Эндрю Моэн (Andrew Maughan), директор по развитию бизнеса в странах Европы, Ближнего Востока и Африки, Vicor Corporation

Понижающе-повышающий стабилизатор PRM от Vicor обеспечивает высокоэффективное преобразование электропитания мобильной робототехнике и ее станциям беспроводной зарядки в широком диапазоне уровней мощности. ПДФ версия

Постановка задачи

Рис. 1. Станция беспроводной зарядки Wibotic готова к подзарядке дронов, возвращающихся на платформу при низком уровне заряда. Для складских роботов и подводной робототехники предназначены разные платформы. Запатентованная Wibotic технология адаптивного сопряжения

 

Распространение дронов, роботов и беспилотных транспортных средств в коммерческом, промышленном и военно-оборонном сегментах рынка позволяет значительно повысить производительность и эффективность. Парки робототехники определяют будущее автоматизации и производства. В первую очередь, они востребованы на складах, в энергетике, на предприятиях общественного пользования и в строительстве.

По мере того как логистика, услуги доставки и контроль становятся все более зависимыми от парка мобильных роботов, возникает потребность в более эффективных и гибких решениях для зарядки. Круглосуточная ротация персонала больше не позволяет управлять этими автопарками и перезаряжать робототехнические средства вручную. Следующим шагом на пути к автономности является поддержание нормальной работы без вмешательства человека.

Трудности на пути достижения этой цели весьма разнообразны. Организация электропитания станций беспроводной зарядки – непростая задача. Молодая начинающая компания WiBotic в сотрудничестве с Vicor Corporation разработала гибкое и надежное решение для подачи электропитания. В первую очередь, потребовалось, чтобы массогабаритные показатели изделия были ограничены с учетом заданной эффективности системы. Кроме того, оно должно было функционировать во всем широком диапазоне мощности нагрузки (0–300 Вт) при высокой эффективности. Понижающе-повышающий PRM-стабилизатор Vicor с переключением при нулевом напряжении (ZVS) позволил WiBotic разработать элегантное решение, отвечающее всем заданным требованиям.

Итак, для разработки беспроводных зарядных станций инженерам WiBotic пришлось решить следующий ряд задач:

1) широкая совместимость передатчиков;

2) ограничения по размеру и весу;

3) широкий диапазон входного напряжения.

 

Следующее поколение автономности робототехники

Компания WiBotic предлагает решения для беспроводной зарядки и оптимизации энергопотребления, которые являются неотъемлемой частью быстрорастущей экосистемы воздушных, мобильных, морских и промышленных роботов. В каждой системе применяется запатентованная технология адаптивного сопряжения, которая улучшает традиционные методы магнитного резонанса и индуктивной передачи мощности, обеспечивая те значения мощности и дальности действия антенны, которые необходимы дронам и роботам. Решения WiBotic по оптимизации энергопотребления улучшают базовую технологию беспроводного электропитания за счет тщательного мониторинга батареи и передачи информации о настраиваемых параметрах зарядки с помощью API-интерфейса и программного обеспечения WiBotic. Совместно с оборудованием для беспроводной зарядки эти программные функции оптимизируют время безотказной работы всего парка роботов.

Ряд решений позволяет заряжать роботы и беспилотный автотранспорт с помощью станций беспроводной зарядки, избавляя оператора от необходимости физически подключать роботов к зарядным устройствам. Кроме того, технология беспроводной зарядки снижает износ в точках физического подключения, опасность получения травмы из-за спотыкания о кабели питания и напольные зарядные станции, а также уменьшает потребность в использовании специальных помещений для зарядки.

Благодаря инновационной технологии WiBotic станции беспроводной зарядки можно распределить в любой рабочей среде, позволяя робототехнике заряжаться по мере необходимости, чтобы максимально повысить эффективность рабочего процесса. Роботам больше не придется периодически покидать рабочую зону, чтобы подключиться или зарядиться на контактных зарядных станциях.

Необходимость в централизованных зарядных станциях отпадает, если для электрификации всего оборудования используется беспроводная передача энергии, что позволяет меньшему количеству роботов выполнять больший объем работы. Решение беспроводной зарядки от WiBotic значительно повышает эффективность функционирования техники клиентов, существенно снижает затраты на зарядку и обслуживание.

Рис. 2. Полностью автономный мобильный робот движется к передатчику беспроводной зарядки WiBotic. Складской бот запрограммирован на выбор правильного положения относительно зарядного устройства WiBotic. Передатчик–приемник энергии WiBotic регулирует режим передачи в соответствии с аккумуляторной технологией бота, подключенного к зарядной станции

Проблемы проектирования

Решения WiBotic для беспроводной зарядки облегчают зарядку нескольких роботов (в т.ч. разных производителей) от одного и того же передатчика в разное время. С другой стороны, необходимо было предусмотреть случаи перемещения целой группы роботов между сетью передатчиков, находящихся на складе в разных местах и предоставить возможность зарядки всех роботов от любой станции, даже если у них разный химический состав батарей, напряжение и зарядный ток. Решения WiBotic состоят из передатчиков, бортовых зарядных устройств и антенн; в стандартных системах используются легкие корпуса, которые легко устанавливаются на большинство дронов и роботов.

Размер, вес и мощность всегда были и остаются критически важными параметрами для беспроводных зарядных станций, бортовых зарядных устройств (ЗУ) дронов и роботов. Уменьшение размера и веса бортового зарядного устройства привело к увеличению продолжительности рабочих циклов, в частности, в случае ЗУ дронов. Повышение плотности базовой архитектуры подачи электропитания в конечном итоге помогло клиентам уменьшить пространство, занимаемое станциями беспроводной зарядки.

Плотность мощности была лишь одной из проблем, с которой пришлось столкнуться команде разработчиков при проектировании станций беспроводной зарядки. Широкий набор предлагающихся на рынке аккумуляторов с разным химическим составом, входным напряжением и током также потребовал решить ряд задач. К другим факторам, учтенным при проектировании станций беспроводной зарядки, относятся разные рабочие нагрузки, почасовые смены для парка роботов и разные требования к режиму зарядки.

Режим зарядки варьировался от высокоскоростной «полной зарядки» до более медленного режима «дозированный подзаряд» в нерабочее время и дополнительного режима «дозаправки», требующего постоянного напряжения для обеспечения 100-% заряда. Современное ПО WiBotic автономно управляет всеми функциями зарядки, гарантируя поддержание требуемого тока зарядки независимо от положения док-станции робота или незначительных движений при зарядке.

Эти режимы зарядки требуют тщательного контроля для оптимизации времени безотказной работы и во избежание деградации батареи, вызванной повторяющимися быстрыми зарядами. Изменчивость циклов зарядки и уровней мощности, начиная с 300 Вт (полная зарядка) до 100 мВт (непрерывный подзаряд), также требует, чтобы базовая архитектура подачи электропитания была эффективно согласована с широким диапазоном импедансов.

Таким образом, команде разработчиков WiBotic необходимо было создать такое компактное решение по преобразованию электропитания, которое позволило бы имеющимся станциям беспроводной зарядки поддерживать очень высокую эффективность при минимальных тепловых потерях независимо от режима зарядки. Компания WiBotic выполнила эти строгие требования к беспроводным зарядным станциям TR-110 с низким энергопотреблением, предназначенным для небольших роботов и дронов, с помощью высокоэффективного понижающе-повышающего стабилизатора PRM высокой плотности от Vicor.

 

Модульное решение Vicor

 

Рис. 3. Беспроводная зарядная станция Wibotic TR-110 оснащена двумя вентиляторами, отводящими тепло от встроенного ВЧ-усилителя. PRM-стабилизатор Vicor для поверхностного монтажа (не виден) находится вне воздушного потока вентиляторов

 

Рис. 4. В системе беспроводной зарядки WiBotic передающее устройство генерирует ВЧ-сигнал мощности с помощью источника переменного тока. Сигнал проходит через коаксиальный кабель SMA к катушке индуктивности передающей антенны, которая испускает электрическое и магнитное поля. Катушку индуктивности можно установить ​​в любом положении

Cable – Кабель

Power – Питание

Transmitter – Передатчик

Transmit coil – Катушка индуктивности (передатчик)

Receive coil – Катушка индуктивности (приемник)

Onboard charger – Встроенное ЗУ

Data – Данные

 

48-В понижающе-повышающий стабилизатор PRM от Vicor интегрирован в бортовой РЧ-передатчик беспроводной зарядной станции TR-110 WiBotic, который по беспроводной связи подает электропитание встроенному РЧ-приемнику робота или дрона. На PRM-стабилизатор поступают 48 В от AC/DC источника питания, а выходное напряжение динамически контролируется и при необходимости точно регулируется в диапазоне 20–55 В.

PRM-стабилизатор от Vicor обеспечивает непрерывное и высокоэффективное преобразование во всем диапазоне импедансов, гибко поддерживая режимы полной и непрерывной зарядки; при этом значительного падения мощности при меньших уровнях не происходит, чем не могут похвастаться силовые компоненты конкурентов. При таком высокоэффективном преобразовании постоянная максимальная температура устройства составляет 40–45°C, что позволяет нейтрализовать ограничения теплового режима во всем диапазоне мощности.

Беспроводная зарядная станция TR-110 использует схему активного охлаждения для рассеивания тепла от бортового РЧ-усилителя, но PRM-стабилизатор Vicor для поверхностного монтажа находится вне этого воздушного потока и не требует теплового регулирования в случае отказа вентилятора. PRM-стабилизатор не нагревается при любых условиях нагрузки.

PRM-модуль Vicor также позволил разработчикам WiBotic преодолеть значительные проблемы с электромагнитными помехами/шумом радиочастотных/беспроводных систем питания, обеспечив чистый выходной сигнал во всем диапазоне зарядки; при этом он удовлетворяет требованиям к кондуктивным помехам и электромагнитной совместимости без использования дополнительных фильтров. В результате сложность проектирования и затраты были минимизированы, а общая эффективность осталась на прежнем уровне; при этом было сэкономлено ценное пространство на плате для установки дополнительных компонентов.

PRM-стабилизатор для поверхностного монтажа размером 32,5×22,0×6,31 мм позволяет значительно сократить занимаемое место в системе TR-110, обеспечивая ее компактность. Входное напряжение стабилизатора PRM составляет 36,0–75,0 В DC, а регулируемое выходное – 20,0–55,0 В DC. Его понижающе-повышающая топология с переключением при нулевом напряжении обеспечивает работу с большой коммутационной частотой (около 1 МГц) при высокой эффективности преобразования.

Большая частота коммутации позволяет уменьшить размер реактивных компонентов; при этом удельная мощность достигает 84,38 Вт/см³. Корпус PRM-стабилизатора совместим со стандартными процессами сборки и монтажа на поверхность, имеет плоский тепловой интерфейс, обеспечивающий превосходную теплопроводность.

 

Инновационная зарядка современной робототехники

Благодаря стабилизатору PRM компании Vicor, составляющему основу беспроводных зарядных станций TR-110, решения WiBotic осуществляют высокоэффективное преобразование мощности и обладают стабильными тепловыми характеристиками при любых условиях зарядки. Не имеющие ограничений по мощности решения WiBotic для динамической зарядки дронов и роботов новейшего поколения обеспечивают высокий уровень автономности, поскольку не нуждаются в специальных процедурах зарядки с ручным управлением.

V264

Andrew Maughan, Director of Business Development Mass Market for EMEA at Vicor Corporation

Andrew Maughan has over 33 years’ experience in technology design, commerce and leadership. As Director of Business Development Mass Market for EMEA, Andrew is responsible for working with both assigned customers and Vicor’s channel partners to develop the business by understanding repeatable market trends and individual customers technology aspirations thereby providing creative and innovative solutions.

Prior to joining Vicor in April 2020, Andrew held commercial roles for almost 19 years at analogue semiconductor manufacturer ‘Maxim Integrated Products’, and similar roles at technology distributor ‘Sequoia Technology’. As a design engineer/project manager Andrew supported and led several teams of multidisciplinary engineers in the development of numerous domestic high volume electronic electricity meters. He graduated in 1989 having been awarded a degree in Physics and Electronics.

LinkedIn: https://www.linkedin.com/in/andrew-maughan-036281102/