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设计机器人电源架构前需要考虑的 6 个问题

Creating high performance mobile robots that can scale is easy when using high density power modules.

Warehouse delivery robot

为供电网络实现创新,在竞争中脱颖而出

移动机器人产业正在迅速发展壮大。到 2023 年【世界机器人 2020】,预计市场价值将接近 300 亿美元,在不久的将来,制造的机器人将通过解决众所周知以及尚未发现的问题来解决各种市场问题。它们所执行的任务已不仅仅是从 A 点移动到 B 点:他们可根据环境输入数据以及他们自己的任务参数做出实时决策。

供电网络具有高功率密度和可扩展性

Robotic PDN

图 1:  DCM 转换器系列工作输入电压从 43 — 154V 不等,可满足这类需求。DCM3623 可通过电池为伺服驱动器、其它有效载荷及下游转换器实现 24 或 48V 的稳压配电。DCM3623 采用 36 x 23 x 7.3 毫米封装,能够以 90% 的效率提供 240W 的功率。ZVS 降压稳压器或升降压稳压器构建了 24 至 48V 线路,通常可用于为电压更低的线路供电。

提供这些功能需要电机、传感器和处理子系统,但要在竞争中保持领先地位,机器人平台必须能够在有更好选择时快速升级这些组件。要在保持尺寸、重量和成本目标的同时,快速实现这一目标,需要一个可扩展的优化供电网络 (PDN),满足不断变化的需求。考虑以下问题,将帮助您找到适合您平台的最佳答案。这样,您就可以为您的移动机器人设计一款更好的 PDN,面对任何因任务参数变化而导致的变革,公司都将可以承受。

1. 您的电池是否针对轻量级、低损耗配电进行了优化?

您会担心电池的经济性(成本、供电和使用周期)和使用寿命(充电次数、老化),但您是否考虑过您所使用的电压会不会影响设计的整体重量?

事情非常简单,根据欧姆定律,您可以通过在高电压及低电流下配电来减轻线缆重量,这需要更细(更轻!)的线缆。较细较轻的线缆与较大线缆相比,电阻也较小,可减少系统中的废热。基于这些原因,与 低电压的12V解决方案相比,有很多基于 48V(甚至更高!)的电池电源架构,并且还有高效率的轻量级转换器可供选择:包括 固定比率 BCM 和 稳压 DCM 转换器

2. PDN 是否针对充电间隔时间进行了优化,支持当前及未来有效载荷?

您的平台将不断发展:处理器速度更快,电机/致动器数量更多,传感器阵列需要更多电源提供更多功能。每次置换一个子系统,您是否都希望重新设计 PDN?

无需重新设计 PDN,您可以在相同的 PDN 电源电压下使用额外的并联电池来增加整体电池容量,以存储更多能量。现在,您不需要使用不同电压重新设计,也不需要处理整个平台的相关变化带来的纹波效应。要优化未来的 PDN,请选择一个至少 48V 的高电池配电电压,而且所提供的放电特性可在需要为子系统供电时使用固定比率转换器。固定比率转换器是更高效、更小尺寸、 重量更轻的转换器,用于降压转换。例如,您的 PDN 可以把这些 小型模块化转换器 布置在任何您需要将 48 转换为 12V 或将 800V 转换为 SELV 电压的地方。

3. 动态负载是否给系统增加了不必要的重量?

为动态负载供电的一种蛮力方法是调整 PDN 配电大小以获得更大功率,但如果负载具有低占空比,则需要一根大线缆显著增加重量才能满足需求。替代大型线缆的另一种方法是在负载点附近增加本地储能,在附近布置一款可在需要时供电的电容器。然而,优化 PDN 可能还有更好的选项:固定比率转换器。这些转换器不仅可以像一款理想的变压器一样发挥作用,而且还具有从输入到输出(也支持从输出到输入)的反射电容的优势。这就意味着输入端的电容看起来就像输出端的电容,其扩展比率与转换器的转换 K 因数相同。更轻的解决方案将在固定比率转换器的输入端使用一个很小的电容值,而不是在一款转换器后面部署一款更大的电容器。

Harvesting robot image

图 2:  包括草莓、苹果和生菜在内的各种农产品正在使用自动车辆导航和视觉识别机器人完成种植、田间管理和收割工作。大型无人机车辆或设备通常由 400V 或更高的高压 DC 电源供电。

4.您应该制定自主控制计划?

自动化任务对提高效率而言至关重要,因此,即使您的机器人目前由人工控制,某些这类 由人工控制的任务未来很可能也会实现自动化。看看目前的机器学习/人工智能硬件您就会发现,电源需求可能令人生畏,但 Vicor 解决方案已经满足了这些需求。现在计划一些额外的电源功能(记住第 2 个问题!),当您准备好 将 AI 融入您的增强功能 时,将帮助您轻松实现扩展。

Sewer robot image

图 3:  改进的传感器、自主性、移动性和人工智能(支持深度学习)正在帮助检查机器人取代人类,特别是在管道或储存罐内部等危险或封闭空间内。

5. 使用电池,还是系线?

不要低估系留设计的优势,特别是在工作区有限的情况下,如工厂、仓库或竞技场等。其实机器人(包括无人驾驶和自主驾驶)已经开始使用系留电源系统了,可通过一根直径很小的线缆传输千瓦级的电源。如下图所示,在线缆尺寸(和重量)相同的情况下,电压越高,功率越大。

Cable loss weight image

图 4:  系线可支持不确定的工作时间,因此您 可以将电压增加(到 400V、800V 或更高),以根据您的需求提供更多电源,为平台上更广泛的功能(传感器和数据收集等)提供支持。虽然这样可保持线缆的轻便,但不要忘了 轻量级转换器 仍能为您带来更多优势(还记得问题 1 和问题 3 吗?)

VideoRay tethered robot image

图 5:  一些移动机器人需要通过系线电缆连接至基站。在水下检查等应用中,系线有助于扩大工作范围,允许在其它嘈杂的恶劣环境中从摄像头进行高带宽数据传输。线缆越细、越轻,这些机器人工作的地方就会越深、越远,但较细的线缆会限制传统 PDN 的电源传输。Vicor 模块化方法可实现通过线缆传输更高的电压,在不影响功率的情况下,缩减线缆尺寸和重量。此外,Vicor 模块的小尺寸和轻量级特性还可减轻机器人重量,增加有效载荷。

6. 您的模块化实现增值了吗?

通用接口通过为机制、数据接口和电源实现标准化来实现模块化。在系统的FRU层面提供模块化,可提升现场可维护性。但可能在某个时候,您的接口可能会落后于您的系统运用需求。例如,几十年来,12V 一直是计算机和汽车 PDN 的标准配电电压,但现在随着功率级的提高,48V 已开始普及。为了扩大模块化的价值,您可以使用转换器,其可在维护接口的同时,在 PDN 中实现高效转换。回到 48V 至 12V 示例中,NBM2317 是一个很好的产品示例,可通过双向高效转换桥接 桥接 12V 和 48V 电源。 

67V battery Robotic PDN image

图 6:  第一个供电链架构重点展示高性能升降压稳压器 PRM 电源模块。PRM 能够以 96% 至 98% 的效率创造一条 24V 至 48V 的中间母线,为伺服系统及其它下游电源模块供电,其中包括固定比率 NBM、ZVS 降压稳压器和 ZVS 升降压稳压器等。此外,所有模块还可并联,实现更高功率的转换。

更好的供电方式

这 6 个问题将为您指明设计 PDN 的道路:

  • 以更小的热量及质量影响执行配电
  • 分散热量,促进散热
  • 允许扩大电池容量,消除 PDN 对电池电压的依赖
  • 提供 PDN 可扩展性(功率、容量和自主控制)
  • 使用通用接口来实现模块化,以便将来扩展容量

阅读更多精彩内容,了解 Vicor 如何使用模块电源组件 为移动机器人供电,优化机器人功能。

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