מדוע וכיצד להשתמש בארכיטקטורת הספקת-כוח מבוזרת מבוססת-רכיבים עבור רובוטיקה

השימוש ברובוטים מוזני-סוללות הולך וגדל ביישומים כגון אוטומציה במפעלים, חקלאות, שינוע פריטים בקמפוסים ולצרכנים וניהול מלאי מחסנים. לטובת זמן פעולה מקסימלי בין טעינות, מתכנני מערכות סוללות אלה נדרשו תמיד לדאוג לנצילות המרת ההספק, כמו גם לגודל ולמשקל.

עם זאת, דאגות אלו הפכו להיות קריטיות יותר מכיוון שהעומסים ממשיכים לגדול ומאפייני חישה ובטיחות כגון ראייה, מדידת טווח, קירבה ומיקום, בין היתר, מוסיפים מורכבות תכן ומשקל פיזי. יחד עם זאת, עיבוד האלקטרוניקה הנוסף הנדרש צורך יותר הספק.

כדי למקסם את חיי הסוללות לנוכח האתגרים הנוספים הללו, המתכננים יכולים לפנות לארכיטקטורת הספקת-כוח מבוזרת מבוססת-רכיבים בכדי לספק כוח למנועים, מעבדים ותתי-מערכות אחרות. בגישה כזו ניתן להתקין רכיב המרת הספק DC-DC ייעודי בנקודת העומס (PoL) ולבצע אופטימיזציה עבור נצילות גבוהה, גודל קטן (צפיפות הספק גבוהה) וביצועים כוללים. גישה זו יכולה להניב מערכת הספקת-כוח כוללת קלה יותר המאפשרת שיפורי ביצועים נוספים עבור מערכות רובוטיות מוזנות-סוללות. גם הגמישות משתפרת מכיוון שניתן לחבר במקביל רכיבי המרת הספק כדי למדרג בקלות ככל שדרישות הספקת-הכוח לרובוטיקה גדלות, וזה גם מאפשר לפרוש את אותה ארכיטקטורת הספקת-כוח על פני פלטפורמה של מערכות רובוטיות בגדלים שונים.

מאמר זה מתאר בקצרה את צורכי הספקת-הכוח של מספר יישומי רובוטיקה, כולל קציר חקלאי, שינוע פריטים בקמפוסים ולצרכנים ותנועת מלאי במחסנים. לאחר מכן המאמר יבחן את היתרונות של שימוש בארכיטקטורת הספקת-כוח מבוזרת מבוססת-רכיבים, ויציג פתרונות ממירי DC-DC מבית Vicor ביחד עם לוחות הערכה ותוכנות קשורות שיעזרו למתכננים בצעדיהם הראשונים.

דרישות הספקת-הכוח עבור רובוטים

דרישות הספקת-הכוח עבור סוגים ספציפיים של רובוטים נקבעים על ידי היישום:

• רובוטים לקציר חקלאי: שתילה, תחזוקה וקציר של תוצרת חקלאית (פירות, ירקות, דגנים) באמצעות הנחיית רכב אוטומטית ביחד עם זיהוי ויזואלי ומספר חיישני ניתוח סביבה וקרקע. כלי רכב רובוטיים גדולים אלה מוזנים בדרך כלל ממקור DC במתח גבוה של 400 וולט ומעלה.
• רובוטים לשינוע פריטים: שינוע של פריטים שונים בקילומטר-האחרון עבור צרכנים וקמפוסים. בעוד שעומסי המטענים משתנים בגודלם ובמשקלם, רובוטים אלה מוזנים בדרך כלל על ידי סוללות של 48 עד 100 וולט, והם דורשים זמן פעולה ארוך יותר לעומת רובוטים המשנעים מלאי בתוך מחסנים.
• רובוטים לשינוע מלאי במחסנים: מבצעים משימות של ביצוע הזמנות וניהול מלאי בתוך מחסנים גדולים. קטגוריית רובוטים זו מוזנת בדרך כלל ממקור של סוללות V‏ 24‏ עד V‏ 72‏ כשהטעינה מתבצעת על בסיס הצורך.

ארכיטקטורות הספקת-כוח מבוזרות מבוססות-רכיבים עבור רובוטיקה

פרק זה סוקר ארבע דוגמאות של ארכיטקטורות הספקת-כוח מבוזרות מבוססות-רכיבים עבור רובוטים, החל ממערכת של 15.9 קילו-וואט (kW‏) עבור רובוטים לקציר חקלאי עם מארז סוללות 760 וולט ועד למערכת של 1.2 קילו-וואט עבור רובוטים לשינוע מלאי במחסנים באמצעות מארז סוללות 48 וולט. מאפיין משותף בשלושה מיישומים אלו הוא אפיק ראשי במתח גבוה יחסית המפלג את הספקת-הכוח בכל הרובוט, ואחריו מקטע מוריד-מתח אחד או יותר המספקים את הכוח הדרוש לתתי-המערכות. אפיק פילוג הספקת-כוח במתח-גבוה מניב נצילות משופרת וזרמי פילוג הספקת-כוח נמוכים יותר המאפשרים שימוש בכבלי כוח קטנים יותר, קלים יותר ופחות יקרים. היישום הרביעי מציג את הפישוט היכול לתרום לרובוטים קטנים יותר המשתמשים במערכות סוללות של 48 וולט.

רשת הספקת-הכוח (PDN‏) עבור רובוטים לקציר חקלאי מורכבת מאפיק הספקת-כוח ראשי של 760 וולט (איור 1‏). היא נתמכת על ידי סדרה של ממירי DC-DC מבודדים (לא-מיוצבים) עם יחס קבוע (מוצגים כמודולי BCM משמאל) עם מתח יציאה שהוא 1/16 ממתח הכניסה. ממירים אלו משמשים במקביל, ומאפשרים לשנות את גודל המערכת בהתאם לצורכי התכן הספציפי.

איור 1: רשת PDN זו עבור רובוטים לקציר חקלאי של kW‏ 15.4‏ כולל אפיק פילוג של 760 וולט התומך ברשת ממירי מתח נמוך יותר (DCM, PRM, NBM, ו- Buck‏). (מקור התמונה: Vicor)

בהמשך בתוך הרשת, סדרה של ממירים עם יחס קבוע (NBM, באמצע למעלה), ממירי Buck-Boost מיוצבים (PRM, במרכז) וממירי Buck (למטה) מספקים את הכוח במורד-זרם על פסי מתח נמוך יותר בהתאם לנדרש. בתכן זה, הסרוו מווזן ישירות מאפיק הספקת-כוח הביניים של 48 וולט ללא המרת DC-DC נוספת.

רשת PDN עבור רובוטים לשינוע פריטים בקמפוס ולצרכנים מציגה את הפישוט המניב מערכות הספקת-כוח בהספק בינוני על ידי שימוש במתח אפיק הספקת-כוח ראשי נמוך יותר (במקרה זה 100 וולט), והוספת ייצוב לממירי DC-DC מבודדים (DCM) על אפיק הספקת-הכוח הראשי כדי לייצר מתח אפיק ביניים של 48 וולט (איור 2).

איור 2‏: רשת PDN עבור רובוטים לשינוע פריטים בקמפוס ולצרכנים כוללת דחיפה ישירה עבור המנוע ואפיק הביניים כדי להזין את יתר תת-המערכות. (מקור התמונה: Vicor)

גישה זו מאפשרת שימוש בממירי DC-DC‏ Buck-Boost ו- Buck לא-מבודדים להזנת תת-המערכות השונות. בנוסף, השימוש במתח נמוך יותר עבור אפיק הספקת-הכוח הראשי מאפשר לדוחף המנוע להתחבר ישירות לאפיק הראשי, בעוד שהסרוו יכול להתחבר ישירות לאפיק הביניים של 48 וולט. רובוטים קטנים יותר לשינוע פריטים בקמפוס ולצרכנים עשויים לכלול מתח אפיק ביניים של 24 וולט ומתחי סרוו של 24 או 48 וולט, אך הארכיטקטורה הכוללות היא דומה.

רשת ה- PDN עבור רובוטים של מחסנים המשתמשים במארז סוללות של 67 וולט מדגישה את השימוש בממירי DC-DC לא-מבודדים (PRM‏) Buck-Boost על אפיק הספקת-הכוח הראשי (איור 3). ממירים אלו מעניקים נצילויות של 96% עד 98% וניתן לחבר אותם במקביל עבור צורכי הספק גבוה יותר. ארכיטקטורה זו כוללת גם ממיר DC-DC לא-מבודד עם יחס קבוע (NBM) להזנת ה- GPU, וממירי Buck מיוצבים לא-מבודדים המזינים את מקטעי הלוגיקה.

איור 3‏: רשת ה- PDN‏ עבור רובוטים למחסנים משלבת אפיק הספקת-כוח ראשי של 67 וולט ואפיק פילוג הספקת-כוח ביניים של 48 וולט. (מקור התמונה: Vicor)

עבור תכני רובוטים קטנים יותר המשתמשים בסוללות 48 וולט אין צורך לייצר מתח אפיק ביניים ולכן התכן הוא פשוט יותר (איור 4). העומסים מוזנים ישירות ממתח הסוללה באמצעות המרה ישירה על ידי ממירי DC-DC לא-מבודדים שונים. ביטול אפיק הביניים במערכת הספקת-הכוח מגדיל את נצילות המערכת ומפחית את המשקל והעלות של מערכת הספקת-הכוח.

איור 4‏: רשת ה- PDN עבור רובוטים למחסנים משתמשת במארז סוללות של 48 וולט החוסך את הצורך באפיק הספקת-כוח ביניים ובכך מפשט מאד את התכן. (מקור התמונה: Vicor)

שיקולי התכנון של ארכיטקטורות הספקת-כוח מבוזרות

כפי שהוצג לעיל, המתכננים חייבים לבצע בחירות מערכת הספקת-כוח רבות כדי למטב את רשת ה- PDN מבוססת-הרכיבים עבור רובוטיקה. אין מקום לגישה של "גודל אחד המתאים לכול". באופן כללי, רובוטים גדולים יותר נהנים ממתחי סוללה גבוהים יותר היכולים להניב נצילויות גבוהות יותר של מערכת פילוג הספקת-הכוח ואפיקי פילוג קטנים יותר וקלים יותר.

השימוש בממירי DC-DC מבודדים לעומת לא-מבודדים הוא שיקול חשוב בעת מיטוב נצילות המערכת הכוללת והפחתת העלויות. ככל שממיר ה- DC-DC קרוב יותר לעומס של מתח נמוך, כך גדל הסיכוי שהבחירה האופטימלית תהיה של רכיב הספקת-כוח לא-מבודד בעלות נמוכה יותר אשר יגדיל את הנצילות הכוללת של רשת ה- PDN. כאשר זה מתאים, השימוש בממירי DC-DC (לא-מיוצבים) עם יחס קבוע ועם עלות נמוכה יותר יכול גם לתרום לנצילויות גבוהות יותר של רשת ה- PDN.

חברת Vicor מציעה ממירי DC-DC המסוגלים לתמוך בצורכי המתכננים במגוון רחב של ארכיטקטורות הספקת-כוח מבוזרות מבוססות-רכיבים, כולל הארבע המתוארות לעיל. הדיון להלן מתמקד בהתקנים ספציפיים שניתן להשתמש בהם במערכת הספקת-כוח הדומה לזו המתוארת עבור רובוטים לשינוע פריטים בקמפוס ולצרכנים, כמוצג באיור 2.

ממירי DC-DC עבור מערכות הספקת-כוח לרובוטים

ה- DCM3623TA5N53B4T70 הוא דוגמה לממיר DC-DC מבודד ומיוצב היכול לייצר את מתח אפיק הביניים של 48 וולט מסוללה של 100 וולט (איור 5). ממיר זה משתמש בטכנולוגיית מיתוג מתח אפס (ZVS) כדי לספק נצילות שיא של 90.7% וצפיפות הספק של 653 וואט לאינץ' מעוקב. הוא מעניק בידוד DC של 3,000 וולט בין הכניסה ליציאה.

איור 5‏: ממיר DC-DC מבודד ומיוצב DCM3623TA5N53B4T70 יכול לייצר את מתח אפיק הביניים של 48 וולט מסוללה של 100 וולט. (מקור התמונה: Vicor)

תוך מינוף היתרונות התרמיים והצפיפות של טכנולוגיית המארז Converter-housed-in-Package‏ (ChiP‏) מבית Vicor, מודול DCM מציע אפשרויות ניהול תרמי גמישות עם עכבות תרמיות צד עליון ותחתון נמוכות ביותר. רכיבי הספקת-הכוח מבוססי-ChiP מאפשרים למתכננים להשיג במהירות ובהתאם לצפוי פתרונות מערכת הספקת-כוח עם יחס עלות-תועלת מיטבי ועם מאפייני גודל, משקל ונצילות שלא היו ברי-השגה קודם לכן.

כדי להתחיל לבחון את היכולות של ה- DCM3623TA5N53B4T70, המתכננים יכולים להשתמש בלוח ההערכה DCM3623EA5N53B4T70 (איור 6). ניתן להגדיר את תצורת לוח ההערכה של ה- DCM עבור תוכניות אפשור וניטור תקלות שונות, כמו גם לנסות אופנים שונים של Trimming‏ בהתאם לדרישות היישום.

איור 6: לוח ההערכה DCM3623EA5N53B4T70 מאפשר למתכננים לבחון את היכולות של ממיר DCM3623TA5N53B4T70 DC-DC. (מקור התמונה: Vicor)

ניתן להשתמש ב- DCM3623EA5N53B4T70 להערכת מודולי DCM בתצורה עצמאית או כמערך של מודולים. הוא גם תומך בהערכה של אפשרויות אפשור, קיזוז וניטור תקלות שונות:

אפשרויות אפשור:

• מתג מכני על-הלוח (ברירת-המחדל)
• בקרה חיצונית

אפשרויות שינוי מתח היציאה (Trimming‏):

• פעולה עם שינוי מתח יציאה קבוע (ברירת-המחדל): לפין TR מתאפשר להיות במצב צף בהפעלה הראשונית.ה- DCM משבית את שינוי מתח היציאה והוא מתוכנת ל- VOUT בדירוג הנומינלי.
• פעולת שינוי מתח יציאה משתנה, נגד משתנה על-הלוח: מתח פין TR הוא רציומטרי, עם ראוסטט הפועל כנגד נגד מושך-מעלה (Pull-Up‏) בתוך ה- DCM ל- VCC.
• פעולת שינוי מתח יציאה משתנה, בקרה מחוץ-ללוח: מתח פין TR מבוקר באמצעות בקרת תכנות חיצונית, המיוחסת ל- IN- של כל מודול DCM ספציפי בתוך המערכת.

אפשרויות ניטור תקלות:

• נורית LED על-הלוח: פין FT מפעיל נורית LED נראית עבור משוב ויזואלי על סטטוס תקלה.
• מצמד אופטי על-הלוח: פין FT מפעיל מבדד אופטי על-הלוח כדי להעביר סטטוס תקלה מעל גבול בידוד ראשוני-שניוני.

ממיר DC-DC‏ Buck-Boost‏ PI3740-00‏ מבית Vicor יכול לשמש ליצירת הספקת-כוח של 44 וולט ו- 24 וולט עבור פנסי-זרקור ומצלמות הפרדה-גבוהה (HD), בהתאמה. זהו ממיר ZVS עם תחום רחב של כניסה ויציאה ועם נצילות גבוהה. המערכת-בתוך-מארז (SiP‏) בצפיפות גבוהה משלבת בקר, מתגי הספק ורכיבי תמיכה (איור 7‏). יש לו נצילות שיא של עד 96% כמו גם נצילות טובה בעומס-קל.

איור 7‏: SiP‏ ממיר DC-DC‏ Buck-Boost‏ PI3740-00 יכול לשמש להזנת פנסי-זרקור LED‏ ומצלמות HD ברשת PDN‏ עבור רובוטים לשינוע פריטים בקמפוס. (מקור התמונה: Vicor)

ה- PI3740-00 דורש משרן חיצוני, מחלק נגדים ומינימום של קבלים ליצירת מייצב Buck-Boost‏ שלם. הפעולה בתדר מיתוג של 1 מגה-הרץ (MHz‏) מקטינה את גודל רכיבי הסינון החיצוניים, משפרת את צפיפות ההספק ומאפשרת תגובה דינמית מהירה לטרנזיינטי קו ועומס.

כדי להתחיל בתכנון עם ה- PI3740-00, חברת Vicor מספקת את ה- PI3740-00-EVAL1 כדי להעריך את ה- PI3740-00‏ ביישומי מתח קבוע כאשר _OUT‏V הוא מעל 8 וולט. הלוח פועל ממתח כניסה בין 8 ל- 60 וולט DC ותומך במתח יציאה של עד 50 וולט DC. המאפיינים של לוח הערכה זה כוללים:

• נעלי כבל לכניסה ויציאה עבור חיבורי מקור ועומס
• מקום עבור קבל אלקטרוליט אלומיניום חור-עובר בכניסה
• מסנן מקור כניסה
• שקע בחון אוסצילוסקופ עבור מדידות תדר-גבוה מדויקות של מתחי היציאה והכניסה
• נקודות בדיקת פיני אותות ומחברי חוט
• נקודות בדיקת מתח Kelvin‏ ושקעים עבור כל פיני PI3740
• חישת זרם צד-גבוה/צד-נמוך ניתן-לבחירה על ידי מגשר
• מתח ציפה ניתן-לבחירה על ידי מגשר

לבסוף, ניתן להשתמש במייצב Buck‏ PI3526-00-LGIZ‏ מבית Vicor יכולים לשמש להספקת-כוח 12 וולט עבור המחשב ותת-מערכות האלחוט ברשת PDN (איור 8). ממיר DC-DC זה מעניק נצילות של עד 98% ותמיכה באתחול רך ועקיבה ניתנים לכוונון על ידי המשתמש הכוללים יכולות הגבלת זרם מהירה ואיטית. מייצבי ZVS אלו משלבים את הבקר, מתגי ההפעלה ורכיבי התמיכה בתצורת SiP.

איור 8‏: ניתן להשתמש במייצב Buck‏ PI3526-00-LGIZ‏ מבית Vicor יכולים לשמש להספקת-כוח 12 וולט עבור המחשב ותת-מערכות האלחוט ברשת PDN עבור רובוטים לשינוע פריטים בקמפוסים. (מקור התמונה: Vicor)

את תצורת לוח ההערכה PI3526-00-EVAL1 מבית Vicor ניתן להגדיר עבור התנסות עם מייצב Buck‏ PI3526-00-LGIZ בתצורה עצמאית או בחישה מרחוק. שקעים מסופקים כדי לאפשר בחינה ומיקום מהירים של קבל כניסה סטנדרטי (Bulk). לוח ההערכה מספק נעלי כבל וחתימות שטח של שקע בננה בשכבה התחתונה עבור חיבורי כניסה ויציאה, מחברי אותות ונקודות בדיקה, וכן שקעי Kelvin Johnson עבור מדידות מדויקות של מתח צומת הספקת-הכוח.

סיכום

צורכי המרת ההספק עבור מערכות רובוטיקה הופכים ליותר מאתגרים ככל שיכולות העומס, הזיהוי הוויזואלי ופונקציונליות המשתמשים מגדילות את מורכבות הרובוטים. פיתרונות הספקת-כוח קיימים עלולים לסבול ממגבלות ביצועים מבחינת הגודל, נצילות, משקל ומדרגיות ההופכות אותן לפחות מתאימים עבור יישומי רובוטיקה. עבור יישומי רובוטיקה, המתכננים יכולים לפנות לארכיטקטורות הספקת-כוח מבוזרות מבוססות-רכיבים כדי לספק כוח למנועים, מעבדים ותתי-מערכות אחרות.

כפי שהוצג, גישה זו יכולה להניב מערכת הספקת-כוח כוללת קלה יותר המאפשרת שיפורי ביצועים נוספים עבור מערכות רובוטיקה מוזנות-סוללות. גם הגמישות משתפרת מכיוון שניתן לחבר במקביל רכיבי המרת הספק כדי למדרג בקלות ככל שדרישות ההספק גדלות, וניתן ליישם את אותה ארכיטקטורת הספקת-כוח על פני פלטפורמה של מערכות רובוטיקה בגדלים שונים.

המלצות לקריאה

1. הקטנת הסיכון ברובוטים: כיצד לתכנן סביבה תעשייתית בטוחה
2. השימוש ברובוטים תעשייתיים קומפקטיים כדי להפוך כל מחלקת ייצור לפרודוקטיבית יותר