Miksi ja miten käyttää robotiikassa komponenttipohjaista hajautettua tehoarkkitehtuuria

Akkukäyttöisien robottien käyttö lisääntyy sellaisissa käyttökohteissa kuten tehdasautomaatio, maatalous, toimitukset kampuksella sekä toimitus kuluttajille sekä varastoinventaarion hallinta. Jotta näiden akkujärjestelmien suunnittelijat voisivat maksimoida latauskertojen välisen käyttöajan, heidän on aina otettava huomioon tehomuunnoksen hyötysuhde samoin kuin koko ja paino.

Näistä tekijöistä on kuitenkin tullut yhä kriittisempiä kun kuormitettavuus jatkaa kasvamistaan sekä mittaus- ja turvaominaisuudet, esimerkkinä näkö, etäisyys, läheisyys, sijainti jne. lisäävät suunnittelun kompleksisuutta ja fyysistä painoa. Samaan aikaan tarvittava sähköinen lisäprosessointi kuluttaa myös enemmän tehoa.

Maksimoidakseen akkukeston näiden lisähaasteiden edessä suunnittelijat voivat kääntyä moottoreiden, prosessoreiden ja muiden alijärjestelmien virransyötössä komponenttipohjaiseen hajautettuun tehojakeluarkkitehtuuriin. Tällaisessa lähestymistavassa jokainen yksittäinen DC-DC-tehomuunnoskomponentti voidaan sijoittaa lähelle kuormituspistettä (PoL) ja optimoida korkean hyötysuhteen, pienen koon (korkea tehotiheys) ja yleisen suorituskyvyn suhteen. Tämä lähestymistapa johtaa kevyempään kokonaistehojärjestelmään ja mahdollistaa lisää suorituskykyetuja akkukäyttöisissä robotiikkajärjestelmissä. Joustavuutta lisää myös se, että tehomuunnoskomponentit voidaan rinnakkaistaa, mikä helpottaa skaalautumista jos robotiikan tehotarve kasvaa. Ne myös mahdollistavat saman tehoarkkitehtuurin käytön samalla alustalla erikokoisissa robotiikkajärjestelmissä.

Tässä artikkelissa käsitellään lyhyesti erilaisten robotiikkasovellusten tehotarpeita, mukaan lukien sadonkorjuu maataloudessa, toimitukset kampuksella ja kuluttajille sekä varastointitoiminnot. Tämän jälkeen artikkelissa arvioidaan komponenttipohjaisen hajautetun tehojakeluarkkitehtuurin etuja, minkä jälkeen siinä esitellään esimerkkinä Vicor-yrityksen DC-DC-muunninratkaisuja samoin kuin arviointialustoja ja niiden ohjelmistoja, joiden avulla suunnittelijat pääsevät alkuun.

Robottien tehovaatimukset

Käyttökohde määrää erityyppisten robottien tehovaatimukset:

• Maatalouden sadonkorjuurobotit: Tuotteiden (hedelmät, vihannekset, vilja) kylväminen, kasvatus ja sadonkorjuu käyttäen automaattista ajoneuvon ohjausta, visuaalista tunnistusta sekä useita ympäristöantureita ja maaperäanalyysin antureita. Nämä kookkaat robottiajoneuvot toimivat normaalisti korkeajännitteisellä DC-virtalähteellä, joka on vähintään 400 volttia.
• Kuljetusrobotit: Erilaisten kohteiden viimeinen kilometrin kuljetus kuluttajalle tai kampuksella. Hyötykuormien koko ja paino vaihtelee, mutta nämä robotit käyttävät tavallisesti 48–100 voltin akkuja ja niiden käyttöaikavaatimukset ovat pidemmät kuin varastointitoimintoluokan roboteilla.
• Varastointirobotit tarjoavat inventaarion hallinta- ja tilaustentäyttötehtäviä suurissa varastoympäristöissä. Tässä robottiluokassa käytetään virtalähteenä tavallisesti tarpeen mukaan ladattavaa 24–72 voltin akkua.

Komponenttipohjaiset hajautetut tehoarkkitehtuurit robotiikkaa varten

Tässä osuudessa arvioidaan neljää esimerkkiä robotiikkaan tarkoitetuista komponenttipohjaisista hajautetuista tehoarkkitehtuureista. Niiden tehot vaihtelevat maatalouden sadonkorjuurobottien 15,9 kilowatista (kW) ja 760 voltin akkuyksiköstä 1,2 kW:n järjestelmään varastointiroboteissa ja 48 voltin akkuyksikköön. Yhteinen piirre kolmessa näistä sovelluksista on pääväylän suhteellisen korkea jännite, joka jakaa virtaa eri puolille robottia. Tätä seuraa yksi tai useampi jännitteen alennusvaihe. Nämä syöttävät alijärjestelmille niiden tarvitseman virran. Korkeajännitteinen jakeluväylä parantaa tehokkuutta ja laskee tehonjakelun sähkövirtoja, mikä mahdollistaa pienempien, kevyempien ja edullisempien virtakaapeleiden käytön. Neljäs sovellus esittää yksinkertaisempaa mallia, joka voi johtaa pienempii robotteihin, jotka käyttävät 48 voltin akkujärjestelmiä.

Maatalouden sadonkorjuurobottien sähkönjakeluverkko (PDN) sisältää 760 voltin päävirtaväylän (kuva 1). Tätä seuraa sarja kiinteän suhteen (reguloimattomia) erotettuja DC-DC-muuntimia (näytetään vasemmalla BCM-moduuleina), joiden lähtöjännite on 1/16 tulojännitteestä. Näitä muuntimia käytetään rinnakkain, minkä ansiosta järjestelmän kokoa voidaan muuttaa aina kulloisenkin sovelluksen mukaisesti.

Kuva 1: Tämä PDN maatalouden 15,4 kW:n sadonkorjuurobotteihin käyttää 760 voltin jakeluväylää, joka syöttää joukkoa alemman jännitteen muuntimia (DCM, PRM, NBM ja jännitteenalennusmuunnin). (Kuvan lähde: Vicor)

Alempana verkossa joukko kiinteän suhteen muuntimia (NBM, ylhäällä keskellä) ja reguloituja jännitteenalennus/korotusmuuntimia (PRM, keskellä) sekä jännitteenalennusmuuntimia (alhaalla) syöttää virtaa edelleen alemman jännitteen väyliin tarpeen mukaan. Tässä kyseisessä mallissa servo käyttää suoraan 48 voltin välijännitettä virtaväylästä ilman ylimääräistä DC-DC-muunnosta.

Kampus- ja kuluttajakäyttöön tarkoitettujen kuljetusrobottien PDN esittää, miten keskitehoisia järjestelmiä voidaan yksinkertaistaa käyttämällä päävirtaväylässä alempaa jännitettä (tässä tapauksessa 100 volttia) ja lisäämällä regulointi erotettuihin DC-DC-muuntimiin (DCM) virranjakelupääväylässä, josta 48 voltin väylän välijännite muodostetaan (kuva 2).

Kuva 2: Kampus- ja kuluttajakäyttöön tarkoitettujen kuljetusrobottien PDN sisältää suoran ohjauksen moottorille sekä välijänniteväylän virran syöttämiseksi muihin alijärjestelmiin. (Kuvan lähde: Vicor)

Tässä lähestymistavassa voidaan käyttää erottamattomia jännitteenalennus/jännitteenkorotus- sekä jännitteenalennus-DC-DC-muuntimia virran syöttämiseksi erilaisiin alijärjestelmiin. Alhaisemman jännitteen päävirtaväylästä on myös se etu, että moottorin ohjaus voidaan kytkeä suoraan pääväylään, kun servo taas voidaan kytkeä suoraan 48 voltin välijänniteväylään. Pienemmät kampus- ja kuluttajakäyttöön tarkoitetut kuljetusrobotit saattavat käyttää 24 voltin välijänniteväylää ja joko 24 tai 48 voltin servoja, mutta yleisarkkitehtuuri on samanlainen.

PDN varastoroboteille 67 voltin akkuyksiköllä korostaa ei-erotettujen jännitteenalennus/jännitteenkorotus-DC-DC-muuntimien (PRM) käyttöä päävirtaväylässä (kuva 3). Näiden muuntimien hyötysuhde on 96 % – 98 % ja niitä voidaan asettaa rinnakkain jos virtaa tarvitaan enemmän. Tässä arkkitehtuurissa käytetään myös kiinteän suhteen ei-erotettuja DC-DC-muuntimia (NBM) syöttämään virtaa GPU-yksikölle sekä ei-erotettuja reguloituja jännitteenalennusmuuntimia syöttämään virtaa logiikkaosiin.

Kuva 3: PDN varastoroboteille yhdistää 67 voltin päävirtaväylän sekä 48 voltin välijännitteen jakeluväylän. (Kuvan lähde: Vicor)

Pienemmissä 48 voltin akkua käyttävissä robottimalleissa ei ole tarvetta muodostaa välijännitettä, mikä yksinkertaistaa suunnittelua (kuva 4). Kuormille syötetään virta suoraan akkujännitteestä suoramuunnoksella käyttäen erilaisia ei-erotettuja DC-DC-muuntimia. Väliväylän eliminoiminen virranjakelussa parantaa järjestelmän tehokkuutta ja vähentää virtajärjestelmän painoa ja hintaa.

Kuva 4: PDN 48 voltin akkuyksikköä käyttäville varastoroboteille eliminoi tarpeen välijänniteväylälle, mikä yksinkertaistaa suunnitelmaa huomattavasti. (Kuvan lähde: Vicor)

Hajautetun tehoarkkitehtuurin suunnittelussa huomioitavia tekijöitä

Kuten yllä on esitetty, suunnittelijoiden on tehtävä lukuisia virtajärjestelmää koskevia päätöksiä robotiikan komponenttipohjaisen PDN-järjestelmän optimoimiseksi. Ei ole “yksi koko sopii kaikille” -ratkaisua. Yleisesti ottaen suuremmat robotit hyötyvät korkeammista akkujännitteistä, jotka saattavat johtaa korkeampaan tehonjakelun hyötysuhteeseen sekä pienempiin ja kevyempiin virranjakeluväyliin.

Erotettujen tai ei-erotettujen DC-DC-muuntimien käyttö on tärkeä harkittava tekijä optimoitaessa järjestelmän kokonaishyötysuhdetta ja kustannuksien minimoimista. Mitä lähempänä DC-DC-muunnin on alhaisen jännitteen kuormaa, sitä todennäköisempää on, että optimaalinen valinta on edullinen, ei-erotettu tehokomponentti, mikä parantaa PDN-kokonaishyötysuhdetta. Missä mahdollista, myös edullisempien kiinteän suhteen (ei-reguloitujen) DC-DC-muuntimien käyttö voi parantaa PDN-hyötysuhdetta.

Vicor tarjoaa DC-DC-muuntimia, jotka täyttävät suunnittelijoiden tarpeet erilaisissa komponenttipohjaisissa hajautetuissa tehonjakeluarkkitehtuureissa, mukaan lukien neljä yllä kuvattua esimerkkiä. Seuraavaksi artikkeli keskittyy nimenomaisiin laitteisiin, joita voidaan käyttää tehojakelujärjestelmässä, joka vastaa yllä kuvattuja kampus- ja kuluttajakäyttöön tarkoitettuja kuljetusrobotteja kuvassa 2 kuvatulla tavalla.

DC-DC -muuntimet robottien virtajärjestelmiä varten

DCM3623TA5N53B4T70 on esimerkki DCM:stä, erotetusta ja reguloidusta DC-DC-muuntimesta, joka tarjoaa 48 voltin välijännitteen 100 voltin akkujännitteestä (kuva 5). Tämä muunnin käyttää ZVS-teknologiaa (nollapistekytkentä) ja se tarjoaa 90,7 prosentin huippuhyötysuhteen ja tehotiheyden 653 wattia per kuutiotuuma. Se tarjoaa 3000 voltin tasavirtaerotuksen tulon ja lähdön välille.

Kuva 5: DCM3623TA5N53B4T70 on erotettu ja reguloitu DC-DC-muunnin, joka tarjoaa 48 voltin välijännitteen 100 voltin akkujännitteestä. (Kuvan lähde: Vicor)

DCM-moduuli hyödyntää Vicorin ChiP-pakkausteknologian (Converter-housed-in-Package) tarjoamia lämmönhallinta- ja tiheysetuja ja tarjoaa joustavat lämmönhallintavaihtoehdot erittäin alhaisella ylä- ja alapuolen termisellä impedanssilla. ChiP-pohjaisten tehokomponenttien avulla suunnittelijat voivat nopeasti ja ennakoitavasti muodostaa kustannustehokkaita virtajärjestelmäratkaisuita, jotka ovat pienempiä, kevyempiä ja hyötysuhteeltaan korkeampia kuin mitä aikaisemmin oli mahdollista saavuttaa.

Suunnittelijat voivat aloittaa DCM3623TA5N53B4T70-piirin ominaisuuksiin tutustumisen käyttämällä arviointialustaa DCM3623EA5N53B4T70 (kuva 6). DCM-arviointialusta voidaan konfiguroida erilaisten käyttömallien ja vianseurantamallien mukaan, samoin se voidaan konfiguroida käyttämään erilaisia säätötiloja sovelluksen vaatimusten mukaisesti.

Kuva 6: DCM3623EA5N53B4T70-arviointialusta tarjoaa suunnittelijoille mahdollisuuden tutkia DCM3623TA5N53B4T70-DC-DC-muuntimen ominaisuuksia. (Kuvan lähde: Vicor)

DCM3623EA5N53B4T70-alustassa DCM-piirejä voidaan arvioida joko itsenäisesti konfiguroituna tai moduuliryhmänä. Se tukee myös erilaisien käyttö-, säätö- ja vianseurantavaihtoehtojen arviointia:

Käyttövaihtoehdot:

• Laitteessa sijaitseva mekaaninen kytkin (oletusarvo)
• Ulkoinen ohjaus.

Säätövaihtoehdot:

• Kiinteä säätötoiminto (oletusarvo): TR-nasta voi kellua alkukäynnistyksessä.DCM asettaa lähdön säädön pois käytöstä ja lähdön säädöksi asetetaan nimellisarvoinen VOUT.
• Muuttuva säätötoiminto, laitteessa sijaitseva säätövastus: säätönastan jännite on suhteellinen ja reostaatti toimii DCM:n sisällä olevaa VCC-jännitteeseen kytkettyä ylösvetovastusta vasten.
• Muuttuva säätötoiminto, laitteen ulkopuolinen ohjaus: säätönastan jännitettä ohjataan ulkoisesti. Tämä on merkitty –IN jokaisessa järjestelmän DCM:ssä.

Vianseurantavaihtoehdot:

• Laitteessa sijaitseva ledi: FT-nasta ohjaa näkyvää lediä, joka kertoo vikatilan visuaalisesti.
• Laitteessa sijaitseva optoerotin: FT-nasta ohjaa laitteessa sijaitsevaa optoerotinta ja välittää vikatilatiedon primääri-sekundääri-eristysrajan ylitse.

Vicorin jännitteenalennus/jännitteenkorotus-DC-DC-muunninta PI3740-00 voidaan käyttää muodostamaan 44 voltin ja 24 voltin jännite ledivalonheittimiä ja HD-kameroita (High-Definition) varten. Se on ZVS-muunnin, jonka hyötysuhde on korkea ja jonka tulo- ja lähtöalueet ovat laajat. Tämä erittäin tiheä SiP (System-in-Package) sisältää ohjaimen, virtakytkimet sekä tukikomponentit (kuva 7). Sen huippuhyötysuhde on 96 % ja sen hyötysuhde valaistuskuormalla on hyvä.

Kuva 7: PI3740-00-SiP on jännitteenalennus/jännitteenkorotus-DC-DC-muunnin, joka voi syöttää virtaa ledivalonheittimille ja HD-kameroille kampus- ja kuluttajakäyttöön tarkoitettujen kuljetusrobottien PDN:ssä. (Kuvan lähde: Vicor)

PI3740-00-vaatii ulkoisen induktiokelan, vastusjakajan sekä minimaaliset kondensaattorit muodostaakseen kokonaisen jännitteenalennus/jännitteenkorotusregulaattorin. 1 megahertsin (MHz) kytkentätaajuus pienentää ulkoisten suodatinkomponenttien kokoa, parantaa tehotiheyttä ja mahdollistaa nopeamman dynaamisen vasteen linja- ja kuormatransienteille.

Nopeuttaakseen suunnittelua PI3740-00-piirin avulla Vicor tarjoaa arviointialustan PI3740-00-EVAL1, jonka avulla PI3740-00-piirin toimintaa voidaan arvioida vakiojännitesovelluksissa, joissa V_OUT on yli 8 volttia. Levy käyttää tulojännitettä 8–60 volttia (DC) ja sen lähtöjännite on enintään 50 volttia (DC). Arviointialustan ominaisuuksiin kuuluvat:

• tulo- ja lähtökengät lähteen ja kuorman kytkemistä varten
• paikka tulon läpiasennettavalle alumiinielektrolyyttikondensaattorille
• tulon lähdesuodatin
• oskilloskoopin mittapään liitin tarkkaa korkeataajuista lähtö- ja tulojännitteen mittausta varten
• signaalinastojen testipisteet ja johdinten liittimet
• Kelvin-jännitetestipisteet ja kannat kaikille PI3740-piirin nastoille
• hyppyjohdolla valittava yläpuolen tai alapuolen virtamittaus
• hyppyjohdolla valittava kelluva jännite.

Lisäksi Vicorin PI3526-00-LGIZ-jännitteenalennusregulaattoria voidaan käyttää muodostamaan 12 voltin jännite tietokonetta ja langattomia alijärjestelmiä PDN:ssä (kuva 8). Tämä DC-DC-muunnin tarjoaa jopa 98  prosentin hyötysuhteen ja se tukee käyttäjän säädettävissä olevaa pehmeää starttia ja seurantaa, joka sisältää nopeat ja hitaat virtarajoitusominaisuudet. Nämä ZVS-regulaattorit sisältävät ohjaimen, virtakytkimet sekä tukikomponentit SiP-konfiguraatiossa.

Kuva 8: Vicorin jännitteenalennusregulaattori PI3526-00-LGIZ voi tarjota 12 voltin jännitteen, jota tietokone- ja langattomat alijärjestelmät kampus- ja kuluttajakäyttöön tarkoitettujen kuljetusrobottien PDN:ssä vaativat. (Kuvan lähde: Vicor)

Vicorin PI3526-00-EVAL1 -arviointialusta voidaan konfiguroida PI3526-00-LGIZ-jännitteenalennusregulaattorin testaamista varten itsenäisessä tai etätunnistuskonfiguraatiossa. Kannat mahdollistavat tulon bulkkikondensaattorien nopean mittaamisen ja kytkennän. Arviointialusta tarjoaa kytkentäkengät, alakerroksen banaanijakin kohdat tulo- ja lähtöliitännöille, signaaliliittimet ja testipisteet sekä Kelvin Johnson -jakit virtasolmun tarkkoja jännitemittauksia varten

Yhteenveto

Robotiikkajärjestelmien tehomuunnostarpeet käyvät yhä haastavammiksi kun kuormitettavuus, visuaalinen tunnistus sekä käyttäjän toiminnallisuus lisäävät robottien kompleksisuutta. Nykyisten virtaratkaisujen suorituskyky saattaa kärsiä koon, hyötysuhteen, painon ja skaalautuvuuden suhteen, minkä vuoksi ne eivät sopi kovin hyvin robotiikkasovelluksiin. Robotiikkasovellusten suunnittelijat voivat kääntyä moottoreiden, prosessoreiden ja muiden järjestelmien virransyötössä komponenttipohjaisen hajautetun tehojakeluarkkitehtuurin puoleen.

Kuten artikkelissa osoitetaan, tämä lähestymistapa johtaa kevyempään tehojärjestelmään ja mahdollistaa lisää suorituskykyetuja akkukäyttöisessä robotiikassa. Joustavuutta lisää myös se, että tehomuunnoskomponentit voidaan rinnakkaistaa, mikä helpottaa skaalautumista jos tehotarve kasvaa. Samaa tehoarkkitehtuuria voidaan käyttää samalla alustalla erikokoisissa robotiikkajärjestelmissä.

Suositeltavaa luettavaa

1. Robottien riskien vähentäminen: Miten suunnitella turvallinen teollinen ympäristö
2. Käytä kompakteja teollisia robotteja tehdäksesi mistä tahansa työpajasta tuottavampi