面向移動機器人的無線充電技術(shù)實現(xiàn)工業(yè)4.0

制造業(yè)已經(jīng)發(fā)展了200多年。工業(yè)4.0是第四次工業(yè)革命，其重點在于互聯(lián)互通、自動化、機器學習和實時數(shù)據(jù)處理。隨著各種制造業(yè)都在向工業(yè)4.0邁進，為了保持競爭力并降低制造成本，制造商正致力于為工廠投入更多的設(shè)備，同時削減員工數(shù)量。 

圖1.制造業(yè)的發(fā)展

制造商正致力于在其工廠（即亞馬遜配送倉庫和裝配線）和倉庫中大力投資先進的移動機器人技術(shù)，來承擔大部分的材料建造、組裝和運輸工作。然而，這些移動機器人必須定期充電，這對工業(yè)工廠來說是一個日益嚴峻的挑戰(zhàn)。如今，無線充電空間做出了一些改進，讓這些機器人變得更加靈活，從而提高了工廠的制造能力和效率。隨著組件選擇、線圈設(shè)計和電路板布局的正確結(jié)合，無線充電技術(shù)正日益成為制造業(yè)的變革者，并且正在影響整個經(jīng)濟。

無線充電的工作原理

最新的無線充電解決方案采用了基于電磁感應(yīng)原理的技術(shù)。當交流電通過發(fā)送器側(cè)的感應(yīng)線圈時，會產(chǎn)生振蕩磁場。當此振蕩磁場與接收器側(cè)的感應(yīng)線圈耦合時，接收器側(cè)線圈會產(chǎn)生交流電（見圖2）。

 圖2.借助感應(yīng)式無線充電，無線充電解決方案的接收器側(cè)線圈會產(chǎn)生交流電

無線充電系統(tǒng)需要許多組件，包括發(fā)送器線圈、調(diào)諧電容、線圈驅(qū)動器和接收器線圈。其他組件還包括二極管整流器、直流-直流轉(zhuǎn)換器、發(fā)送器和接收器控制電路及算法，以及電池充電電路。

在下面給出的示例中，無線充電系統(tǒng)借助電磁感應(yīng)，能夠?qū)㈦娔軓陌惭b在工廠車間的充電源墊傳輸?shù)桨惭b在移動機器人上的接收墊。

圖3.工廠車間移動機器人的無線充電

工廠車間無線充電的優(yōu)勢

出于多種原因考量，采用更高效率和成本優(yōu)化組件的現(xiàn)代無線充電系統(tǒng)經(jīng)過驗證，已成為工廠設(shè)置的變革者。首先，它可通過多種方式提高生產(chǎn)力并降低制造成本。它可通過機會充電（即利用空閑時間充電）實現(xiàn)連續(xù)操作，并減少投資，因為機器人支持多種用途，從而用于不同的操作。此外，還減少了人為干預(yù)，因為充電過程可以自動化，同時還降低了維護成本，因為無需使用連接器和電纜等，從而實現(xiàn)完全非接觸式解決方案。

其次，這類充電系統(tǒng)還提高了安全性。它們消除了因連接器導致的火花及其內(nèi)部污染或水分引起的短路的風險。其他安全優(yōu)勢包括：這些解決方案能夠可靠地檢測發(fā)送器和接收器線圈之間的金屬碎片和其他異物。此外，充電器和機器人之間可輕松實現(xiàn)安全驗證，從而避免未經(jīng)授權(quán)的訪問，并且充電期間的數(shù)據(jù)傳輸可用于預(yù)測性維護以防止停機。其他優(yōu)勢包括：與有線充電系統(tǒng)相比，無線充電系統(tǒng)在工廠車間的維護和清潔要容易得多。這是完全自動化工廠的重要貢獻者，可最大限度地減少人為干預(yù)，并可防止員工間傳播傳染病（如COVID-19），從而有助于營造更安全的環(huán)境。

克服無線充電實現(xiàn)挑戰(zhàn)

考慮到無線充電技術(shù)的優(yōu)勢，在潛力工廠設(shè)置中采用這項技術(shù)將制造業(yè)提升到一個新的水平，并解決困難的生產(chǎn)挑戰(zhàn)。然而，無線充電也存在一些挑戰(zhàn)。這些挑戰(zhàn)包括：與傳統(tǒng)有線充電相比，需要相對較高的投資來建造無線充電基礎(chǔ)設(shè)施，而且還存在相對較低的效率和EMI問題。如果發(fā)送器和接收器線圈之間有異物，也會存在與過熱相關(guān)的安全問題。BOM成本管理和組件選擇尤其重要。

在無線電源發(fā)送器中，大功率無線電源系統(tǒng)中開關(guān)電流的關(guān)鍵回路包括功率開關(guān)、諧振電容和線圈。此回路涉及高電壓、高電流和高開關(guān)頻率。這種高功率無線電力傳輸系統(tǒng)中的PCB布局、組件布局和布線會影響效率、EMI性能和散熱，進而影響系統(tǒng)性能和可靠性。由于線圈存在制造可變性，線圈參數(shù)變化也會帶來挑戰(zhàn)。線圈之間的變化可能導致產(chǎn)品之間存在差異，從而導致行為不一致和現(xiàn)場性能不可靠。

雖然通用器件可用于構(gòu)建無線充電解決方案，但其性能無法達到與固定功能替代品相同的水平。根據(jù)組件選擇和電路板布局決策，解決方案的成本和效率也會有所不同?？梢岳迷S多方法來優(yōu)化目前的無線充電解決方案。

構(gòu)建優(yōu)化的解決方案

固定功能器件用于優(yōu)化無線充電解決方案，這樣便能應(yīng)對在高功率水平下實現(xiàn)安全、可靠、高效的無線電源這一挑戰(zhàn)。優(yōu)化此解決方案的發(fā)送器和接收器電路是一個重要步驟，這種電路運行高度專業(yè)化的通信、功率控制和異物檢測（FOD）算法。這些算法基于大量的研發(fā)和多項授權(quán)專利。

理想情況下，無線充電解決方案中應(yīng)采用帶內(nèi)通信，這有助于消除帶外通信方案所增加的系統(tǒng)成本。尋找約100 kHz范圍內(nèi)的電力傳輸頻率。應(yīng)使用驅(qū)動發(fā)送器中全橋逆變器的PWM的可變頻率和可變占空比控制來執(zhí)行功率控制。在高功率水平下，FOD變得至關(guān)重要。采用這種方法時，電力傳輸會短暫停止幾微秒，并使用解決方案的高性能外設(shè)和內(nèi)核測量線圈電壓。當輸出FET關(guān)閉時，可通過計算線圈電壓的斜率來檢測是否存在異物。

選擇解決方案的所有組件（包括控制器、FET、穩(wěn)壓器和線圈）時，必須使成本符合總系統(tǒng)預(yù)算，這可能需要包含高端金屬觸點，以確保在潮濕或灰塵環(huán)境中的可靠性。解決方案的效率取決于功率控制方案和最佳線圈設(shè)計。一個示例是Microchip的WP300解決方案，其設(shè)計在超過100W的負載下可實現(xiàn)超過90%的效率。此效率是從發(fā)送器的直流輸入到接收器的穩(wěn)壓直流輸出測得的。該解決方案可在12-36V DC的輸入電壓下工作，并且可以在接收器側(cè)調(diào)節(jié)到類似的電壓范圍。

在基于WP300的參考解決方案中，PCB布局、組件布局和PCB層疊已經(jīng)過優(yōu)化，可實現(xiàn)最佳性能。在設(shè)計PCB時，已確保數(shù)字部分、模擬部分和電源部分彼此隔離，這樣便可最大限度地減少噪聲耦合。

除了降低開關(guān)頻率外，還可在發(fā)送器中使用適當?shù)目刂品椒ê蛢?yōu)化使用去耦電容來降低開關(guān)噪聲，進而減輕EMI問題。去耦電容可降低開關(guān)噪聲耦合，但會增加損耗，從而導致熱耗散增加和效率損失。為優(yōu)化設(shè)計，這些權(quán)衡的評估至關(guān)重要。

線圈參數(shù)可在生產(chǎn)線上組裝時進行校準。這種解決方案的優(yōu)勢在于，可在產(chǎn)品測試期間將線圈校準數(shù)據(jù)寫入WP300TX IC，從而實現(xiàn)整個產(chǎn)品的一致操作和可靠性能。最后，為在發(fā)送器和接收器之間創(chuàng)建1:1配對，可在帶內(nèi)包含安全通信，以確保只有經(jīng)過發(fā)送器驗證的接收器才能獲得供電。圖4包含經(jīng)優(yōu)化可提供這些功能的300W發(fā)送器控制器和300W接收器控制器的框圖。

圖4.已針對無線充電進行優(yōu)化的發(fā)送器和接收器電路框圖

系統(tǒng)開發(fā)人員應(yīng)與可提供使用其無線充電解決方案的詳細指南的供應(yīng)商合作，具體包括組件選擇、線圈設(shè)計和電路板布局的指南。供應(yīng)商還應(yīng)提供分步指導，以確保最終產(chǎn)品能夠無縫執(zhí)行。借助這種方法，開發(fā)人員可節(jié)省時間、降低風險并簡化其無線充電器設(shè)計，從而充分履行電磁感應(yīng)技術(shù)的承諾，同時提高生產(chǎn)力、降低制造成本并提高安全性。