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.

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).

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.

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.

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.