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Por qué y cómo usar una arquitectura de potencia distribuida basada en componentes para la robótica

Por Jeff Shepard

Colaboración de Editores de Digi-Key de América del Norte

El uso de robots alimentados por baterías está creciendo en aplicaciones como la automatización de fábricas, la agricultura, la entrega a campus y consumidores y la gestión de inventarios de almacenes. Para obtener el máximo tiempo de funcionamiento entre cargas, los diseñadores de estos sistemas de baterías siempre han tenido que preocuparse por la eficiencia de la conversión de la energía, así como por el tamaño y el peso.

Sin embargo, estas preocupaciones se han vuelto más críticas a medida que las capacidades de carga siguen aumentando y las características de detección y seguridad, como la visión, el alcance, la proximidad y la ubicación, entre otras, añaden complejidad al diseño y peso físico. Al mismo tiempo, el procesamiento electrónico adicional requerido también consume más energía.

Para maximizar la duración de la batería frente a estos retos adicionales, los diseñadores pueden recurrir a una arquitectura de suministro de energía distribuida basada en componentes para alimentar los motores, las CPU y otros subsistemas. En este enfoque, cada componente individual de conversión de energía CC-CC puede colocarse en el punto de carga (PoL) y optimizarse para una alta eficiencia, un tamaño pequeño (alta densidad de energía) y un rendimiento general. Este enfoque puede dar lugar a un sistema de alimentación general más ligero, lo que permite aumentar el rendimiento de los sistemas robóticos alimentados por baterías. La flexibilidad también aumenta, ya que los componentes de conversión de energía pueden escalarse fácilmente en paralelo a medida que aumentan las demandas de energía robótica, y también permiten desplegar la misma arquitectura de energía a través de una plataforma de sistemas robóticos de varios tamaños.

Este artículo resume brevemente las necesidades de energía de varias aplicaciones de la robótica, incluyendo la cosecha agrícola, la entrega a los campus y a los consumidores, y el movimiento de inventario en los almacenes. A continuación, revisará los beneficios de utilizar una arquitectura de suministro de energía distribuida basada en componentes, y luego presentará soluciones de convertidores CC-CC de ejemplo de Vicor, junto con tableros de evaluación y software asociado para ayudar a los diseñadores a comenzar.

Requisitos de energía para los robots

Los requisitos de potencia para tipos específicos de robots están determinados por la aplicación:

  • Robots de cosecha agrícola: Plantar, mantener y cosechar productos (frutas, verduras, granos) utilizando la guía de vehículos automatizada junto con el reconocimiento visual y múltiples sensores de análisis del medio ambiente y del suelo. Estos grandes vehículos robóticos se alimentan típicamente de una fuente de alto voltaje de 400 voltios o más.
  • Robots de entrega: Consumidores de última milla o entrega de varios artículos en el campus. Aunque las cargas útiles varían en tamaño y peso, estos robots suelen funcionar con baterías de 48 a 100 voltios y tienen requisitos de tiempo de funcionamiento más largos que la clase de robots móviles de inventario de almacén.
  • Robots de movimiento de inventario del almacén: Proporcionan tareas de gestión de inventario y cumplimiento de pedidos en grandes almacenes. Esta clase de robot se alimenta típicamente de una fuente de baterías de 24 a 72 voltios con una carga de oportunidad realizada según la necesidad.

Arquitecturas de energía distribuida basadas en componentes para la robótica

En esta sección se examinan cuatro ejemplos de arquitecturas de energía distribuida basadas en componentes para robots que van desde un sistema de 15.9 kilovatios (kW) para robots de cosecha agrícola con un paquete de baterías de 760 voltios hasta un sistema de 1.2 kW para robots de movimiento de inventario de almacén que utilizan un paquete de baterías de 48 voltios. Una característica común en tres de estas aplicaciones es un bus principal de voltaje relativamente alto que distribuye la energía a través del robot, seguido de una o más secciones de reducción de voltaje que entregan la energía necesaria a los subsistemas. Un bus de distribución de energía de alto voltaje da como resultado una mayor eficiencia y menores corrientes de distribución de energía, lo que permite el uso de cables de energía más pequeños, más ligeros y menos costosos. La cuarta aplicación muestra la simplificación que puede resultar en robots más pequeños que utilizan sistemas de baterías de 48 voltios.

La red de suministro de energía (PDN) para los robots cosechadores agrícolas comprende un bus de energía principal de 760 voltios (Figura 1). Esto se apoya en una serie de convertidores CC-CC aislados de relación fija (no regulados) (mostrados como módulos BCM a la izquierda) con un voltaje de salida de 1/16 del voltaje de entrada. Estos convertidores se utilizan en paralelo, lo que permite redimensionar el sistema según las necesidades del diseño específico.

Diagrama del PDN de Vicor para los robots de cosecha agrícola de 15.4 kWFigura 1: Este PDN para robots de cosecha agrícola de 15,4 kW comprende un bus de distribución de 760 voltios que soporta una red de convertidores de bajo voltaje (DCM, PRM, NBM y reductor). (Fuente de la imagen: Vicor)

Más adelante en la red, una serie de convertidores de relación fija (NBM, superior media) y regulada reductor-elevador (PRM, centro) y convertidores reductores (inferior) se alimentan de corriente, rieles de menor voltaje según sea necesario. En este diseño, el servo es impulsado directamente desde el bus de potencia intermedio de 48 voltios sin conversión adicional CC-CC.

La PDN para los robots de distribución de campus y de consumo muestra la simplificación que puede resultar en sistemas de potencia media al emplear un voltaje de bus de potencia principal más bajo (en este caso, 100 voltios), y al añadir regulación a los convertidores aislados CC-CC (DCM) en el bus de distribución de potencia principal para producir el voltaje de bus intermedio de 48 voltios (Figura 2).

Diagrama de la PDN del Vicor para los robots de entrega del campus y del consumidorFigura 2: El PDN para los robots de reparto del campus y del consumidor incluye un accionamiento directo para el motor y un bus intermedio para alimentar los subsistemas restantes. (Fuente de la imagen: Vicor)

Este enfoque permite el uso de convertidores CC-CC no aislados para alimentar los diversos subsistemas. Además, el uso de un voltaje más bajo para el bus de alimentación principal permite que el motor de accionamiento se conecte directamente al bus principal, mientras que el servo puede conectarse directamente al bus intermedio de 48 voltios. Los robots de entrega de campus y de consumo más pequeños pueden incorporar un voltaje de bus intermedio de 24 voltios y servos de 24 o 48 voltios, pero la arquitectura general es similar.

El PDN para los robots de almacén que utilizan un paquete de baterías de 67 voltios destaca el uso de convertidores CC-CC no aislados (PRM) en el bus de alimentación principal (Figura 3). Estos convertidores proporcionan eficiencias del 96% al 98% y pueden ser paralelos para necesidades de energía más altas. Esta arquitectura también cuenta con un convertidor CC-CC no aislado de relación fija (NBM) para alimentar la GPU, y convertidores buck regulados no aislados que alimentan las secciones lógicas.

Diagrama de la PDN de Vicor para los robots del almacénFigura 3: El PDN para los robots de almacén combina un bus de alimentación principal de 67 voltios y un bus de distribución de energía intermedia de 48 voltios. (Fuente de la imagen: Vicor)

Para los diseños de robots más pequeños que utilizan una batería de 48 voltios no es necesario generar un voltaje de bus intermedio, lo que simplifica el diseño (Figura 4). Las cargas se alimentan directamente del voltaje de la batería por conversión directa usando varios convertidores CC-CC no aislados. La eliminación del bus intermedio en el tren de potencia aumenta la eficiencia del sistema y reduce el peso y el costo del sistema de potencia.

Diagrama de la PDN de Vicor para los robots del almacénFigura 4: El PDN para los robots de almacén que utilizan un paquete de baterías de 48 voltios elimina la necesidad de un bus de alimentación intermedio, simplificando enormemente el diseño. (Fuente de la imagen: Vicor)

Consideraciones sobre el diseño de la arquitectura de energía distribuida

Como se muestra arriba, los diseñadores deben hacer numerosas elecciones de sistemas de energía para optimizar una PDN basada en componentes para la robótica. No hay un enfoque de "talla única". En general, los robots más grandes se benefician de los mayores voltajes de las baterías, lo que puede dar lugar a una mayor eficiencia en la distribución de la energía y a autobuses de distribución de energía más pequeños y ligeros.

El uso de convertidores CC-CC aislados frente a no aislados es una consideración importante a la hora de optimizar la eficiencia global del sistema y minimizar los costes. Cuanto más cerca esté el convertidor CC-CC de una carga de bajo voltaje, más probable es que la elección óptima sea un componente de energía no aislado de menor costo, aumentando la eficiencia general del PDN. Cuando sea apropiado, el uso de convertidores CC-CC de relación fija (no regulados) de menor costo también puede contribuir a una mayor eficiencia de la PDN.

Vicor ofrece convertidores CC-CC capaces de satisfacer las necesidades de los diseñadores en una amplia gama de arquitecturas de suministro de energía distribuida basadas en componentes, incluyendo las cuatro descritas anteriormente. La siguiente discusión se centra en los dispositivos específicos que pueden utilizarse en un sistema de suministro de energía similar al que se describe para los robots de suministro en el campus y para los consumidores, como se muestra en la figura 2.

Convertidores CC-CC para los sistemas de energía de los robots

El DCM3623TA5N53B4T70 es un ejemplo de un convertidor DCM aislado y regulado que puede producir el voltaje del bus intermedio de 48 voltios a partir de una batería de 100 voltios (Figura 5). Este convertidor utiliza la tecnología de conmutación de voltaje cero (ZVS) para ofrecer una eficiencia máxima del 90.7% y una densidad de potencia de 653 vatios por pulgada cúbica. Proporciona un aislamiento de 3,000 voltios cc entre la entrada y la salida.

Imagen del convertidor DCM3623TA5N53B4T70 aislado y regulado CC-CC del VicorFigura 5: El convertidor DCM3623TA5N53B4T70 aislado y regulado CC-CC puede producir el voltaje del bus intermedio de 48 voltios a partir de una batería de 100 voltios. (Fuente de la imagen: Vicor)

Aprovechando los beneficios térmicos y de densidad de la tecnología de empaquetamiento de ChiP de Vicor, el módulo DCM ofrece opciones flexibles de gestión térmica con impedancias térmicas superiores e inferiores muy bajas. Los componentes de energía basados en ChiP permiten a los diseñadores lograr soluciones rentables para sistemas de energía con atributos de tamaño, peso y eficiencia del sistema que antes eran inalcanzables, de manera rápida y previsible.

Para empezar a explorar las capacidades del DCM3623TA5N53B4T70, los diseñadores pueden utilizar la tarjeta de evaluación DCM3623EA5N53B4T70 (Figura 6). La placa de evaluación DCM puede ser configurada para varios esquemas de habilitación y monitoreo de fallas, así como para ejercer varios modos de recorte dependiendo de los requerimientos de la aplicación.

Imagen de la placa de evaluación del DCM3623EA5N53B4T70 de VicorFigura 6: La placa de evaluación DCM3623EA5N53B4T70 permite a los diseñadores explorar las capacidades del conversor CC-CC DCM3623TA5N53B4T70. (Fuente de la imagen: Vicor)

El DCM3623EA5N53B4T70 puede utilizarse para evaluar los DCM en una configuración autónoma o como un conjunto de módulos. También apoya la evaluación de varias opciones de habilitación, recorte y monitoreo de fallas:

Habilitar opciones:

  • Interruptor mecánico de a bordo (por defecto)
  • Control externo

Opciones de recorte:

  • Operación de ajuste fijo (por defecto): se permite que el pin TR flote en el arranque inicial.El DCM desactiva el recorte de salida y el recorte de salida se programa a la VOUT nominal.
  • Operación de ajuste variable, resistencia variable integrado: El voltaje de la clavija de ajuste es ratiométrico, con un reóstato que trabaja contra una resistencia de pull-up dentro del DCM a VCC.
  • Operación de ajuste variable, control fuera de la nave: El voltaje de la clavija de recorte se controla a través de un control de programación externo, que se refiere al -IN de cada DCM específico del sistema.

Opciones de monitorización de fallos:

  • LED de a bordo: la clavija de FT impulsa un LED visible para la retroalimentación visual del estado de la falla.
  • Optoacoplador integrado: la clavija FT impulsa un optoacoplador de a bordo para llevar el estado de la falla a través del límite de aislamiento primario-secundario.

El convertidor CC-CC PI3740-00 de Vicor puede utilizarse para producir energía de 44 y 24 voltios para proyectores LED y cámaras de alta definición (HD), respectivamente. Es un convertidor ZVS de alta eficiencia y amplio rango de entrada y salida. Este sistema en paquete de alta densidad (SiP) integra un controlador, interruptores de alimentación y componentes de apoyo (Figura 7). Tiene una eficiencia máxima de hasta el 96%, así como una buena eficiencia en la carga de luz.

Imagen del SiP del convertidor de CC-CC reductor-elevadoe PI3740-00 de VicorFigura 7: El SiP del convertidor CC-CC reductor-elevador PI3740-00 puede ser usado para alimentar los focos LED y las cámaras HD en el PDN para el campus y los robots repartidores. (Fuente de la imagen: Vicor)

El PI3740-00 requiere un inductor externo, un divisor resistivo y condensadores mínimos para formar un regulador reductor-elevador completo. La frecuencia de conmutación de 1 megahercio (MHz) reduce el tamaño de los componentes de filtrado externos, mejora la densidad de potencia y permite una rápida respuesta dinámica a los transitorios de línea y carga.

Para arrancar el diseño con el PI3740-00, Vicor proporciona el PI3740-00-EVAL1 para evaluar el PI3740-00 en aplicaciones de voltaje constante donde el VOUT está por encima de los 8 voltios. La placa funciona con un voltaje de entrada de entre 8 y 60 voltios cc y soporta voltajes de salida de hasta 50 voltios cc. Las características de esta placa de evaluación incluyen:

  • Llaves de entrada y salida para las conexiones de fuente y carga
  • Lugar para colocar un condensador electrolítico de aluminio de entrada de agujero pasante
  • Filtro de la fuente de entrada
  • Toma de sonda de osciloscopio para mediciones precisas de alta frecuencia de salida y voltaje de entrada
  • Los puntos de prueba de las clavijas de señal y los conectores de los cables
  • Puntos de prueba de voltaje Kelvin y enchufes para todos los pines del PI3740
  • Detección de corriente de lado alto/bajo seleccionable por jumper
  • Voltaje de flotación seleccionable por el puente

Por último, el regulador PI3526-00-LGIZ de Vicor puede utilizarse para proporcionar una alimentación de 12 voltios a una computadora y a los subsistemas inalámbricos del PDN (Figura 8). Este convertidor CC-CC proporciona una eficiencia de hasta el 98%, y soporte para el arranque suave y el seguimiento ajustable por el usuario que incluye capacidades de límite de corriente rápidas y lentas. Estos reguladores ZVS integran el controlador, los interruptores de potencia y los componentes de apoyo en una configuración SiP.

Imagen del regulador PI3526-00-LGIZ de VicorFigura 8: El regulador PI3526-00-LGIZ de Vicor puede ser usado para proveer la energía de 12 voltios requerida por una computadora y los subsistemas inalámbricos en el PDN para los robots de campus y de reparto. (Fuente de la imagen: Vicor)

La placa de evaluación PI3526-00-EVAL1 de Vicor puede ser configurado para experimentar con el regulador buck PI3526-00-LGIZ en una configuración autónoma o de sentido remoto. Se proporcionan enchufes para permitir una rápida sonda y la colocación de un condensador de entrada masiva. La placa de evaluación proporciona orejetas, huellas de la capa inferior del conector tipo banana para las conexiones de entrada y salida, conectores de señal y puntos de prueba, y conectores Kelvin Johnson-Jacks para mediciones precisas del voltaje del nodo de energía.

Conclusión:

Las necesidades de conversión de la energía de los sistemas robóticos se vuelven más desafiantes a medida que las capacidades de carga, el reconocimiento visual y la funcionalidad del usuario aumentan la complejidad de los robots. Las soluciones de energía existentes pueden sufrir limitaciones de rendimiento en términos de tamaño, eficiencia, peso y escalabilidad, lo que las hace menos adecuadas para las aplicaciones de robótica. Para las aplicaciones de robótica, los diseñadores pueden recurrir a arquitecturas de suministro de energía distribuida basadas en componentes para alimentar los motores, las CPU y otros sistemas.

Como se muestra, este enfoque puede dar lugar a un sistema de energía más ligero, lo que permite un mayor rendimiento de la robótica de baterías. La flexibilidad también aumenta, ya que los componentes de conversión de energía se pueden escalar fácilmente en paralelo a medida que aumenta la demanda de energía, lo que permite desplegar la misma arquitectura de energía a través de una plataforma de sistemas robóticos de varios tamaños.

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Información sobre el autor

Jeff Shepard

Jeff ha estado escribiendo sobre electrónica de potencia, componentes electrónicos y otros temas de tecnología durante más de 30 años. Empezó a escribir sobre electrónica de potencia como editor senior en el EETimes. Posteriormente fundó Powertechniques, una revista de diseño de electrónica de potencia, y más tarde fundó Darnell Group, una empresa global de investigación y publicación de electrónica de potencia. Entre sus actividades, el Grupo Darnell publicó PowerPulse.net, que proporcionaba noticias diarias a la comunidad mundial de ingeniería en electrónica de potencia. Es el autor de un libro de texto sobre fuentes de alimentación conmutadas, titulado "Fuentes de alimentación", publicado por la división Reston de Prentice Hall.

Jeff también cofundó Jeta Power Systems, un fabricante de fuentes de alimentación conmutadas de alto voltaje, que fue adquirido por Computer Products. Jeff es también un inventor, ya que su nombre figura en 17 patentes de los Estados Unidos en los campos de la recolección de energía térmica y los metamateriales ópticos, y es una fuente de la industria y un frecuente orador sobre las tendencias mundiales en la electrónica de potencia. Tiene una maestría en Métodos cuantitativos y Matemáticas de la Universidad de California.

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