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設計機器人電源架構前需要考慮的 6 個問題

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

Warehouse delivery robot

爲供電網絡實現創新,在競爭中脫穎而出

移動機器人產業正在迅速發展壯大。到 2023 年【世界機器人 2020】,預計市場價值將接近 300 億美元,在不久的將來,製造的機器人將通過解決衆所周知以及尚未發現的問題來解決各種市場問題。它們所執行的任務已不僅僅是從 A 點移動到 B 點:他們可根據環境輸入數據以及他們自己的任務參數做出實時決策。

供電網絡具有高功率密度和可擴展性

Robotic PDN

圖 1:  DCM 轉換器系列工作輸入電壓從 43 — 154V 不等,可滿足這類需求。DCM3623 可通過電池爲伺服驅動器、其它有效載荷及下游轉換器實現 24 或 48V 的穩壓配電。DCM3623 採用 36 x 23 x 7.3 毫米封裝,能夠以 90% 的效率提供 240W 的功率。ZVS 降壓穩壓器或升降壓穩壓器構建了 24 至 48V 線路,通常可用於爲電壓更低的線路供電。

提供這些功能需要電機、傳感器和處理子系統,但要在競爭中保持領先地位,機器人平台必須能夠在有更好選擇時快速升級這些組件。要在保持尺寸、重量和成本目標的同時,快速實現這一目標,需要一個可擴展的優化供電網絡 (PDN),滿足不斷變化的需求。考慮以下問題,將幫助您找到適合您平台的最佳答案。這樣,您就可以爲您的移動機器人設計一款更好的 PDN,面對任何因任務參數變化而導致的變革,公司都將可以承受。

1. 您的電池是否針對輕量級、低損耗配電進行了優化?

您會擔心電池的經濟性(成本、供電和使用週期)和使用壽命(充電次數、老化),但您是否考慮過您所使用的電壓會不會影響設計的整體重量?

事情非常簡單,根據歐姆定律,您可以通過在高電壓及低電流下配電來減輕線纜重量,這需要更細(更輕!)的線纜。較細較輕的線纜與較大線纜相比,電阻也較小,可減少系統中的廢熱。基於這些原因,與 低電壓的12V解決方案相比,有很多基於 48V(甚至更高!)的電池電源架構,並且還有高效率的輕量級轉換器可供選擇:包括 固定比率 BCM 和 穩壓 DCM 轉換器

2. PDN 是否針對充電間隔時間進行了優化,支持當前及未來有效載荷?

您的平台將不斷髮展:處理器速度更快,電機/致動器數量更多,傳感器陣列需要更多電源提供更多功能。每次置換一個子系統,您是否都希望重新設計 PDN?

無需重新設計 PDN,您可以在相同的 PDN 電源電壓下使用額外的並聯電池來增加整體電池容量,以存儲更多能量。現在,您不需要使用不同電壓重新設計,也不需要處理整個平台的相關變化帶來的紋波效應。要優化未來的 PDN,請選擇一個至少 48V 的高電池配電電壓,而且所提供的放電特性可在需要爲子系統供電時使用固定比率轉換器。固定比率轉換器是更高效、更小尺寸、 重量更輕的轉換器,用於降壓轉換。例如,您的 PDN 可以把這些 小型模組化轉換器 佈置在任何您需要將 48 轉換爲 12V 或將 800V 轉換爲 SELV 電壓的地方。

3. 動態負載是否給系統增加了不必要的重量?

爲動態負載供電的一種蠻力方法是調整 PDN 配電大小以獲得更大功率,但如果負載具有低佔空比,則需要一根大線纜顯著增加重量才能滿足需求。替代大型線纜的另一種方法是在負載點附近增加本地儲能,在附近佈置一款可在需要時供電的電容器。然而,優化 PDN 可能還有更好的選項:固定比率轉換器。這些轉換器不僅可以像一款理想的變壓器一樣發揮作用,而且還具有從輸入到輸出(也支持從輸出到輸入)的反射電容的優勢。這就意味着輸入端的電容看起來就像輸出端的電容,其擴展比率與轉換器的轉換 K 因數相同。更輕的解決方案 將在固定比率轉換器的輸入端使用一個很小的電容值,而不是在一款轉換器後面部署一款更大的電容器。

Harvesting robot image

圖 2:  包括草莓、蘋果和生菜在內的各種農產品正在使用自動車輛導航和視覺識別機器人完成種植、田間管理和收割工作。大型無人機車輛或設備通常由 400V 或更高的高壓 DC 電源供電。

4. 您應該制定自主控制計劃?

自動化任務對提高效率而言至關重要,因此,即使您的機器人目前由人工控制,某些這類 由人工控制的任務未來很可能也會實現自動化。看看目前的機器學習/人工智能硬件您就會發現,電源需求可能令人生畏,但 Vicor 解決方案已經滿足了這些需求。現在計劃一些額外的電源功能(記住第 2 個問題!),當您準備好 將 AI 融入您的增強功能 時,將幫助您輕鬆實現擴展。

Sewer robot image

圖 3:  改進的傳感器、自主性、移動性和人工智能(支持深度學習)正在幫助檢查機器人取代人類,特別是在管道或儲存罐內部等危險或封閉空間內。

5. 使用電池,還是系線?

不要低估繫留設計的優勢,特別是在工作區有限的情況下,如工廠、倉庫或競技場等。其實機器人(包括無人駕駛和自主駕駛)已經開始使用繫留電源系統了,可通過一根直徑很小的線纜傳輸千瓦級的電源。如下圖所示,在線纜尺寸(和重量)相同的情況下,電壓越高,功率越大。

Cable loss weight image

圖 4:  系線可支持不確定的工作時間,因此您 可以將電壓增加(到 400V、800V 或更高),以根據您的需求提供更多電源,爲平臺上更廣泛的功能(傳感器和數據收集等)提供支持。雖然這樣可保持線纜的輕便,但不要忘了 輕量級轉換器 仍能爲您帶來更多優勢(還記得問題 1 和問題 3 嗎?)

VideoRay tethered robot image

圖 5:  一些移動機器人需要通過系線電纜連接至基站。在水下檢查等應用中,系線有助於擴大工作範圍,允許在其它嘈雜的惡劣環境中從攝像頭進行高帶寬數據傳輸。線纜越細、越輕,這些機器人工作的地方就會越深、越遠,但較細的線纜會限制傳統 PDN 的電源傳輸。Vicor 模組化方法可實現通過線纜傳輸更高的電壓,在不影響功率的情況下,縮減線纜尺寸和重量。此外,Vicor 模組的小尺寸和輕量級特性還可減輕機器人重量,增加有效載荷。

6. 您的模組化實現增值了嗎?

通用接口通過爲機制、數據接口和電源實現標準化來實現模組化。在系統的FRU層面提供模組化,可提升現場可維護性。但可能在某個時候,您的接口可能會落後於您的系統運用需求。例如,幾十年來,12V 一直是計算機和汽車 PDN 的標準配電電壓,但現在隨着功率級的提高,48V 已開始普及。爲了擴大模塊組化的價值,您可以使用轉換器,其可在維護接口的同時,在 PDN 中實現高效轉換。回到 48V 至 12V 示例中,NBM2317 是一個很好的產品示例,可通過雙向高效轉換 橋接 12V 和 48V 電源

67V battery Robotic PDN image

图 6:  第一個供電鏈架構重點展示高性能升降壓穩壓器 PRM 電源模組。PRM 能夠以 96% 至 98% 的效率創造一條 24V 至 48V 的中間母線,爲伺服系統及其它下游電源模組供電,其中包括固定比率 NBM、ZVS 降壓穩壓器和 ZVS 升降壓穩壓器等。此外,所有模組還可並聯,實現更高功率的轉換。

更好的供電方式

這 6 個問題將爲您指明設計 PDN 的道路:

  • 以更小的熱量及質量影響執行配電
  • 分散熱量,促進散熱
  • 允許擴大電池容量,消除 PDN 對電池電壓的依賴
  • 提供 PDN 可擴充性(功率、容量和自主控制)
  • 使用通用接口來實現模組化,以便將來擴充容量

閱讀更多精彩內容,瞭解 Vicor 如何使用模組電源組件 爲移動機器人供電 ,優化機器人功能。

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