Perché e come utilizzare un'architettura di alimentazione distribuita basata sui componenti per la robotica

L'uso dei robot alimentati a batteria sta crescendo in applicazioni come l'automazione di fabbrica, l'agricoltura, la consegna a domicilio e la gestione delle scorte a magazzino. Per il massimo tempo di funzionamento tra una carica e l'altra, i progettisti di questi sistemi a batteria hanno sempre dovuto preoccuparsi dell'efficienza della conversione di potenza, oltre che delle dimensioni e del peso della soluzione.

Tuttavia, queste preoccupazioni sono diventate più critiche con le capacità di carico che continuano ad aumentare e che le caratteristiche di rilevamento e sicurezza come la visione, la distanza, la vicinanza, la posizione, tra le altre, aggiungono complessità e peso fisico al progetto. Allo stesso tempo, anche l'elaborazione elettronica supplementare necessaria consuma più energia.

Per massimizzare la durata della batteria di fronte a queste ulteriori sfide, i progettisti possono ricorrere a un'architettura di alimentazione distribuita basata sui componenti per alimentare i motori, le CPU e altri sottosistemi. In un tale approccio, ogni singolo componente di conversione di potenza c.c./c.c. può essere posizionato presso il punto di carico (PoL) e ottimizzato per un'alta efficienza, dimensioni ridotte (alta densità di potenza) e prestazioni complessive. Questo approccio può tradursi in un sistema di alimentazione generale più leggero, consentendo ulteriori incrementi di prestazioni per i sistemi robotici alimentati a batteria. Anche la flessibilità risulta migliorata, poiché i componenti di conversione di potenza possono essere messi in parallelo per essere facilmente scalati con l'aumento della richiesta di potenza robotizzata e permettono anche di implementare la stessa architettura di potenza su una piattaforma di sistemi robotici di varie dimensioni.

Questo articolo descrive brevemente le esigenze di potenza di diverse applicazioni robotiche, tra cui la raccolta agricola, le consegna a domicilio e la gestione delle scorte a magazzino. Verranno quindi esaminati i vantaggi dell'utilizzo di un'architettura di alimentazione distribuita distribuita basata sui componenti, per poi introdurre soluzioni di conversione c.c./c.c. di esempio di Vicor, insieme a schede di valutazione e al software associato.

Requisiti di potenza per i robot

I requisiti di potenza per specifici tipi di robot sono determinati dall'applicazione:

• Robot per la raccolta agricola: piantano, mantengono e raccolgono i prodotti (frutta, verdura, cereali) utilizzando la veicoli a guida automatica insieme al riconoscimento visivo e a sensori multipli per l'analisi ambientale e del suolo. Questi grandi veicoli robotici sono in genere alimentati da una sorgente c.c. ad alta tensione di almeno 400 V.
• Robot di consegna: consegnano a domicilio vari articoli, utilizzati per l'ultimo tratto di viaggio. Mentre i carichi utili variano in termini di dimensioni e peso, questi robot sono tipicamente alimentati da batterie da 48 a 100 V e hanno esigenze di durata più lunghe rispetto alla classe di robot per la gestione delle scorte a magazzino.
• Robot per la gestione delle scorte a magazzino: forniscono gestione dell'inventario e attività di evasione degli ordini all'interno di grandi ambienti di magazzino. Questa classe di robot è in genere alimentata da una sorgente a batteria da 24 a 72 V con la possibilità di ricarica secondo necessità.

Architetture di alimentazione distribuita basata sui componenti per la robotica

Questa sezione esamina quattro esempi di architetture di alimentazione distribuita basata sui componenti per robot che vanno da un sistema da 15,9 kW per robot per la raccolta agricola con una batteria da 760 V fino a un sistema da 1,2 kW per robot per la gestione delle scorte a magazzino che utilizza una batteria da 48 V. Una caratteristica comune a tutte queste applicazioni è un bus principale ad alta tensione relativamente alto che distribuisce l'energia in tutto il robot, seguito da una o più sezioni di riduzione della tensione che forniscono l'energia necessaria ai sottosistemi. Un bus di alimentazione distribuita ad alta tensione consente di migliorare l'efficienza e di ridurre le correnti di alimentazione distribuita, consentendo l'uso di cavi di alimentazione più piccoli, più leggeri e meno costosi. La quarta applicazione mostra la semplificazione che può portare a robot più piccoli che utilizzano sistemi a batteria a 48 V.

La rete di distribuzione dell'energia elettrica (PDN) per i robot per la raccolta agricola comprende un bus di alimentazione principale a 760 V (Figura 1). Questo è supportato da una serie di convertitori c.c./c.c. isolati a rapporto fisso (non regolati) (mostrati come moduli BCM a sinistra) con una tensione di uscita di 1/16 della tensione di ingresso. Questi convertitori sono utilizzati in parallelo, consentendo di ridimensionare il sistema in base alle esigenze del progetto specifico.

Figura 1: Questo PDN per robot di raccolta agricola da 15,4 kW comprende un bus di distribuzione da 760 V che supporta una rete di convertitori a bassa tensione (DCM, PRM, NBM e buck). (Immagine per gentile concessione di Vicor)

Più avanti nella rete, una serie di convertitori a rapporto fisso (NBM, centro in alto) e buck/boost regolati (PRM, centro) e buck (in basso) alimentano a valle i rail a bassa tensione a seconda delle necessità. In questo progetto, il servoazionamento viene pilotato direttamente dal bus di alimentazione intermedio a 48 V senza conversione c.c./c.c. aggiuntiva.

Il PDN per i robot di consegna a domicilio mostra la semplificazione che può portare a sistemi di media potenza utilizzando una tensione del bus di alimentazione principale più bassa (in questo caso, 100 V), e aggiungendo la regolazione ai convertitori c.c./c.c. isolati (DCM) sul bus di distribuzione principale per produrre la tensione del bus intermedio a 48 V (Figura 2).

Figura 2: Il PDN per i robot di consegna a domicilio include l'azionamento diretto per il motore e un bus intermedio per l'alimentazione dei restanti sottosistemi. (Immagine per gentile concessione di Vicor)

Questo approccio consente l'uso di convertitori c.c./c.c. buck/boost e buck non isolati per alimentare i vari sottosistemi. Inoltre, l'utilizzo di una tensione inferiore per il bus di alimentazione principale consente al motore di collegarsi direttamente al bus principale, mentre il servoazionamento può collegarsi direttamente al bus intermedio a 48 V. I robot più piccoli per la consegna a domicilio possono incorporare una tensione intermedia del bus a 24 V e un servoazionamento a 24 o 48 V, ma l'architettura generale è simile.

Il PDN per i robot da magazzino che utilizzano una batteria da 67 V evidenzia l'uso di convertitori c.c./c.c. buck/boost non isolati (PRM) sul bus di alimentazione principale (Figura 3). Questi convertitori forniscono efficienze dal 96% al 98% e possono essere messi in parallelo per raggiungere livelli di potenza più elevati. Questa architettura è inoltre dotata di un convertitore c.c./c.c. (NBM) a rapporto fisso, non isolato, per alimentare la GPU e di convertitori buck regolati non isolati che alimentano le sezioni logiche.

Figura 3: Il PDN per i robot da magazzino combina un bus di alimentazione principale a 67 V e un bus di distribuzione intermedia a 48 V. (Immagine per gentile concessione di Vicor)

Per i progetti di robot più piccoli che utilizzano una batteria da 48 V non è necessario generare una tensione di bus intermedio e questo semplifica la progettazione (Figura 4). I carichi sono alimentati direttamente dalla tensione della batteria per conversione diretta utilizzando vari convertitori c.c./c.c. non isolati. L'eliminazione del bus intermedio nell'organo di trasmissione aumenta l'efficienza del sistema e riduce il peso e i costi del sistema.

Figura 4: Il PDN per robot da magazzino che utilizzano una batteria da 48 V elimina la necessità di un bus di alimentazione intermedio, semplificando notevolmente la progettazione. (Immagine per gentile concessione di Vicor)

Considerazioni sulla progettazione di architetture di alimentazione distribuita

Come mostrato sopra, i progettisti devono operare numerose scelte per quanto concerne i sistemi di alimentazione per ottimizzare un PDN basato sui componenti per la robotica. Non esiste un approccio "a taglia unica". In generale, i robot più grandi traggono vantaggio da tensioni di batteria più elevate, che possono tradursi in una maggiore efficienza di distribuzione dell'energia e in bus di distribuzione dell'energia più piccolo e leggero.

L'uso di convertitori c.c./c.c. isolati rispetto a quelli non isolati è una considerazione importante quando si ottimizza l'efficienza complessiva del sistema e si riducono al minimo i costi. Più il convertitore c.c./c.c. è vicino a un carico a bassa tensione, più è probabile che la scelta ottimale sia un componente di potenza non isolato a basso costo, aumentando l'efficienza complessiva del PDN. Se appropriato, l'uso di convertitori c.c./c.c. a rapporto fisso (non regolati) a basso costo può anche contribuire ad aumentare l'efficienza del PDN.

Vicor offre convertitori c.c./c.c. in grado di supportare le esigenze dei progettisti in un'ampia gamma di architetture di di alimentazione distribuita basate sui componenti, incluse le quattro sopra descritte. La discussione che segue si concentra su dispositivi specifici che possono essere utilizzati in un sistema di distribuzione dell'energia elettrica simile a quello descritto per i robot di consegna a domicilio, come mostrato nella Figura 2.

Convertitori c.c./c.c. per sistemi di alimentazione robotici

DCM3623TA5N53B4T70 è un esempio di convertitore c.c./c.c. DCM isolato e regolato in grado di generare la tensione di bus intermedio di 48 V da una batteria a 100 V (Figura 5). Questo convertitore utilizza la tecnologia di commutazione a tensione zero (ZVS) per fornire un'efficienza di picco del 90,7% e una densità di potenza di 40 W/cm3. Fornisce un isolamento c.c. di 3.000 V tra l'ingresso e l'uscita.

Figura 5: Il convertitore c.c./c.c. isolato e regolato DCM3623TA5N53B4T70 può generare una tensioni di bus intermedio di 48 V da una batteria a 100 V. (Immagine per gentile concessione di Vicor)

Sfruttando i benefici termici e di densità della tecnologia di packaging ChiP (Converter-housed-in-Package) di Vicor, il modulo DCM offre opzioni di gestione termica flessibili con bassissime impedenze termiche sul lato superiore e inferiore. I componenti di potenza ChiP consentono ai progettisti di realizzare soluzioni per sistemi di alimentazione economiche con attributi precedentemente irraggiungibili di dimensione, peso ed efficienza, in modo rapido e prevedibile.

Per iniziare a esaminare le capacità di DCM3623TA5N53B4T70, i progettisti possono utilizzare la scheda di valutazione DCM3623EA5N53B4T70 (Figura 6). La scheda di valutazione DCM può essere configurata per vari schemi di abilitazione e di monitoraggio dei guasti, nonché per esercitare varie modalità di regolazione a seconda dei requisiti dell'applicazione.

Figura 6: La scheda di valutazione DCM3623EA5N53B4T70 consente ai progettisti di esplorare le capacità del convertitore c.c./c.c. DCM3623TA5N53B4T70. (Immagine per gentile concessione di Vicor)

DCM3623EA5N53B4T70 può essere utilizzata per valutare i DCM sia in configurazione standalone, sia come array di moduli. Supporta anche la valutazione di varie opzioni di abilitazione, di regolazione e di monitoraggio dei guasti:

Opzioni di abilitazione:

• Interruttore meccanico su scheda (di serie)
• Controllo esterno

Opzioni di regolazione:

• Funzionamento fisso (standard): il pin TR può flottare al primo avvio.Il DCM disabilita la regolazione dell'uscita e la programma al VOUT nominale.
• Funzionamento variabile, resistore variabile su scheda: la tensione del pin di regolazione è raziometrica, con un reostato che lavora contro un resistore di pull-up all'interno del DCM a VCC.
• Funzionamento variabile, controllo fuori scheda: la tensione del pin di regolazione è determinata da un controllo di programmazione esterno, che fa riferimento a -IN di ogni specifico DCM del sistema.

Opzioni di monitoraggio dei guasti:

• LED su scheda: il pin FT pilota un LED visibile per il riscontro visivo sullo stato di guasto.
• Optoaccoppiatore su scheda: il pin FT pilota un optoaccoppiatore su scheda per portare lo stato di guasto oltre il confine di isolamento primario-secondario.

Il convertitore c.c./c.c. buck/boost PI3740-00 di Vicor può essere utilizzato per generare una potenza di 44 V e 24 V rispettivamente per proiettori a LED e telecamere ad alta definizione (HD). Si tratta di un convertitore ZVS ad alta efficienza, con un ampio intervallo di ingresso e uscita. Questo System-in-Package (SiP) ad alta densità integra un controller, interruttori di potenza e componenti di supporto (Figura 7). È caratterizzato da un'efficienza di picco fino al 96%, oltre che da una buona efficienza a basso carico.

Figura 7: Il SiP convertitore c.c./c.c. buck/boost PI3740-00 può essere utilizzato per alimentare proiettori a LED e telecamere HD nel PDN per i robot di consegna a domicilio. (Immagine per gentile concessione di Vicor)

PI3740-00 richiede un induttore esterno, un divisore resistivo e condensatori minimi per formare un regolatore buck/boost completo. L'alta frequenza di commutazione (1 MHz) riduce la dimensione dei componenti di filtraggio esterni, migliora la densità di potenza e rende possibile una risposta dinamica veloce ai transitori di linea e di carico.

Per iniziare a progettare con PI3740-00, Vicor fornisce PI3740-00-EVAL1 per valutare PI3740-00 in applicazioni a tensione costante con V_OUT superiore a 8 V. La scheda funziona da una tensione di ingresso compresa tra 8 e 60 V c.c. e supporta tensioni di uscita fino a 50 V c.c. Le caratteristiche di questa scheda di valutazione includono:

• Capicorda di ingresso e uscita per le connessioni di sorgente e di carico
• Punto in cui posizionare un condensatore elettrolitico in alluminio con ingresso a foro passante
• Filtro per la sorgente di ingresso
• Connettore per sonda oscilloscopica per misurazioni accurate della tensione di uscita e ingresso ad alta frequenza
• Punti di prova dei pin di segnale e connettori dei fili
• Punti di prova della tensione Kelvin e prese per tutti i pin PI3740
• Ponticello selezionabile per il rilevamento della corrente high-side/low-side
• Tensione di flusso selezionabile tramite ponticello

Infine, il regolatore buck PI3526-00-LGIZ di Vicor può essere utilizzato per fornire energia a 12 V a un computer e sottosistemi wireless nel PDN (Figura 8). Questo convertitore c.c./c.c. fornisce un'efficienza fino al 98% e supporta l'avvio graduale e il tracciamento regolabili dall'utente, compresa la capacità di limitazione della corrente veloce e lenta. Questi regolatori ZVS integrano il controller, gli interruttori di alimentazione e i componenti di supporto in una configurazione SiP.

Figura 8: Il regolatore buck PI3526-00-LGIZ di Vicor può essere utilizzato per fornire energia a 12 V a un computer e sottosistemi wireless nel PDN dei robot di consegna a domicilio. (Immagine per gentile concessione di Vicor)

La scheda di valutazione PI3526-00-EVAL1 di Vicor può essere configurata per fare esperimenti con il regolatore buck PI3526-00-LGIZ in una configurazione standalone o di rilevamento remoto. Le prese fornite consentono il rapido rilevamento e posizionamento di un condensatore di ingresso sfuso. La scheda di valutazione fornisce i punti per capicorda, prese a banana dello strato inferiore per le connessioni di ingresso e di uscita, connettori di segnale e punti di prova Kelvin per le misurazioni accurate della tensione del nodo di alimentazione.

Conclusione

Le esigenze di conversione dell'alimentazione di un sistema robotico sono sempre più impegnative in quanto le capacità di carico, il riconoscimento visivo e le funzionalità dell'utente aumentano la complessità dei robot. Le soluzioni di potenza esistenti possono soffrire di limitazioni prestazionali in termini di dimensioni, efficienza, peso e scalabilità, rendendole meno adatte alle applicazioni robotiche. Per le applicazioni di robotica, i progettisti possono ricorrere ad architetture di alimentazione distribuita basata sui componenti per alimentare i motori, le CPU e altri sistemi.

Come dimostrato, questo approccio può tradursi in un sistema di alimentazione più leggero, consentendo ulteriori incrementi di prestazioni per i sistemi robotici alimentati a batteria. Anche la flessibilità risulta migliorata, poiché i componenti di conversione di potenza possono essere messi in parallelo ed essere facilmente scalati con l'aumento della richiesta di potenza e permettono anche di implementare la stessa architettura di potenza su una piattaforma di sistemi robotici di varie dimensioni.

Letture consigliate

1. Ridurre i rischi ai robot: come progettare un ambiente industriale sicuro
2. Utilizzare robot industriali compatti per rendere più produttiva qualsiasi officina