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Pourquoi et comment utiliser une architecture de puissance distribuée basée sur des composants pour la robotique

Par Jeff Shepard

Avec la contribution de Rédacteurs nord-américains de Digi-Key

L'utilisation de robots alimentés par batterie se développe dans les applications telles que l'automatisation industrielle, l'agriculture, les livraisons chez les particuliers et sur les campus, et la gestion des stocks dans les entrepôts. Pour maximiser la durée de fonctionnement entre les charges, les concepteurs de ces systèmes de batteries doivent tenir compte du rendement de conversion de puissance, ainsi que de la taille et du poids.

Toutefois, ces préoccupations deviennent plus critiques à mesure que les capacités de charge continuent d'augmenter et que les caractéristiques de détection et de sécurité telles que la vision, la portée, la proximité, l'emplacement, entre autres, amplifient la complexité de la conception et le poids physique. En même temps, le traitement électronique supplémentaire requis consomme également plus de puissance.

Pour maximiser la durée de vie des batteries face à ces défis supplémentaires, les concepteurs peuvent se tourner vers une architecture de puissance distribuée basée sur des composants pour alimenter les moteurs, les processeurs et les autres sous-systèmes. Dans une telle approche, chaque composant individuel de conversion de puissance CC/CC peut être placé au point de charge (PoL) et optimisé pour un haut rendement, un format compact (haute densité de puissance) et des performances globales. Cette approche peut aboutir à un système d'alimentation global plus léger, ce qui permet d'accroître davantage les performances des systèmes robotiques alimentés par batterie. La flexibilité est également améliorée puisque les composants de conversion de puissance peuvent être mis en parallèle pour facilement s'adapter à l'augmentation des besoins en énergie des robots. Ils permettent également de déployer la même architecture de puissance sur une plateforme de systèmes robotiques de différentes tailles.

Cet article décrit brièvement les besoins en énergie de plusieurs applications robotiques, notamment les récoltes agricoles, la livraison chez les particuliers et sur les campus, et le mouvement des stocks dans les entrepôts. Il passe ensuite en revue les avantages de l'utilisation d'une architecture de puissance distribuée basée sur des composants, puis présente des exemples de solutions de convertisseurs CC/CC de Vicor, ainsi que des cartes d'évaluation et des logiciels associés pour aider les concepteurs à démarrer.

Besoins en énergie des robots

Les besoins en énergie de certains types de robots spécifiques sont déterminés par l'application :

  • Robots de récoltes agricoles : Planter, entretenir et récolter des produits (fruits, légumes, céréales) grâce au guidage automatisé des véhicules, à la reconnaissance visuelle et à de multiples capteurs environnementaux et d'analyse des sols. Ces grands véhicules robotisés sont généralement alimentés par une source CC haute tension de 400 volts (V) ou plus.
  • Robots de livraison : Livraison de proximité de divers articles chez les particuliers ou sur les campus. Bien que les charges utiles varient en taille et en poids, ces robots sont généralement alimentés par des batteries de 48 V à 100 V et présentent des exigences de fonctionnement supérieures par rapport aux robots de mouvement des stocks dans les entrepôts.
  • Robots de mouvement des stocks dans les entrepôts : Ils assurent les tâches de gestion des stocks et d'exécution des commandes dans les grands entrepôts. Cette catégorie de robots est typiquement alimentée par une source batterie de 24 V à 72 V, avec une charge partielle selon les besoins.

Architectures de puissance distribuée basées sur des composants pour la robotique

Cette section passe en revue quatre exemples d'architectures de puissance distribuée basées sur des composants pour des robots allant d'un système de 15,9 kilowatts (kW) pour les robots de récoltes agricoles avec un bloc-batterie de 760 V à un système de 1,2 kW pour les robots de mouvement des stocks dans les entrepôts utilisant un bloc-batterie de 48 V. Une caractéristique commune à trois de ces applications est un bus principal à tension relativement élevée qui distribue l'énergie dans tout le robot, suivi d'une ou de plusieurs sections d'abaissement de tension fournissant l'énergie nécessaire aux sous-systèmes. Un bus de distribution de puissance haute tension permet d'améliorer le rendement et de réduire les courants de distribution, ce qui permet d'utiliser des câbles d'alimentation plus petits, plus légers et plus économiques. La quatrième application montre la simplification qui peut aboutir à des robots plus petits utilisant des systèmes de batteries de 48 V.

Le réseau d'alimentation (PDN) pour les robots de récoltes agricoles comprend un bus d'alimentation principal de 760 V (Figure 1). Il est soutenu par une série de convertisseurs CC/CC isolés à rapport fixe (non régulés) (représentés par des modules BCM à gauche) avec une tension de sortie de 1/16 de la tension d'entrée. Ces convertisseurs sont utilisés en parallèle, ce qui permet de redimensionner le système en fonction des besoins d'une conception spécifique.

Schéma du réseau d'alimentation de Vicor pour les robots de récoltes agricoles de 15,4 kWFigure 1 : Ce réseau d'alimentation pour les robots de récoltes agricoles de 15,4 kW comprend un bus de distribution de 760 V prenant en charge un réseau de convertisseurs à plus basse tension (DCM, PRM, NBM et abaisseur). (Source de l'image : Vicor)

Plus loin dans le réseau, une série de convertisseurs abaisseurs-élévateurs à rapport fixe (NBM, en haut au milieu) et régulés (PRM, au centre) et de convertisseurs abaisseurs (en bas) alimentent des rails à plus basse tension en aval selon les besoins. Dans cette conception, le servo est commandé directement par le bus d'alimentation intermédiaire de 48 V sans conversion CC/CC supplémentaire.

Le réseau d'alimentation pour les robots de livraison aux particuliers et sur les campus montre la simplification qui peut aboutir à des systèmes moyenne puissance en utilisant une tension de bus d'alimentation principal plus basse (dans ce cas, 100 V), et en ajoutant une régulation aux convertisseurs CC/CC (DCM) isolés sur le bus de distribution de puissance principal pour produire la tension de bus intermédiaire de 48 V (Figure 2).

Schéma du réseau d'alimentation de Vicor pour les robots de livraison sur les campus et chez les particuliersFigure 2 : Le réseau d'alimentation pour les robots de livraison sur les campus et chez les particuliers inclut un entraînement direct pour le moteur et un bus intermédiaire pour alimenter les autres sous-systèmes. (Source de l'image : Vicor)

Cette approche permet d'utiliser des convertisseurs CC/CC abaisseurs et abaisseurs-élévateurs non isolés pour alimenter les différents sous-systèmes. En outre, l'utilisation d'une tension plus basse pour le bus d'alimentation principal permet au moteur d'entraînement de se connecter directement au bus principal, tandis que le servo peut se connecter directement au bus intermédiaire de 48 V. Les petits robots de livraison sur les campus et chez les particuliers peuvent intégrer une tension de bus intermédiaire de 24 V et des servos de 24 V ou 48 V, mais l'architecture globale est similaire.

Le réseau d'alimentation pour les robots d'entrepôts utilisant un bloc-batterie de 67 V met en évidence l'utilisation de convertisseurs CC/CC non isolés abaisseurs-élévateurs (PRM) sur le bus d'alimentation principal (Figure 3). Ces convertisseurs offrent des rendements de 96 % à 98 % et peuvent être mis en parallèle pour des besoins de puissance plus élevés. Cette architecture présente également un convertisseur CC/CC non isolé à rapport fixe (NBM) pour alimenter le processeur graphique, et des convertisseurs abaisseurs régulés non isolés alimentant les sections logiques.

Schéma du réseau d'alimentation de Vicor pour les robots d'entrepôtsFigure 3 : Le réseau d'alimentation pour les robots d'entrepôts combine un bus d'alimentation principal de 67 V et un bus de distribution de puissance intermédiaire de 48 V. (Source de l'image : Vicor)

Pour les petits robots utilisant une batterie de 48 V, il n'est pas nécessaire de générer une tension de bus intermédiaire, ce qui simplifie la conception (Figure 4). Les charges sont alimentées directement depuis la tension batterie par conversion directe au moyen de divers convertisseurs CC/CC non isolés. L'élimination du bus intermédiaire dans le groupe motopropulseur augmente le rendement du système et réduit le poids et le coût du système d'alimentation.

Schéma du réseau d'alimentation de Vicor pour les robots d'entrepôtsFigure 4 : Le réseau d'alimentation pour les robots d'entrepôts utilisant une batterie de 48 V élimine le recours à un bus d'alimentation intermédiaire, ce qui simplifie considérablement la conception. (Source de l'image : Vicor)

Considérations de conception pour une architecture de puissance distribuée

Comme illustré ci-dessus, les concepteurs doivent prendre de nombreuses décisions concernant les systèmes d'alimentation pour optimiser un réseau d'alimentation basé sur des composants pour la robotique. Il n'y a pas d'approche unique. En général, les grands robots bénéficient de tensions de batterie plus élevées, pouvant résulter en un meilleur rendement de distribution de puissance et en des bus de distribution de puissance plus petits et plus légers.

L'utilisation de convertisseurs CC/CC isolés par rapport à des convertisseurs non isolés est une considération importante pour optimiser le rendement global du système et minimiser les coûts. Plus le convertisseur CC/CC est proche d'une charge basse tension, plus il est probable que le choix optimal est un composant de puissance non isolé et moins coûteux, augmentant le rendement global du réseau d'alimentation. Le cas échéant, l'utilisation de convertisseurs CC/CC à rapport fixe (non régulés) moins coûteux peut également contribuer à des rendements plus élevés du réseau d'alimentation.

Vicor propose des convertisseurs CC/CC capables de répondre aux besoins des concepteurs dans une vaste gamme d'architectures de puissance distribuée basées sur des composants, y compris les quatre décrites ci-dessus. La discussion qui suit porte sur les dispositifs spécifiques pouvant être utilisés dans un système de distribution de puissance similaire à celui décrit pour les robots de livraison sur les campus et chez les particuliers, comme illustré à la Figure 2.

Convertisseurs CC/CC pour les systèmes d'alimentation des robots

Le DCM3623TA5N53B4T70 est un exemple de convertisseur CC/CC régulé et isolé DCM pouvant produire la tension de bus intermédiaire de 48 V à partir d'une batterie de 100 V (Figure 5). Ce convertisseur utilise la technologie de commutation au zéro de la tension (ZVS) pour offrir un rendement de crête de 90,7 % et une densité de puissance de 653 watts (W) par pouce cube. Il fournit une isolation de 3000 VCC entre l'entrée et la sortie.

Image du convertisseur CC/CC isolé et régulé DCM3623TA5N53B4T70 de VicorFigure 5 : Le convertisseur CC/CC isolé et régulé DCM3623TA5N53B4T70 peut produire la tension de bus intermédiaire de 48 V à partir d'une batterie de 100 V. (Source de l'image : Vicor)

Tirant parti des avantages thermiques et de densité de la technologie de boîtier ChiP (Converter-housed-in-Package) de Vicor, le module DCM offre des options de gestion thermique flexibles avec des impédances thermiques côtés supérieur et inférieur très faibles. Les composants de puissance basés ChiP permettent aux concepteurs de développer des solutions de systèmes d'alimentation rentables, avec des attributs de taille, poids et rendement jusqu'alors jamais atteints, et ce, de manière rapide et prévisible.

Pour commencer à explorer les capacités du DCM3623TA5N53B4T70, les concepteurs peuvent utiliser la carte d'évaluation DCM3623EA5N53B4T70 (Figure 6). La carte d'évaluation DCM peut être configurée pour divers schémas d'activation et de surveillance des défaillances, ainsi que pour exécuter divers modes d'ajustement en fonction des exigences applicatives.

Image de la carte d'évaluation DCM3623EA5N53B4T70 de VicorFigure 6 : La carte d'évaluation DCM3623EA5N53B4T70 permet aux concepteurs d'explorer les capacités du convertisseur CC/CC DCM3623TA5N53B4T70. (Source de l'image : Vicor)

Le DCM3623EA5N53B4T70 peut être utilisé pour évaluer les DCM soit dans une configuration autonome, soit comme un ensemble de modules. Il prend également en charge l'évaluation de diverses options d'activation, d'ajustement et de surveillance des défaillances :

Options d'activation :

  • Commutateur mécanique embarqué (par défaut)
  • Contrôle externe

Options d'ajustement :

  • Fonctionnement à ajustement fixe (par défaut) : la broche TR est autorisée à flotter au démarrage initial. Le DCM désactive l'ajustement de sortie et l'ajustement de sortie est programmé sur la valeur VOUT nominale.
  • Fonctionnement à ajustement variable, résistance variable intégrée : la tension de la broche d'ajustement est ratiométrique, avec un rhéostat fonctionnant contre une résistance d'excursion haute dans le DCM à VCC.
  • Fonctionnement à ajustement variable, contrôle hors carte : la tension de la broche d'ajustement est contrôlée par une commande de programmation externe, qui est référencée à –IN de chaque DCM spécifique dans le système.

Options de surveillance des défaillances :

  • LED embarquée : la broche FT commande une LED visible pour un retour visuel sur l'état de défaillance.
  • Photocoupleur embarqué : la broche FT commande un photocoupleur embarqué pour faire passer l'état de défaillance dans la limite d'isolement primaire-secondaire.

Le convertisseur CC/CC abaisseur-élévateur PI3740-00 de Vicor peut être utilisé pour produire une alimentation de 44 V et de 24 V pour les projecteurs LED et les caméras haute définition (HD), respectivement. Il s'agit d'un convertisseur ZVS à haut rendement et à large plage d'entrée et de sortie. Ce système en boîtier (SiP) haute densité intègre un contrôleur, des commutateurs de puissance et des composants de support (Figure 7). Il se caractérise par un rendement de crête jusqu'à 96 %, et par un bon rendement à faible charge.

Image du SiP de convertisseur CC/CC abaisseur-élévateur PI3740-00 de VicorFigure 7 : Le SiP de convertisseur CC/CC abaisseur-élévateur PI3740-00 peut être utilisé pour alimenter des projecteurs LED et des caméras HD dans le réseau d'alimentation pour les robots de campus et de livraison. (Source de l'image : Vicor)

Le PI3740-00 requiert une inductance externe, un diviseur résistif et des condensateurs minimaux pour former un régulateur abaisseur-élévateur complet. La fréquence de commutation de 1 mégahertz (MHz) permet de réduire la taille des composants de filtrage externes, d'améliorer la densité de puissance et d'offrir une réponse dynamique rapide aux transitoires de ligne et de charge.

Pour démarrer la conception avec le PI3740-00, Vicor fournit le PI3740-00-EVAL1 pour évaluer le PI3740-00 dans des applications à tension constante où la tension VOUT est supérieure à 8 V. La carte fonctionne à partir d'une tension d'entrée comprise entre 8 et 60 VCC, et prend en charge des tensions de sortie jusqu'à 50 VCC. Les fonctionnalités de cette carte d'évaluation incluent :

  • Cosses d'entrée et de sortie pour les connexions de source et de charge
  • Emplacement pour placer un condensateur électrolytique aluminium d'entrée à trou traversant
  • Filtre de source d'entrée
  • Jack de sonde d'oscilloscope pour mesures précises de la tension de sortie et d'entrée haute fréquence
  • Connecteurs de fils et points de test des broches de signaux
  • Points de test de tension Kelvin et prises pour toutes les broches PI3740
  • Détection de courant haut potentiel/bas potentiel sélectionnable par cavalier
  • Tension de flottement sélectionnable par cavalier

Enfin, le régulateur abaisseur PI3526-00-LGIZ de Vicor peut être utilisé pour fournir une alimentation de 12 V à un ordinateur et aux sous-systèmes sans fil dans le réseau d'alimentation (Figure 8). Ce convertisseur CC/CC offre un rendement atteignant 98 %, et prend en charge le démarrage progressif ajustable par l'utilisateur et le suivi qui inclut des capacités de limitation du courant rapide et lent. Ces régulateurs ZVS intègrent le contrôleur, les commutateurs de puissance et les composants de support dans une configuration SiP.

Image du régulateur abaisseur PI3526-00-LGIZ de VicorFigure 8 : Le régulateur abaisseur PI3526-00-LGIZ de Vicor peut être utilisé pour fournir l'alimentation de 12 V requise par un ordinateur et les sous-systèmes sans fil du réseau d'alimentation pour les robots de campus et de livraison. (Source de l'image : Vicor)

La carte d'évaluation PI3526-00-EVAL1 de Vicor peut être configurée pour expérimenter le régulateur abaisseur PI3526-00-LGIZ dans une configuration de détection à distance ou autonome. Des prises sont prévues pour permettre la détection et le placement rapides d'un condensateur d'entrée de masse. La carte d'évaluation fournit les cosses, les empreintes de jacks bananes de couche inférieure pour les connexions d'entrée et de sortie, les connecteurs de signaux et les points de test, et les jacks Johnson Kelvin pour des mesures précises de la tension des nœuds d'alimentation.

Conclusion

Les besoins en conversion de puissance des systèmes robotiques deviennent de plus en plus exigeants à mesure que les capacités de charge, la reconnaissance visuelle et les fonctionnalités utilisateur augmentent la complexité des robots. Les solutions de puissance existantes peuvent souffrir de limitations de performances en termes de taille, de rendement, de poids et d'évolutivité, ce qui les rend moins adaptées aux applications robotiques. Pour les applications robotiques, les concepteurs peuvent se tourner vers des architectures de puissance distribuée basées sur des composants pour alimenter des moteurs, des processeurs et d'autres systèmes.

Comme illustré, cette approche peut résulter en un système d'alimentation plus léger, permettant d'améliorer davantage les performances des robots alimentés par batterie. La flexibilité est également accrue car les composants de conversion de puissance peuvent être mis en parallèle pour s'adapter facilement à l'augmentation de la demande de puissance, ce qui permet de déployer la même architecture de puissance sur une plateforme de systèmes robotiques de différentes tailles.

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À propos de l'auteur

Jeff Shepard

Jeff Shepard écrit sur l'électronique de puissance, les composants électroniques et d'autres sujets technologiques depuis plus de 30 ans. Il a commencé à écrire sur l'électronique de puissance en tant que rédacteur en chef à EETimes. Il a ensuite créé Powertechniques, un magazine sur la conception d'électronique de puissance, puis a fondé Darnell Group, une société mondiale de recherche et d'édition en électronique de puissance. Les activités de Darnell Group incluaient la publication de PowerPulse.net, qui fournissait des actualités quotidiennes à la communauté mondiale d'ingénieurs en électronique de puissance. Il est l'auteur d'un manuel sur les alimentations à découpage, intitulé « Power Supplies », publié par la division Reston de Prentice Hall.

Jeff a également co-fondé Jeta Power Systems, un fabricant d'alimentations à découpage haute puissance, qui a été racheté par Computer Products. Jeff est également inventeur, son nom figure sur 17 brevets américains dans les domaines de la récupération d'énergie thermique et des métamatériaux optiques. Il est une source d'information pour l'industrie et donne fréquemment des conférences sur les tendances mondiales en matière d'électronique de puissance. Il est titulaire d'une maîtrise en mathématiques et méthodes quantitatives de l'Université de Californie.

À propos de l'éditeur

Rédacteurs nord-américains de Digi-Key