Hvorfor og hvordan bruke en komponentbasert distribuert strømarkitektur for robotikk

Bruken av batteridrevne roboter er i vekst på tvers av flere ulike bruksområder, for eksempel fabrikkautomasjon, landbruk, leveringstjenester for universiteter og forbrukere og lagerbeholdningsstyring. For å oppnå maksimal driftstid mellom ladninger, har utviklerne av disse batterisystemene alltid vært nødt til å ta hensyn til virkningsgraden til effektomformingen, samt størrelse og vekt.

Disse bekymringene har imidlertid blitt mer kritiske ettersom belastningskapasiteter fortsetter å øke og deteksjons- og sikkerhetsfunksjoner, for eksempel syn, rekkevidde, nærhet, lokalitet, med mer, bidrar til kompleksitet og fysisk vekt. Samtidig bruker den ekstra elektronikkbehandlingen som kreves mer strøm.

For å maksimere batterilevetiden når disse utfordringene dukker opp, kan utviklerne velge å bruke en komponentbasert distribuert strømforsyningsarkitektur til å drive motorer, CPU-er og andre delsystemer. I en slik tilnærming kan hver enkelt DC-DC-strømkonverteringskomponent plasseres på belastningspunktet (PoL – Point of Load) og optimaliseres for høy virkningsgrad, liten størrelse (høy effekttetthet) og generell ytelse. Denne tilnærmingen kan resultere i et mindre samlet strømsystem, noe som muliggjør ytterligere ytelsesgevinster for batteridrevne robotsystemer. Fleksibiliteten forbedres også siden strømkonverteringskomponenter kan parallellkobles, noe som gjør at de enkelt kan skaleres når strømbehovene for robotikk øker. De sørger også for at den samme strømarkitekturen kan distribueres på tvers av en plattform med forskjellige robotsystemer.

Denne artikkelen forklarer kort strømbehovet til flere robottekniske bruksområder, deriblant innhøsting i landbruksindustrien, leveringstjenester for universiteter og forbrukere og flytting av lagerbeholdning. Den tar deretter for seg fordelene ved å bruke en komponentbasert distribuert strømforsyningsarkitektur, og introduserer videre eksempelløsninger for DC-DC-omformere fra Vicor, i tillegg til evalueringskort og tilhørende programvare for å hjelpe utviklere med å komme i gang.

Strømkrav for roboter

Strømkravene til bestemte robottyper fastsettes av installasjonen:

• Innhøstingsroboter for landbruksindustrien: Plante, vedlikeholde og høste råvarer (frukt, grønnsaker, korn) ved hjelp av automatisert kjøretøystyring, kombinert med visuell gjenkjennelse og flere sensorer for analysering av miljø og jordbunn. Disse store robotkjøretøyene drives vanligvis av en høyspent likestrømskilde på 400 volt eller mer.
• Leveringsroboter: Varelevering for den siste strekningen til forbrukere eller universiteter. Selv om nyttelasten varierer når det kommer til størrelse og vekt, drives disse robotene vanligvis av batterier på 48 til 100 volt, og de har større krav til batterilevetid (kjøretid) sammenlignet med roboter som flytter lagervarer.
• Flytteroboter for lagerbeholdning: Tilby lagerstyring og ordreoppfyllingsoppgaver i store lageromgivelser. Denne robotklassen drives vanligvis av en batterikilde på 24 til 72 volt, og ladning kan utføres etter behov.

Komponentbasert distribuert strømarkitektur for robotikk

Denne seksjonen tar for seg fire eksempler på komponentbaserte distribuerte strømarkitekturer for roboter, som spenner fra et system på 15,9 kilowatt (kW) for innhøstingsroboter i landbruksindustrien med en batteripakke på 760 volt, ned til et system på 1,2 kilowatt (kW) for roboter som flytter lagervare ved bruk av en batteripakke på 48 volt. En vanlig egenskap i tre av disse bruksområdene, er at de har en relativt høy spenning på hovedbussen som distribuerer strøm gjennom roboten, etterfulgt av en eller flere seksjoner for spenningsreduksjon som leverer den nødvendige strømmen til delsystemene. En strømfordelingsbuss med høy spenning resulterer i forbedret effektivitet og lavere strømdistribusjonsmengde, noe som muliggjør bruk av mindre, lettere og billigere strømkabler. Den fjerde installasjonen viser forenklingen som kan resultere i mindre roboter som bruker batterisystemer på 48 volt.

Strømforsyningsnettverket (PDN – power delivery network) for innhøstingsroboter i landbruksindustrien omfatter en hovedstrømbuss på 760 volt (figur 1). Dette støttes av en serie med isolerte DC-DC-omformere (vist som BCM-moduler til venstre) med faste forhold (uregulerte), som har en utgangsspenning som er 1/16 av inngangsspenningen. Disse omformerne brukes parallelt, noe som gjør at størrelsen på systemet kan endres i henhold til behovene til den spesifikke installasjonen.

Figur 1: Dette PDN-et for 15,4 kW innhøstingsroboter i landbruksindustrien omfatter en distribusjonsbuss på 760 volt som støtter et nettverk med lavere spenningsomformere (DCM, PRM, NBM og buck/nedtransformering). (Bildekilde: Vicor)

Lenger inn i nettverket finner vi en serie med faste (NBM, øvre midtområde) og regulerte opp-/nedtransformeringsomformere (PRM, senter) og nedtransformeringsomformere (nederst) som driver nedstrøms skinner med lavere spenning, etter behov. I denne konstruksjonen drives servoen direkte fra mellomstrømbussen på 48 volt uten ekstra DC-DC-omforming.

PDN-et til leveringsroboter for universiteter og forbrukere viser forenklingen som kan resultere i middels strømsystemer ved å benytte en lavere spenning på hovedstrømbussen (i dette tilfellet, 100 volt), og bidrar til regulering på de isolerte DC-DC-omformerne (DCM) på hovedbussen for strømdistribuering for å produsere en mellombusspenning på 48 volt (figur 2).

Figur 2: PDN-et til leveringsroboter for universiteter og forbrukere omfatter direktedrift for motoren og en mellombuss til å drive de gjenværende delsystemene. (Bildekilde: Vicor)

Denne tilnærmingen muliggjør bruk av uisolerte ned-/opptransformeringsomformere og opptransformeringsomformere (DC-DC) til å drive de forskjellige delsystemene. I tillegg gjør bruken av en lavere spenning på hovedstrømbussen det mulig for motordrivverket å koble seg direkte til hovedbussen, mens servoen kan kobles direkte til mellombussen på 48 volt. Mindre leveringsroboter for universiteter og forbrukere kan benytte en mellombusspenning på 24 volt og servoer på enten 24 eller 48 volt, men den generelle arkitekturen er lik.

PDN-et for lagerroboter som bruker batteripakker på 67 volt, fremhever bruken av uisolerte ned-/opptransformeringsomformere (PRM) på hovedstrømbussen (figur 3). Disse omformerne leverer en effektivitet på 96–98 %, og de kan parallellkobles for bruksområder med høyere strømbehov. Denne arkitekturen har også en uisolert ned-/opptransformeringsomformer (NBM) med fast forhold til å drive GPU-en, og uisolerte regulerte nedtransformeringsomformere til å drive de logiske seksjonene.

Figur 3: PDN-et til lagerroboter kombinerer en hovedbuss på 67 volt og en mellombuss for strømdistribusjon på 48 volt. (Bildekilde: Vicor)

For mindre robotkonstruksjoner som bruker 48-volts batterier, er det ikke behov for å generere en mellombusspenning, noe som forenkler konstruksjonen (figur 4). Lastene drives direkte fra batterispenningen via direkte konvertering ved å bruke forskjellige uisolerte DC-DC-omformere. Eliminering av mellombussen i strømoverføringen øker systemeffektiviteten og reduserer strømsystemets vekt og kostnader.

Figur 4: PDN-et til lagerroboter som bruker batteripakker på 48 volt eliminerer behovet for en mellomliggende strømbuss, noe som forenkler konstruksjonen. (Bildekilde: Vicor)

Hensyn som må tas under konstruksjon av distribuert strømarkitektur

Som vist ovenfor, må utviklere ta flere valg når det kommer til strømsystemet for å optimalisere et komponentbasert PDN for robotikk. Det er ingen løsninger som passer for alle formål. Generelt sett drar større roboter nytte av høyere batterispenninger, noe som kan resultere i høyere virkningsgrad når det kommer til strømdistribusjon og mindre, lettere strømdistribusjonsbusser.

Bruken av isolerte kontra uisolerte DC-DC-omformere er et viktig hensyn som må tas når den samlede systemvirkningsgraden skal optimaliseres og kostnadene minimeres. Desto nærmere DC-DC-omformeren er en lavspenningslast, desto mer sannsynlig er det at det optimale valget vil være en billigere, uisolert strømkomponent, noe som vil øke den totale PDN-virkningsgraden. Når det er hensiktsmessig, kan bruken av billigere DC-DC-omformere med fast forhold (uregulerte) også bidra til høyere PDN-virkningsgrad.

Vicor tilbyr DC-DC-omformere som er i stand til å etterkomme behovene til utviklere i et bredt spekter av komponentbaserte distribuerte strømforsyningsarkitekturer, inkludert de fire vi tok for oss ovenfor. Den følgende utredningen fokuserer på bestemte enheter som kan brukes i et strømforsyningssystem, som ligner på det som er beskrevet for leveringsroboter for universiteter og forbrukere, som vist i figur 2.

DC-DC-omformere for robotstrømsystemer

DCM3623TA5N53B4T70 er et eksempel på en DCM-isolert og regulert DC-DC-omformer som kan produsere en mellombusspenning på 48 volt fra en batterispenning på 100 volt (figur 5). Denne omformeren bruker ZVS-teknologi (ZSV – zero voltage switching) til å levere en toppeffektivitet på 90,7 % og en effekttetthet på 653 watt per kubikkcentimeter. Den leverer en likespenningsisolering på 3000 volt mellom inngang og utgang.

Figur 5: DCM3623TA5N53B4T70, isolert og regulert DC-DC-omformer som kan produsere en mellombusspenning på 48 volt fra en batterispenning på 100 volt. (Bildekilde: Vicor)

DCM-modulen utnytter de termiske og tetthetsmessige fordelene til Vicors ChiP (ChiP – Converter-housed-in-Package)-innkapslingsteknologi, og tilbyr fleksible varmestyringsalternativer med svært lave varmeimpedanser på topp- og bunnivå. ChiP-baserte strømkomponenter gjør det mulig for utviklere å oppnå kostnadseffektive strømsystemløsninger med tidligere uoppnåelig systemstørrelse, vekt og virkningsgrad, på en rask og forutsigbar måte.

For å begynne å utforske mulighetene til DCM3623TA5N53B4T70, kan utviklere bruke evalueringskortet DCM3623EA5N53B4T70 (figur 6). DCM-evalueringskortet kan konfigureres for forskjellige aktiverings- og feilovervåkningsplaner, samt utøve forskjellige trimmemåter, avhengig av kravene til konstruksjonen.

Figur 6: Evalueringskortet DCM3623EA5N53B4T70 gjør det mulig for utviklere å utforske mulighetene til DC-DC-omformeren DCM3623TA5N53B4T70. (Bildekilde: Vicor)

DCM3623EA5N53B4T70 kan brukes til å evaluere DCM-er i enten en frittstående konfigurasjon eller som en del av en modulmatrise. Den støtter også evaluering av ulike muligheter for aktivering, trimming og feilovervåking:

Aktiveringsalternativer:

• Integrert mekanisk bryter (standard)
• Ekstern styring

Trimmealternativer:

• Fast trimmeoperasjon (standard): TR-pinnen kan flyte ved førstegangs oppstart.DCM-en deaktiverer utgangstrimming, og utgangstrimmingen er programmert til den nominelle, klassifiserte VUT (VOUT)-verdien.
• Variabel trimmeoperasjon, integrert variabel motstand: Trimpinnespenningen er ratiometrisk, med en reostat som utfører arbeid mot en opptrekksmotstand (pull-up resistor) på innsiden av DCM-en til VCC.
• Variabel trimmeoperasjon, ikke-kort-styring: Trimpinnespenningen styres via ekstern programmeringsstyring, som refereres til –INN (–IN) på hver bestemte DCM i systemet.

Alternativer for feilovervåking:

• Integrert lysdiode: FT-pinnen driver en synlig lysdiode for å gi visuell tilbakemelding om feilstatus.
• Integrert optokobler: FT-pinnen driver en integrert optokobler for å bringe feilstatus over den primære-sekundære isolasjonsgrensen.

Vicors PI3740-00 ned-/opptransformeringsomformer (DC-DC) kan brukes til å produsere en spenning på henholdsvis 44 volt og 24 volt for LED-flomlys og HD-kameraer. Det er en ZVS-omformer med høy effektivitet og stort inngangs- og utgangsområde. Dette SiP-systemet (Sip – System in Package) med høy tetthet integrerer en styringsenhet, strømbrytere og støttekomponenter (figur 7). Den har en øvre virkningsgrad på opptil 96 %, samt god virkningsgrad for lette belastninger.

Figur 7: PI3740-00 ned-/opptransformeringsomformer (DC-DC) SiP-en kan brukes til å drive LED-flomlys og HD-kameraer i PDN-et for leveringsroboter for universiteter og forbrukere. (Bildekilde: Vicor)

PI3740-00 krever en ekstern induktor, resistiv deler og minimale kondensatorer for å danne en komplett ned-/opptransformeringsregulator. Koblingsfrekvensen på 1 megahertz (MHz) reduserer størrelsen på de eksterne filtreringskomponentene, noe som forbedrer effekttettheten og muliggjør rask, dynamisk respons på linje- og lasttransienter.

For å få installasjonen i gang med PI3740-00, tilbyr Vicor PI3740-00-EVAL1, som kan evaluere PI3740-00 i installasjoner med konstant spenning, der V_{UT (OUT)} er over 8 volt. Kortet opererer med en inngangsspenning på mellom 8 og 60 volt likespenning, og det støtter utgangsspenninger på opptil 50 volt likespenning. Funksjonene til dette evalueringskortet omfatter:

• Inngangs- og utgangskabelsko for kilde- og lasttilkoblinger
• Sted for å plassere en aluminium-elektrolyttkondensator med hullmonteringsinngang
• Inngangskildefilter
• Oscilloskop-probekontakt for måling av nøyaktige, høyfrekvente utgangs- og inngangsspenninger
• Testpunkter for signalpinner og ledningskontakter
• Kelvin-spenningstestpunkter og uttak for alle PI3740-pinnene
• Strømføling på høy-/lavside som kan velges via bro (jumper)
• Flytspenning som kan velges via bro (jumper)

PI3526-00-LGIZ-nedtransformeringsregulatoren (buck-regulator) fra Vicor kan også brukes til å levere 12 volt til en datamaskin og trådløse delsystemer i PDN-et (figur 8). Denne DC-DC-omformeren leverer en virkningsgrad på opptil 98 %, og gir støtte for brukerjusterbar mykstart og sporing som omfatter raske og langsomme strømgrensemuligheter. Disse ZVS-regulatorene integrerer styringsenheten, strømbryterne og støttekomponentene i en SiP-konfigurasjon.

Figur 8: nedtransformeringsregulatoren (buck-regulator) PI3526-00-LGIZ fra Vicor kan brukes til å levere 12 volt som kreves av en datamaskin og trådløse delsystemer i PDN-et for leveringsroboter for universiteter og forbrukere. (Bildekilde: Vicor)

PI3526-00-EVAL1-evalueringskortet fra Vicor kan konfigureres for eksperimentering med PI3526-00-LGIZ-nedtransformeringsregulatoren (buck-regulator) i en frittstående eller fjernmålende konfigurasjon. Uttak tilbys for å muliggjøre rask probetesting og plassering av en bulk-inngangskondensator. Evalueringskortet kommer med kabelsko, banankontakter for den nedre monteringsflaten for inngangs- og utgangstilkoblinger, signalkontakter og testpunkter, og Kelvin Johnson-Jacks som gir nøyaktige målinger av strømnodens spenning.

Konklusjon

Behovene til robotikksystemenes strømkonvertering blir mer utfordrende etter hvert som lastkapasitet, visuell gjenkjenning og brukerfunksjonalitet øker kompleksiteten til roboter. Eksisterende strømløsninger kan lide av ytelsesbegrensninger når det kommer til størrelse, virkningsgrad, vekt og skalerbarhet, noe som gjør dem mindre egnet for robotikkinstallasjoner. For robotikkinstallasjoner kan utviklere velge å bruke komponentbaserte distribuerte strømforsyningsarkitekturer for å drive motorer, CPU-er og andre systemer.

Som vist, kan denne tilnærmingen resultere i et strømsystem med lettere vekt, noe som muliggjør ytterligere ytelsesgevinster for batteridrevet robotikk. Fleksibiliteten forbedres også ettersom strømkonverteringskomponenter kan parallellkobles for å enkelt kunne skaleres etter hvert som strømkravene øker, noe som gjør at den samme strømarkitekturen kan distribueres på tvers av en plattform med robotsystemer av forskjellige størrelser.

Anbefalt lesing

1. Redusere robotrisiko: Hvordan utvikle trygge industrielle omgivelser
2. Bruk kompakte industrielle roboter for å gjøre en hvilken som helst butikk mer produktiv