Warum und wie man eine komponentenbasierte verteilte Energieversorgung für die Robotik verwendet

Der Einsatz batteriebetriebener Roboter nimmt in Bereichen wie Fabrikautomation, Landwirtschaft, Campus- und Verbraucherbelieferung sowie Lagerbestandsverwaltung zu. Für eine maximale Betriebszeit zwischen den Ladevorgängen mussten die Entwickler dieser Batteriesysteme schon immer auf die Energieumwandlungseffizienz sowie auf Größe und Gewicht achten.

Diese Bedenken sind jedoch kritischer geworden, da die Lastkapazitäten weiter zunehmen und Sensor- und Sicherheitsmerkmale wie Sicht, Reichweite, Nähe, Standort u.a. die Komplexität der Konstruktion und das physische Gewicht erhöhen. Gleichzeitig verbraucht die zusätzlich erforderliche elektronische Verarbeitung auch mehr Strom.

Um die Batterielebensdauer angesichts dieser zusätzlichen Herausforderungen zu maximieren, können Entwickler auf eine komponentenbasierte, verteilte Energieversorgung zurückgreifen, um die Motoren, CPUs und andere Subsysteme mit Strom zu versorgen. Bei einem solchen Ansatz kann jede einzelne DC/DC-Leistungswandlerkomponente am Lastpunkt (PoL, Point of Load) platziert und auf hohen Wirkungsgrad, geringe Größe (hohe Leistungsdichte) und Gesamtleistung optimiert werden. Dieser Ansatz kann zu einem leichteren Gesamtenergiesystem führen, was weitere Leistungssteigerungen bei batteriebetriebenen Robotersystemen ermöglicht. Die Flexibilität wird auch dadurch erhöht, dass Leistungsumwandlungskomponenten parallel geschaltet werden können, so dass sie leicht skaliert werden können, wenn der Leistungsbedarf von Robotern zunimmt, und dass dieselbe Architektur zur Energieversorgung auf einer Plattform von Robotersystemen unterschiedlicher Größe eingesetzt werden kann.

Dieser Artikel umreißt kurz den Energiebedarf verschiedener Robotikanwendungen, einschließlich der landwirtschaftlichen Ernte, der Campus- und Verbraucherbelieferung und der Lagerbestandsbewegung. Anschließend werden die Vorteile der Verwendung einer komponentenbasierten, verteilten Energieversorgung geprüft und dann Beispiellösungen für DC/DC-Wandler von Vicor zusammen mit Evaluierungsboards und zugehöriger Software vorgestellt, um Entwicklern den Einstieg zu erleichtern.

Energieanforderungen für Roboter

Der Leistungsbedarf für bestimmte Robotertypen wird durch die Anwendung bestimmt:

• Landwirtschaftliche Ernteroboter: Pflanzen, pflegen und ernten landwirtschaftlicher Produkte (Obst, Gemüse, Getreide) unter Verwendung automatisierter Fahrzeugführung zusammen mit visueller Erkennung und mehreren Umwelt- und Bodenanalysesensoren. Diese großen Roboterfahrzeuge werden in der Regel von einer Hochspannungs-Gleichstromquelle von 400 Volt oder mehr gespeist.
• Zustellroboter: Zustellung verschiedener Artikel auf der letzten Meile für Verbraucher oder auf dem Campus. Obwohl die Nutzlasten in Größe und Gewicht variieren, werden diese Roboter in der Regel mit 48- bis 100-Volt-Batterien betrieben und haben längere Laufzeiten als die Lagerbestandsbewegungsklasse der Roboter.
• Roboter zur Bewegung von Lagerinventar: Erfüllen Aufgaben der Bestandsverwaltung und Auftragserfüllung in großen Lagerumgebungen. Diese Roboterklasse wird typischerweise von einer 24V- bis 72V-Batteriequelle gespeist, wobei die Ladung nach Bedarf erfolgt.

Komponentenbasierte verteilte Energieversorgung für die Robotik

In diesem Abschnitt werden vier Beispiele für komponentenbasierte Architekturen mit verteilter Energieversorgung für Roboter betrachtet, die von einem 15,9-Kilowatt-System (kW) für landwirtschaftliche Ernteroboter mit einem 760-Volt-Batteriepack bis hin zu einem 1,2-kW-System für Lagerbestandsbewegungsroboter mit einem 48-Volt-Batteriepack reichen. Ein gemeinsames Merkmal in drei dieser Anwendungen ist ein Hauptbus mit relativ hoher Spannung, der die Energie im gesamten Roboter verteilt, gefolgt von einem oder mehreren Spannungsabsenkungsabschnitten, die die benötigte Energie an die Subsysteme liefern. Ein Hochspannungs-Energieversorgungsbus führt zu einem verbesserten Wirkungsgrad und geringeren Strömen bei der Energieversorgung, was die Verwendung kleinerer, leichterer und preiswerterer Versorgungskabel ermöglicht. Die vierte Anwendung zeigt die Vereinfachung, die zu kleineren Robotern führen kann, die 48-Volt-Batteriesysteme verwenden.

Das Energieversorgungsnetz (PDN) für landwirtschaftliche Ernteroboter besteht aus einem 760-Volt-Hauptversorgungsbus (Abbildung 1). Dies wird durch eine Reihe von isolierten DC/DC-Wandlern mit festem Wandlungsverhältnis (ungeregelt) (links als BCM-Module dargestellt) mit einer Ausgangsspannung von 1/16 der Eingangsspannung unterstützt. Diese Konverter werden parallel verwendet, so dass die Größe des Systems entsprechend den Anforderungen des jeweiligen Designs angepasst werden kann.

Abbildung 1: Dieses PDN für 15,4-kW-Ernteroboter in der Landwirtschaft besteht aus einem 760-Volt-Verteilerbus, der ein Netzwerk von Niederspannungswandlern (DCMs, PRMs, NBMs und Abwärtswandler) unterstützt. (Bildquelle: Vicor)

Weiter innerhalb des Netzes versorgen eine Reihe von NBMs (Wandler mit festem Wandlungsverhältnis, oben Mitte), geregelten PRMs (Buck-Boost-Wandler, Mitte) und Abwärtswandlern (unten) je nach Bedarf die Versorgungsschienen mit niedrigerer Spannung. Bei diesem Design wird der Servo direkt vom 48-Volt-Zwischenstrombus ohne zusätzliche DC/DC-Wandlung angetrieben.

Das PDN für Campus- und Verbraucher-Lieferroboter zeigt die Vereinfachung, die bei Systemen mittlerer Leistung durch die Verwendung einer niedrigeren Spannung des Hauptstrombusses (in diesem Fall 100 Volt) und die zusätzliche Regelung der isolierten DC/DC-Wandler (DCMs) auf dem Hauptenergieverteilungsbus zur Erzeugung der 48-Volt-Zwischenbusspannung (Abbildung 2) erreicht werden kann.

Abbildung 2: Das PDN für Campus- und Verbraucher-Lieferroboter umfasst einen Direktantrieb für den Motor und einen Zwischenbus zur Versorgung der übrigen Subsysteme. (Bildquelle: Vicor)

Dieser Ansatz ermöglicht den Einsatz von nicht isolierten Buck-Boost- und Buck-DC/DC-Wandlern zur Versorgung der verschiedenen Subsysteme. Darüber hinaus ermöglicht die Verwendung einer niedrigeren Spannung für den Hauptstrombus den direkten Anschluss des Motorantriebs an den Hauptbus, während der Servoantrieb direkt an den 48-Volt-Zwischenbus angeschlossen werden kann. Kleinere Campus- und Verbraucher-Lieferroboter können eine 24-Volt-Zwischenbusspannung und entweder 24- oder 48-Volt-Servos enthalten, aber die Gesamtarchitektur ist ähnlich.

Das PDN für Lagerroboter, die ein 67-Volt-Batteriepaket verwenden, hebt die Verwendung von nicht isolierten Buck-Boost-DC/DC-Wandlern (PRMs) auf dem Hauptstrombus hervor (Abbildung 3). Diese Wandler bieten Wirkungsgrade von 96% bis 98% und können für höhere Leistungsanforderungen parallel geschaltet werden. Diese Architektur verfügt auch über einen nicht isolierten DC/DC-Wandler (NBM) mit festem Übersetzungsverhältnis zur Versorgung der GPU und nicht isolierte geregelte Abwärtswandler zur Versorgung der Logiksektionen.

Abbildung 3: Das PDN für Lagerroboter kombiniert einen 67-Volt-Hauptstrombus und einen 48-Volt-Zwischenstromverteilungsbus. (Bildquelle: Vicor)

Bei kleineren Roboterkonstruktionen mit einer 48-Volt-Batterie ist es nicht erforderlich, eine Zwischenbusspannung zu erzeugen, was die Konstruktion vereinfacht (Abbildung 4). Die Lasten werden direkt aus der Batteriespannung durch direkte Umwandlung mit verschiedenen nicht isolierten Gleichspannungswandlern gespeist. Der Wegfall des Zwischenbusses im Antriebsstrang erhöht die Systemeffizienz und reduziert das Gewicht und die Kosten des Antriebssystems.

Abbildung 4: Das PDN für Lagerroboter, die einen 48-Volt-Batteriepack verwenden, macht einen zwischengeschalteten Energiebus überflüssig und vereinfacht das Design erheblich. (Bildquelle: Vicor)

Überlegungen zum Entwurf einer Architektur mit verteilter Energieversorgung

Wie oben gezeigt, müssen Entwickler zahlreiche Entscheidungen über Energiesysteme treffen, um ein komponentenbasiertes PDN für die Robotik zu optimieren. Es gibt keinen allgemeingültigen Ansatz. Im Allgemeinen profitieren größere Roboter von höheren Batteriespannungen, was zu einer höheren Effizienz der Stromverteilung und kleineren, leichteren Stromverteilungsbussen führen kann.

Die Verwendung von isolierten gegenüber nicht isolierten DC/DC-Wandlern ist ein wichtiger Gesichtspunkt bei der Optimierung der Gesamtsystemeffizienz und der Kostenminimierung. Je näher der DC/DC-Wandler an einer Niederspannungslast liegt, desto wahrscheinlicher ist es, dass die optimale Wahl eine kostengünstigere, nicht isolierte Leistungskomponente ist, die den Gesamtwirkungsgrad des PDNs erhöht. Gegebenenfalls kann auch der Einsatz kostengünstiger (ungeregelter) Gleichspannungswandler mit festem Verhältnis (ungeregelt) zu höheren PDN-Wirkungsgraden beitragen.

Vicor bietet DC/DC-Wandler an, die in der Lage sind, die Anforderungen von Entwicklern in einem breiten Spektrum von komponentenbasierten verteilten Energieversorgungsarchitekturen, einschließlich der vier oben genannten, zu unterstützen. Die folgende Diskussion konzentriert sich auf spezifische Komponenten, die in einem Energieversorgungssystem ähnlich dem für Campus- und Verbraucherroboter beschriebenen eingesetzt werden können, wie in Abbildung 2 dargestellt.

DC/DC-Wandler für Energieversorgungssysteme von Robotern

Der DCM3623TA5N53B4T70 ist ein Beispiel für einen isolierten und geregelten DCM-Gleichstromwandler, der die 48-Volt-Zwischenbusspannung aus 100-Volt-Batteriespannung erzeugen kann (Abbildung 5). Dieser Wandler verwendet ZVS-Technologie (Zero Voltage Switching), um einen Spitzenwirkungsgrad von 90,7% und eine Leistungsdichte von 653 Watt pro Kubikzoll zu erreichen. Er bietet eine 3000 Volt DC-Isolation zwischen Eingang und Ausgang.

Abbildung 5: Der isolierte und geregelte DC/DC-Wandler DCM3623TA5N53B4T70 kann die 48-Volt-Zwischenbusspannung aus 100-Volt-Batteriespannung erzeugen. (Bildquelle: Vicor)

Das DCM-Modul nutzt die thermischen und Dichtevorteile der ChiP-Gehäusetechnologie (ChiP: Converter-housed-in-Package) von Vicor und bietet flexible Wärmemanagement-Optionen mit sehr niedrigen Wärmeimpedanzen auf der Ober- und Unterseite. Thermisch effiziente ChiP-Leistungskomponenten ermöglichen dem Kunden kostengünstige Energiesystemlösungen von bisher unerreichter Systemgröße sowie unerreichten Gewichts- und Effizienzattributen schnell und vorhersagbar zu entwickeln.

Um die Fähigkeiten des DCM3623TA5N53B4T70 zu testen, können Entwickler das Evaluierungsboard DCM3623EA5N53B4T70 verwenden (Abbildung 6). Das DCM-Evaluierungsboard kann für verschiedene Freigabe- und Fehlerüberwachungsschemata konfiguriert werden und je nach Anwendungsanforderungen verschiedene Trimm-Modi ausführen.

Abbildung 6: Mit dem Evaluierungsboard DCM3623EA5N53B4T70 können Entwickler die Fähigkeiten des DC/DC-Wandlers DCM3623TA5N53B4T70 testen. (Bildquelle: Vicor)

Das DCM3623EA5N53B4T70 kann zur Evaluierung von DCMs entweder in einer eigenständigen Konfiguration oder als Array von Modulen verwendet werden. Es unterstützt auch die Evaluierung verschiedener Freigabe-, Trimm- und Fehlerüberwachungsoptionen:

Freigabeoptionen:

• Mechanischer Schalter (Standard) auf dem Board
• Externe Steuerung

Trimmoptionen:

• Fester Trimmbetrieb (Standard): Der TR-Pin darf beim ersten Start potentialfrei sein.Der DCM deaktiviert die Ausgangstrimmung, und die Ausgangstrimmung wird auf den nominalen Nennwert VOUT programmiert.
• Variabler Trimmbetrieb, integrierter variabler Widerstand: Die Spannung am Trimm-Pin ist ratiometrisch, wobei ein Rheostat gegen einen Pull-up-Widerstand innerhalb des DCM auf VCC arbeitet.
• Variabler Trimmbetrieb, board-externe Steuerung: Die Spannung am Trimm-Pin wird über eine externe Programmiersteuerung gesteuert, die auf den Eingang -IN eines jeden spezifischen DCMs im System referenziert wird.

Optionen für die Fehlerüberwachung:

• LED: Der FT-Pin steuert eine LED zur visuellen Rückmeldung des Fehlerstatus.
• Integrierter Optokoppler: Der FT-Pin steuert einen integrierten Optokoppler an, um den Fehlerstatus über die primär-sekundäre Isolationsgrenze auszugeben.

Der Buck-Boost-DC/DC-Wandler PI3740-00 von Vicor kann zur Erzeugung von 44 Volt bzw. 24 Volt Strom für LED-Scheinwerfer und HD-Kameras (HD: High Definition) verwendet werden. Es handelt sich um einen ZVS-Wandler mit hohem Wirkungsgrad und weitem Eingangs- und Ausgangsbereich. Dieses Hochkompakte SiP (System-in-Package) integriert einen Controller, Leistungsschalter und Supportkomponenten (Abbildung 7). Er zeichnet sich durch einen Spitzenwirkungsgrad von bis zu 96% sowie eine gute Leichtlasteffizienz aus.

Abbildung 7: Der Buck-Boost-DC/DC-Wandler-SiP PI3740-00 kann zur Stromversorgung von LED-Flutlichtern und HD-Kameras im PDN für Campus- und Lieferroboter verwendet werden. (Bildquelle: Vicor)

Der PI3740-00 benötigt eine externe Induktivität, einen Widerstandsteiler und eine minimale Anzahl an Kondensatoren, um einen vollständigen Abwärts/Aufwärtsregler zu bilden. Die Schaltfrequenz von 1 Megahertz (MHz) reduziert die Größe der externen Filterkomponenten, verbessert die Leistungsdichte und ermöglicht eine schnelle dynamische Reaktion auf Netz- und Lasttransienten.

Um die Entwicklung mit dem PI3740-00 schnell zu beginnen, bietet Vicor das PI3740-00-EVAL1 zur Evaluierung des PI3740-00 in Konstantspannungsanwendungen an, bei denen V_OUT über 8 Volt liegt. Das Board arbeitet mit einer Eingangsspannung zwischen 8 und 60 Volt Gleichstrom und unterstützt Ausgangsspannungen bis zu 50 Volt Gleichstrom. Zu den Merkmalen dieses Evaluierungsboards gehören:

• Eingangs- und Ausgangsfahnen für Quellen- und Lastanschlüsse
• Ort zur Platzierung eines durchkontaktierbaren Eingangs-Aluminium-Elektrolytkondensators
• Eingangsquellenfilter
• Oszilloskop-Tastkopfbuchse für genaue, hochfrequente Ausgangs- und Eingangsspannungsmessungen
• Testpunkte und Drahtverbinder für Signal-Pins
• Kelvin-Spannungstestpunkte und -buchsen für alle PI3740-Pins
• Über eine Steckbrücke wählbare High-Side/Low-Side-Strommessung
• Über Jumper wählbare potentialfreie Spannung

Schließlich kann der Abwärtsregler PI3526-00-LGIZ von Vicor verwendet werden, um 12 Volt für einen Computer und drahtlose Subsysteme im PDN bereitzustellen (Abbildung 8). Dieser DC/DC-Wandler bietet einen Wirkungsgrad von bis zu 98% und unterstützt einen vom Benutzer einstellbaren Sanftanlauf und ein Tracking, das schnelle und langsame Strombegrenzungsfunktionen umfasst. Diese ZVS-Regler integrieren den Controller, Leistungsschalter und Supportkomponenten in einer SiP-Konfiguration.

Abbildung 8: Der Abwärtsregler PI3526-00-LGIZ von Vicor kann zur Bereitstellung der 12-Volt-Stromversorgung verwendet werden, die von einem Computer und drahtlosen Subsystemen im PDN für Campus- und Lieferroboter benötigt wird. (Bildquelle: Vicor)

Das Evaluierungsboard PI3526-00-EVAL1 von Vicor kann so konfiguriert werden, dass es zum Experimentieren mit dem Abwärtsregler PI3526-00-LGIZ in einer Standalone- oder einer Fernsensorkonfiguration eingesetzt werden kann. Sockel sind vorgesehen, um eine schnelle Sondierung und Platzierung eines Masseneingangskondensators zu ermöglichen. Das Evaluierungsboard bietet Kabelschuhe, Bananenbuchsen-Footprints für Eingangs- und Ausgangsverbindungen, Signalsteckverbinder und Testpunkte sowie Kelvin-Johnson-Buchsen für genaue Messungen der Netzknotenspannung.

Fazit

Die Anforderungen an die Leistungsumwandlung von Robotersystemen werden immer anspruchsvoller, da Lastkapazitäten, visuelle Erfassungssysteme und Funktionalität die Komplexität von Robotern erhöhen. Bestehende Energieversorgungslösungen können unter Leistungseinschränkungen in Bezug auf Größe, Effizienz, Gewicht und Skalierbarkeit leiden, wodurch sie für Roboteranwendungen weniger geeignet sind. Bei Roboteranwendungen können Entwickler auf komponentenbasierte verteilte Energieversorgungsarchitekturen zurückgreifen, um die Motoren, CPUs und andere Systeme mit Strom zu versorgen.

Dieser Ansatz kann zu einem leichteren Energieversorgungssystem führen, was weitere Leistungssteigerungen bei batteriebetriebenen Robotersystemen ermöglicht. Die Flexibilität wird auch dadurch erhöht, dass Leistungsumwandlungskomponenten parallel geschaltet werden können, so dass sie leicht skaliert werden können, wenn der Leistungsbedarf von Robotern zunimmt, und dass dieselbe Architektur zur Energieversorgung auf einer Plattform von Robotersystemen unterschiedlicher Größe eingesetzt werden kann.

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