設(shè)計機器人電源架構(gòu)前需要考慮的6個問題

移動機器人產(chǎn)業(yè)正在迅速發(fā)展壯大。到 2023 年【世界機器人 2020】，預(yù)計市場價值將接近 300 億美元，在不久的將來，制造的機器人將通過解決眾所周知以及尚未發(fā)現(xiàn)的問題來解決各種市場問題。它們所執(zhí)行的任務(wù)已不僅僅是從 A 點移動到 B 點：他們可根據(jù)環(huán)境輸入數(shù)據(jù)以及他們自己的任務(wù)參數(shù)做出實時決策。

為供電網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)創(chuàng)新，在競爭中脫穎而出

移動機器人產(chǎn)業(yè)正在迅速發(fā)展壯大。到 2023 年【世界機器人 2020】，預(yù)計市場價值將接近 300 億美元，在不久的將來，制造的機器人將通過解決眾所周知以及尚未發(fā)現(xiàn)的問題來解決各種市場問題。它們所執(zhí)行的任務(wù)已不僅僅是從 A 點移動到 B 點：他們可根據(jù)環(huán)境輸入數(shù)據(jù)以及他們自己的任務(wù)參數(shù)做出實時決策。

供電網(wǎng)絡(luò)具有高功率密度和可擴展性

圖 1:  DCM 轉(zhuǎn)換器系列工作輸入電壓從 43 — 154V 不等，可滿足這類需求。DCM3623 可通過電池為伺服驅(qū)動器、其它有效載荷及下游轉(zhuǎn)換器實現(xiàn) 24 或 48V 的穩(wěn)壓配電。DCM3623 采用 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(wěn)壓器或升降壓穩(wěn)壓器構(gòu)建了 24 至 48V 線路，通?？捎糜跒殡妷焊偷木€路供電。

提供這些功能需要電機、傳感器和處理子系統(tǒng)，但要在競爭中保持領(lǐng)先地位，機器人平臺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(biāo)的同時，快速實現(xiàn)這一目標(biāo)，需要一個可擴展的優(yōu)化供電網(wǎng)絡(luò) (PDN)，滿足不斷變化的需求?？紤]以下問題，將幫助您找到適合您平臺的最佳答案。這樣，您就可以為您的移動機器人設(shè)計一款更好的 PDN，面對任何因任務(wù)參數(shù)變化而導(dǎo)致的變革，公司都將可以承受。

01 您的電池是否針對輕量級低損耗配電進行了優(yōu)化？

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

事情非常簡單，根據(jù)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(xì)（更輕！）的線纜。較細(xì)較輕的線纜與較大線纜相比，電阻也較小，可減少系統(tǒng)中的廢熱?；谶@些原因，與 低電壓的 12V 解決方案相比，有很多基于 48V（甚至更高！）的電池電源架構(gòu)，并且還有高效率的輕量級轉(zhuǎn)換器可供選擇：包括固定比率 BCM 和穩(wěn)壓 DCM 轉(zhuǎn)換器。

02 PDN 是否針對充電間隔時間進行了優(yōu)化，支持當(dāng)前及未來有效載荷？

您的平臺將不斷發(fā)展：處理器速度更快，電機/致動器數(shù)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(tǒng)，您是否都希望重新設(shè)計 PDN？

無需重新設(shè)計 PDN，您可以在相同的 PDN 電源電壓下使用額外的并聯(lián)電池來增加整體電池容量，以存儲更多能量?，F(xiàn)在，您不需要使用不同電壓重新設(shè)計，也不需要處理整個平臺的相關(guān)變化帶來的紋波效應(yīng)。要優(yōu)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為子系統(tǒng)供電時使用固定比率轉(zhuǎn)換器。固定比率轉(zhuǎn)換器是更高效、更小尺寸、 重量更輕的轉(zhuǎn)換器，用于降壓轉(zhuǎn)換。例如，您的 PDN 可以把這些小型模塊化轉(zhuǎn)換器布置在任何您需要將 48 轉(zhuǎn)換為 12V 或?qū)?800V 轉(zhuǎn)換為 SELV 電壓的地方。

03 動態(tài)負(fù)載是否給系統(tǒng)增加了不必要的重量？

為動態(tài)負(fù)載供電的一種蠻力方法是調(diào)整 PDN 配電大小以獲得更大功率，但如果負(fù)載具有低占空比，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(fù)載點附近增加本地儲能，在附近布置一款可在需要時供電的電容器。然而，優(yōu)化 PDN 可能還有更好的選項：固定比率轉(zhuǎn)換器。這些轉(zhuǎn)換器不僅可以像一款理想的變壓器一樣發(fā)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(yōu)勢。這就意味著輸入端的電容看起來就像輸出端的電容，其擴展比率與轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換 K 因數(shù)相同。更輕的解決方案將在固定比率轉(zhuǎn)換器的輸入端使用一個很小的電容值，而不是在一款轉(zhuǎn)換器后面部署一款更大的電容器。

圖 2:  包括草莓、蘋果和生菜在內(nèi)的各種農(nóng)產(chǎn)品正在使用自動車輛導(dǎo)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(shè)備通常由 400V 或更高的高壓 DC 電源供電。

04 您應(yīng)該制定自主控制計劃？

自動化任務(wù)對提高效率而言至關(guān)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(wù)未來很可能也會實現(xiàn)自動化?？纯茨壳暗臋C器學(xué)習(xí)/人工智能硬件您就會發(fā)現(xiàn)，電源需求可能令人生畏，但 Vicor 解決方案已經(jīng)滿足了這些需求。現(xiàn)在計劃一些額外的電源功能（記住第 2 個問題！），當(dāng)您準(zhǔn)備好將 AI 融入您的增強功能時，將幫助您輕松實現(xiàn)擴展。

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

05 使用電池，還是系線？

不要低估系留設(shè)計的優(yōu)勢，特別是在工作區(qū)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(jīng)開始使用系留電源系統(tǒng)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。

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(jù)您的需求提供更多電源，為平臺上更廣泛的功能（傳感器和數(shù)據(jù)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(zhuǎn)換器仍能為您帶來更多優(yōu)勢（還記得問題 1 和問題 3 嗎？）

  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(yīng)用中，系線有助于擴大工作范圍，允許在其它嘈雜的惡劣環(huán)境中從攝像頭進行高帶寬數(shù)據(jù)傳輸。線纜越細(xì)、越輕，這些機器人工作的地方就會越深、越遠，但較細(xì)的線纜會限制傳統(tǒng) PDN 的電源傳輸。Vicor 模塊化方法可實現(xiàn)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 模塊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。

06 您的模塊化實現(xiàn)增值了嗎？

通用接口通過為機制、數(shù)據(jù)接口和電源實現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化來實現(xiàn)模塊化。在系統(tǒng)的 FRU 層面提供模塊化，可提升現(xiàn)場可維護性。但可能在某個時候，您的接口可能會落后于您的系統(tǒng)運用需求。例如，幾十年來，12V 一直是計算機和汽車 PDN 的標(biāo)準(zhǔn)配電電壓，但現(xiàn)在隨著功率級的提高，48V 已開始普及。為了擴大模塊化的價值，您可以使用轉(zhuǎn)換器，其可在維護接口的同時，在 PDN 中實現(xiàn)高效轉(zhuǎn)換。回到 48V 至 12V 示例中，NBM2317 是一個很好的產(chǎn)品示例，可通過雙向高效轉(zhuǎn)換橋接橋接 12V 和 48V 電源。 

圖 6:  第一個供電鏈架構(gòu)重點展示高性能升降壓穩(wěn)壓器 PRM 電源模塊。PRM 能夠以 96% 至 98% 的效率創(chuàng)造一條 24V 至 48V 的中間母線，為伺服系統(tǒng)及其它下游電源模塊供電，其中包括固定比率 NBM、ZVS 降壓穩(wěn)壓器和 ZVS 升降壓穩(wěn)壓器等。此外，所有模塊還可并聯(lián)，實現(xiàn)更高功率的轉(zhuǎn)換。

更好的供電方式

這 6 個問題將為您指明設(shè)計 PDN 的道路

●   以更小的熱量及質(zhì)量影響執(zhí)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 可擴展性（功率、容量和自主控制)

●   使用通用接口來實現(xiàn)模塊化，以便將來擴展容量