser l'efficacité globale du système et minimiser les coûts. Plus le convertisseur DC-DC est proche d'une charge basse tension, plus il est probable qu'un composant d'alimentation non séparé à faible coût soit le choix parfait, augmentant l'efficacité globale du PDN. Le cas échéant, l'utilisation de convertisseurs CC-CC à rapport fixe moins coûteux (non régulés) peut également contribuer à une efficacité PDN plus élevée.
Vicor propose des convertisseurs DC-DC capables de répondre aux besoins des concepteurs dans une large gamme d'architectures d'alimentation distribuée à base de composants, y compris les 4 décrites précédemment. La discussion suivante se concentre sur des dispositifs spécifiques qui peuvent être utilisés dans un système d'alimentation électrique similaire à celui décrit pour les robots d'alimentation de campus et d'utilisateur, comme illustré à la figure XNUMX.
Convertisseurs DC-DC pour systèmes d'alimentation de robots
Le DCM3623TA5N53B4T70 est un boîtier de convertisseur DCM séparé et régulé qui peut générer la tension de bus intermédiaire de quarante-huit volts à partir d'une batterie de cent volts (Figure cinq). Ce convertisseur utilise la technologie Zero Voltage Switching (ZVS) pour offrir une efficacité maximale de XNUMX % et une densité de puissance de XNUMX watts par pouce cube. Il donne une isolation de trois avec zéro volts continu entre l'entrée et la sortie.
Tirant parti des avantages thermiques et de densité de la technologie de conditionnement ChiP de Vicor, le module DCM offre des options de gestion thermique flexibles avec des impédances thermiques supérieures et inférieures extrêmement faibles. Les composants d'alimentation à base de puces permettent aux concepteurs d'obtenir des solutions rentables pour les systèmes d'alimentation avec des attributs auparavant inaccessibles de taille, de poids et d'efficacité du système, rapidement et de manière prévisible.
Pour commencer à explorer les capacités du DCM3623TA5N53B4T70, les concepteurs peuvent utiliser la carte d'évaluation DCM3623EA5N53B4T70 (Figure six). La carte d'évaluation DCM peut être configurée pour plusieurs schémas d'activation et de surveillance des défauts, afin d'exercer plusieurs modes de compensation en fonction des exigences de l'application.
Le DCM3623EA5N53B4T70 peut être utilisé pour évaluer les DCM dans une configuration autonome ou comme un ensemble de modules. Il prend également en charge l'évaluation de plusieurs options d'activation, d'écrêtage et de surveillance des défauts :
Activer les options :
- Interrupteur mécanique embarqué (par défaut)
- Contrôle externe
Options de garniture :
- Fonctionnement fixe (par défaut) : la broche TR est autorisée à flotter lors de la mise sous tension initiale. Le DCM désactive l'écrêtage de sortie et l'écrêtage de sortie est réglé sur VOUT nominal.
- Opération de compensation variable, résistance variable intégrée : la tension de la broche de compensation est ratiométrique, avec un rhéostat fonctionnant contre une résistance de rappel sur le DCM à VCC.
- Opération de compensation variable, commande hors navire : la tension de la broche de compensation est contrôlée par une commande de programmation externe, qui est référencée au -IN de chaque DCM particulier dans le système.
Options de surveillance des défauts :
- LED embarquée : la broche FT pilote une LED perceptible pour un retour visuel de l'état du défaut.
- Optocoupleur intégré : la broche FT pilote un optocoupleur intégré pour piloter l'état de défaut à travers la limite d'isolement primaire-secondaire.
Le convertisseur DC-DC PI3740-zéro de Vicor peut être utilisé pour générer une alimentation de quarante-quatre et vingt-quatre volts pour les projecteurs LED et les caméras HD, respectivement. Il s'agit d'un convertisseur ZVS à haut rendement avec une large plage d'entrée et de sortie. Ce système en boîtier (SiP) haute densité intègre un superviseur, des commutateurs d'alimentation et des composants de support (Figure XNUMX). Il a une efficacité maximale allant jusqu'à quatre-vingt-seize pour cent, ainsi qu'une bonne efficacité dans la charge légère.
- Le PI3740-zero nécessite une inductance externe, un diviseur résistif et un minimum de condensateurs pour former un régulateur buck-boost complet. La fréquence de commutation de 1 mégahertz (MHz) réduit la taille des composants de filtrage externes, améliore la densité de puissance et permet une réponse active rapide aux transitoires de ligne et de charge. EVAL3740 pour évaluer le PI3740-zéro dans les applications à tension continue où le VOUT est supérieur à huit volts. La carte fonctionne avec une tension d'entrée comprise entre huit et soixante volts DC et prend en charge des tensions de sortie allant jusqu'à cinquante volts DC. Les caractéristiques de cette carte d'évaluation comprennent :
- Commutateurs d'entrée et de sortie pour les connexions de source et de charge
- Emplacement pour mettre un condensateur électrolytique en aluminium à entrée traversante
- Filtre de source d'entrée
- Prise de sonde d'oscilloscope pour des mesures précises de la sortie haute fréquence et de la tension d'entrée
- Les points de test des broches de signal et des connecteurs de câble
- Points de test de tension Kelvin et prises pour chaque broche du PI3740
- Détection de courant haut/bas sélectionnable par cavalier
- Tension flottante sélectionnable par pont
Enfin, le régulateur PI3526-zero-LGIZ de Vicor peut être utilisé pour fournir une alimentation douze volts à un ordinateur et à des sous-systèmes sans fil PDN (Figure huit). Ce convertisseur DC-DC offre jusqu'à XNUMX % d'efficacité et prend en charge le démarrage progressif et le suivi réglable par l'utilisateur, y compris les capacités de limitation de courant rapide et lente. Ces régulateurs ZVS intègrent le superviseur, les commutateurs d'alimentation et les composants de support dans une configuration SiP.
La carte d'évaluation PI3526-zero-EVAL1 de Vicor peut être configurée pour tester avec le régulateur abaisseur PI3526-zero-LGIZ dans une configuration autonome ou à détection de distance. Des fiches sont fournies pour permettre un sondage rapide et le placement d'un condensateur d'entrée en masse. La carte d'évaluation comprend des cosses, des empreintes de couche inférieure de fiche banane pour les connexions d'entrée et de sortie, des prises de signal et des points de test, et des prises Kelvin Johnson pour des mesures précises de la tension du nœud d'alimentation.
Conclusion
Les besoins de conversion de puissance des systèmes robotiques deviennent plus difficiles à mesure que les capacités de charge utile, la reconnaissance visuelle et les fonctionnalités de l'utilisateur augmentent la difficulté des robots. Les solutions d'alimentation existantes peuvent souffrir de contraintes de performances en termes de taille, d'efficacité, de poids et d'évolutivité, ce qui les rend moins adaptées aux applications robotiques. Pour les applications robotiques, les concepteurs peuvent se tourner vers des architectures d'alimentation distribuées basées sur des composants pour alimenter des moteurs, des processeurs et d'autres systèmes.
Comme indiqué, cette approche peut se traduire par un système d'alimentation plus léger, permettant des performances plus élevées de la robotique alimentée par batterie. La flexibilité est également accrue, car les composants de conversion de puissance peuvent être facilement mis à l'échelle en parallèle à mesure que la demande de puissance augmente, ce qui permet de déployer exactement la même architecture de puissance sur une plate-forme de système robotique multi-taille.
