Como e por que usar uma arquitetura com distribuição de energia baseada em componentes para robótica

O uso de robôs alimentados por bateria está crescendo em aplicações como automação de fábricas, agricultura, entrega em campus e ao consumidor e gerenciamento de inventário em depósitos. Para obter o tempo máximo de operação entre as cargas, os projetistas desses sistemas de bateria sempre precisaram se preocupar com a eficiência da conversão de energia, bem como com o tamanho e o peso.

No entanto, essas preocupações se tornaram mais críticas à medida que as capacidades de carga continuam a aumentar e os recursos de detecção e segurança, como visão, alcance, proximidade, localização, entre outros, adicionam complexidade de design e peso físico. Ao mesmo tempo, o processamento eletrônico adicional necessário também consome mais energia.

Para maximizar a vida útil da bateria em face desses desafios adicionais, os projetistas podem recorrer a uma arquitetura de fornecimento de energia distribuída baseada em componentes para alimentar os motores, CPUs e outros subsistemas. Em tal abordagem, cada componente individual de conversão de energia CC-CC pode ser colocado no ponto de carga (PoL) e otimizado para alta eficiência, tamanho pequeno (alta densidade de energia) e desempenho geral. Essa abordagem pode resultar em um sistema de energia geral mais leve, permitindo ganhos de desempenho adicionais para sistemas robóticos alimentados por bateria. A flexibilidade também é aprimorada, uma vez que os componentes de conversão de energia podem ser colocados em paralelo para escalar facilmente à medida que as demandas de energia robótica aumentam e também permitem que a mesma arquitetura de energia seja implantada em uma plataforma de sistemas robóticos de vários tamanhos.

Este artigo descreve resumidamente as necessidades de energia das várias aplicações robóticas, as quais incluem a colheita agrícola, entrega em campus e ao consumidor e movimentação de inventário em depósitos. Depois, ele analisará os benefícios do uso de uma arquitetura de fornecimento de energia distribuída baseada em componentes e, em seguida, apresentará exemplos de soluções de conversor CC-CC da Vicor, junto com placas de testes e software associado para ajudar os projetistas a começar.

Requisitos de energia para robôs

Os requisitos de energia para tipos específicos de robôs são determinados pela aplicação:

• Robôs de colheita agrícola: plante, mantenha e colha produtos (frutas, vegetais, grãos) usando a orientação de veículos automatizados junto com o reconhecimento visual e vários sensores ambientais e de análise de solo. Esses grandes veículos robóticos são normalmente alimentados por uma fonte CC de alta tensão de 400 volts ou mais.
• Robôs de entrega: entrega curtas de vários itens ao consumidor final ou no campus. Embora as cargas úteis variem em tamanho e peso, esses robôs são normalmente alimentados por baterias de 48 a 100 volts e têm requisitos de tempo de execução mais longos do que a classe de robôs de movimentação de inventário de depósitos.
• Robôs de movimentação de inventário de depósitos: fornecem gerenciamento de inventário e tarefas de atendimento de pedidos em grandes ambientes de depósitos. Esta classe de robô é normalmente alimentada por uma fonte de bateria de 24 a 72 volts com oportunidade de realizar o carregamento conforme a necessidade.

Arquiteturas de energia distribuída baseada em componentes para robótica

Esta seção analisa quatro exemplos de arquiteturas de energia distribuída baseada em componentes para robôs que variam de um sistema de 15,9 quilowatts (kW) para robôs de colheita agrícola com uma bateria de 760 volts, até um sistema menor de 1,2 kW para robôs de movimentação de inventário de depósitos usando uma bateria de 48 volts. Uma característica comum em três dessas aplicações é um barramento principal de tensão relativamente alta, o qual distribui energia por todo o robô, seguido por uma ou mais seções de redução de tensão que fornecem a energia necessária aos subsistemas. Um barramento de distribuição de energia de alta tensão resulta em maior eficiência e correntes de distribuição de energia mais baixas, o que permite o uso de cabos de alimentação menores, mais leves e mais baratos. A quarta aplicação mostra a simplificação que pode resultar em robôs menores que usam sistemas de bateria de 48 volts.

A rede de distribuição de energia (PDN) para robôs de colheita agrícola compreende um barramento principal de energia de 760 volts (figura 1). Isso é suportado por uma série de conversores CC-CC isolados de relação fixa (não regulados) (mostrados como módulos BCM à esquerda) com uma tensão de saída de 1/16 da tensão de entrada. Esses conversores são utilizados em paralelo, permitindo que o sistema seja redimensionado de acordo com as necessidades do projeto específico.

Figura 1: este PDN para robôs de colheita agrícola de 15,4 kW compreende um barramento de distribuição de 760 volts suportando uma rede de conversores de baixa tensão (DCMs, PRMs, NBMs e Buck. (Fonte da imagem: Vicor)

Mais para dentro da rede, uma série de conversores de relação fixa (NBM, meio superior) e buck-boost regulado (PRMs, centro) e de buck (inferior) alimentam conforme necessário a jusante, trilhas de tensões mais baixas. Neste projeto, o servo é acionado diretamente do barramento intermediário de energia de 48 volts, sem conversão CC-CC adicional.

A PDN para robôs de entrega em campus e ao consumidor, mostra a simplificação que pode resultar em sistemas de média potência, empregando uma tensão de barramento principal de energia mais baixa (neste caso, 100 volts) e adicionando regulação aos conversores CC-CC isolados (DCMs) no barramento principal de distribuição de energia para produzir a tensão do barramento intermediário de 48 volts (figura 2).

Figura 2: a PDN para robôs de entrega em campus e ao consumidor inclui acionamento direto para o motor e um barramento intermediário para alimentar os subsistemas restantes. (Fonte da imagem: Vicor)

Essa abordagem permite o uso de conversores CC-CC buck-boost e buck não isolados para alimentar os vários subsistemas. Além disso, o uso de uma tensão mais baixa para o barramento principal de energia permite que o acionamento do motor se conecte diretamente ao barramento principal, enquanto o servo pode se conectar diretamente ao barramento intermediário de 48 volts. Os robôs menores para entrega em campus e ao consumidor podem incorporar uma tensão de barramento intermediário de 24 volts e servos de 24 ou 48 volts, mas a arquitetura geral é semelhante.

A PDN para robôs de depósito, usando uma bateria de 67 volts, destaca o uso de conversores CC-CC buck-boost não isolados (PRMs) no barramento principal de energia (figura 3). Esses conversores fornecem eficiências de 96% a 98% e podem ser colocados em paralelo para necessidades de potência maiores. Essa arquitetura também apresenta uma relação fixa, conversor CC-CC (NBM) não isolado para alimentar a GPU, assim como conversores buck regulados não isolados que alimentam as seções lógicas.

Figura 3: a PDN para robôs de depósito combina um barramento principal de energia de 67 volts e um barramento intermediário de distribuição de energia de 48 volts. (Fonte da imagem: Vicor)

Para projetos de robôs menores usando uma bateria de 48 volts, não há necessidade de gerar uma tensão de barramento intermediária, simplificando o projeto (figura 4). As cargas são alimentadas diretamente da tensão da bateria por conversão direta usando vários conversores CC-CC não isolados. A eliminação do barramento intermediário na caixa de energia aumenta a eficiência do sistema e reduz o peso e o custo do sistema de potência.

Figura 4: a PDN para robôs de depósito usando uma bateria de 48 volts elimina a necessidade de um barramento intermediário de energia, simplificando muito o projeto. (Fonte da imagem: Vicor)

Considerações de projeto de arquitetura de energia distribuída

Conforme mostrado acima, os projetistas devem fazer várias opções de sistema de energia para otimizar uma PDN baseada em componentes para robótica. Não existe uma abordagem “tamanho único”. Em geral, robôs maiores se beneficiam de tensões de bateria mais altas, o que pode resultar em maior eficiência de distribuição de energia e barramentos de distribuição de energia menores e mais leves.

O uso de conversores CC-CC isolados versus não isolados é uma consideração importante ao otimizar a eficiência geral do sistema e minimizar os custos. Quanto mais próximo o conversor CC-CC estiver de uma carga de baixa tensão, mais provável será que a escolha ideal seja um componente de energia não isolado de custo mais baixo, aumentando a eficiência geral da PDN. Quando apropriado, o uso de conversores CC-CC de relação fixa (não regulados) de custo mais baixo também pode contribuir para maior eficiência da PDN.

A Vicor oferece conversores CC-CC que são capazes de atender às necessidades dos projetistas em uma ampla gama de arquiteturas de fornecimento de energia distribuída com base em componentes, incluindo os quatro descritos acima. A discussão a seguir se concentra em dispositivos específicos que podem ser usados em um sistema de distribuição de energia, semelhante ao descrito para robôs de entrega em campus e ao consumidor, conforme mostrado na figura 2.

Conversores CC-CC para sistemas de energia de robôs

O DCM3623TA5N53B4T70 é um exemplo de um conversor CC-CC DCM isolado e regulado que pode produzir a tensão do barramento intermediário de 48 volts a partir da bateria de 100 volts (figura 5). Este conversor usa a tecnologia de chaveamento de tensão zero (ZVS) para fornecer uma eficiência de pico de 90,7% e uma densidade de potência de 40 watts por centímetro cúbico. Ele fornece isolação de 3.000 volts CC entre a entrada e a saída.

Figura 5: o conversor CC isolado e regulado DCM3623TA5N53B4T70 pode produzir a tensão do barramento intermediário de 48 volts, a partir da energia da bateria de 100 volts. (Fonte da imagem: Vicor)

Aproveitando os benefícios térmicos e de densidade da tecnologia de encapsulamento ChiP (Converter-housed-in-Package) da Vicor, o módulo DCM oferece opções flexíveis de gerenciamento térmico com impedâncias térmicas do lado superior e inferior muito baixas. Os componentes de energia baseados em ChiP permitem que os projetistas obtenham soluções de sistema de energia econômicas com tamanho de sistema, peso e atributos de eficiência anteriormente inatingíveis, de forma rápida e previsível.

Para começar a explorar os recursos do DCM3623TA5N53B4T70, os projetistas podem usar a placa de teste DCM3623EA5N53B4T70 (figura 6). A placa de teste DCM pode ser configurada para vários esquemas de habilitação e monitoramento de falha, bem como para exercer vários modos de ajuste, dependendo dos requisitos da aplicação.

Figura 6: a placa de teste DCM3623EA5N53B4T70 permite que os projetistas explorem os recursos do conversor CC-CC DCM3623TA5N53B4T70. (Fonte da imagem: Vicor)

O DCM3623EA5N53B4T70 pode ser usado para avaliar DCMs em uma configuração autônoma ou como uma matriz de módulos. Ele também suporta a avaliação de várias opções de habilitação, ajuste e monitoramento de falha:

Opções de habilitação:

• Interruptor mecânico na placa (padrão)
• Controle externo

Opções de ajuste:

• Operação de ajuste fixo (padrão): o pino TR pode flutuar na partida inicial.O DCM desativa o ajuste de saída, que passa a ser programado para o VOUT nominal.
• Operação de ajuste variável, resistor variável na placa: a tensão do pino de ajuste é raciométrica, com um reostato trabalhando contra um resistor pull-up dentro do DCM a VCC.
• Operação de ajuste variável, controle fora da placa: a tensão do pino de ajuste é obtida por meio de controle de programação externo, que é referenciado como –IN de cada DCM específico no sistema.

Opções do monitor de falha:

• LED na placa: o pino FT aciona um LED visível para resposta visual sobre o status de falha.
• Optoacoplador na placa: o pino FT aciona um optoacoplador integrado para conduzir o status de falha através do limite de isolação primário-secundário.

O conversor CC-CC buck-boost PI3740-00 da Vicor pode ser usado para produzir energia de 44 volts e 24 volts para holofotes LED e câmeras de alta definição (HD), respectivamente. É um conversor ZVS de alta eficiência e ampla faixa de entrada e saída. Este sistema em pacote de alta densidade (SiP) integra um controlador, interruptores de energia e componentes de suporte (figura 7). Ele apresenta uma eficiência de pico de até 96%, bem como boa eficiência em carga leve.

Figura 7: o conversor CC-CC buck-boost SiP PI3740-00 pode ser usado para alimentar holofotes LED e câmeras HD na PDN para robôs de entrega e campus. (Fonte da imagem: Vicor)

O PI3740-00 requer um indutor externo, divisor resistivo e capacitores mínimos para formar um regulador buck-boost completo. A frequência de chaveamento de 1 megahertz (MHz) reduz o tamanho dos componentes de filtragem externos, melhora a densidade de potência e permite uma resposta dinâmica rápida a transientes de linha e carga.

Para iniciar o projeto com o PI3740-00, a Vicor fornece o PI3740-00-EVAL1 para avaliar o PI3740-00 em aplicações de tensão constante, onde V_OUT está acima de 8 volts. A placa opera com uma tensão de entrada entre 8 e 60 volts cc e suporta tensões de saída de até 50 volts cc. Os recursos dessa placa de teste incluem:

• Terminais de entrada e saída para conexões da fonte e carga
• Local para colocar um capacitor eletrolítico de alumínio na entrada através furo passante
• Filtro da fonte de entrada
• Jack de sonda de osciloscópio, para medições precisas das tensões de entrada e saída de alta frequência
• Pontos de teste de pino de sinal e conectores de fio
• Pontos de teste Kelvin de tensão e soquetes para todos os pinos PI3740
• Detecção de corrente no lado de alta/lado de baixa selecionável por jumper
• Tensão flutuante selecionável do jumper

Finalmente, o regulador buck PI3526-00-LGIZ da Vicor pode ser usado para fornecer energia de 12 volts para um computador e subsistemas sem fio na PDN (figura 8). Este conversor CC-CC oferece eficiência de até 98%, suporte para partida suave ajustável pelo usuário e rastreamento que inclui recursos de limite de corrente rápida e lenta. Esses reguladores ZVS integram o controlador, os interruptores de energia e os componentes de suporte em uma configuração SiP.

Figura 8: o regulador buck PI3526-00-LGIZ da Vicor pode ser usado para fornecer a energia de 12 volts necessária para um computador e subsistemas sem fio na PDN para robôs de entrega e campus. (Fonte da imagem: Vicor)

A placa de teste PI3526-00-EVAL1 da Vicor pode ser configurada para experimentar o regulador buck PI3526-00-LGIZ em uma configuração autônoma ou de sensoriamento remoto. São fornecidos soquetes para permitir uma rápida sondagem e colocação de um capacitor de entrada no conversor. A placa de teste fornece terminais, pegadas de jack banana da camada inferior para conexões de entrada e saída, conectores de sinal, pontos de teste e Kelvin Johnson-Jacks para medições precisas da tensão do nó de energia.

Conclusão

As necessidades de conversão de energia do sistema robótico tornam-se mais desafiadoras à medida que as capacidades de carga, o reconhecimento visual e a funcionalidade do usuário aumentam a complexidade dos robôs. As soluções de energia existentes podem sofrer limitações de desempenho em termos de tamanho, eficiência, peso e escalabilidade, tornando-as menos adequadas para aplicações de robótica. Para aplicações de robótica, os projetistas podem recorrer a arquiteturas de fornecimento de energia distribuída baseada em componentes para alimentar os motores, CPUs e outros subsistemas.

Conforme mostrado, esta abordagem pode resultar em um sistema de energia mais leve, permitindo ganhos de desempenho adicionais para robótica alimentada por bateria. A flexibilidade também é aprimorada, uma vez que os componentes de conversão de energia podem ser colocados em paralelo para escalar facilmente à medida que as demandas de energia aumentam, permitindo que a mesma arquitetura de energia seja implantada em uma plataforma de sistemas robóticos de vários tamanhos.

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