工业机器人是第四次工业革命的重要组成部分,随着这些设备与系统和远程传感器的连接,它们构成了物联网(IoT)的重要部分-工业物联网(IIoT)。
根据国际机器人联合会(IFR)的数据,2018年部署了近250万台工业机器人,并且这个数字每年以40万台的速度增长。工业,汽车和电气/电子行业占总部署的一半以上,其中金属和机械,塑料,化工和食品饮料也是重要的用户。所有工业机器人中约有75%部署在中国,日本,美国,韩国和德国。
机器人的迅速普及不仅限于工业领域,到2018年已部署了25万台“专业服务”机器人。这比上一年惊人地增长了60%以上。五分之二的已部署服务机器人被归类为主要用于物流和制造的自动驾驶车辆(AGV)。个人和家用机器人市场的增长速度相似(约60%),目前包括大约1,630万台机器人,用于吸尘,教育和研究等各种任务。
48V和机器人
48V已在许多应用中变得流行,至少部分原因是因为它是常用的最高安全电压。与电源供电的设备相比,这可使设计人员减少系统保护,并减小导体的尺寸(与12V供电产品相比),从而降低了重量,成本和功耗。直接由48V供电的电机通常也较小,在机器人应用中,这允许更小更轻的连接,从而提高了机器效率,灵巧性和可靠性,同时减轻了重量和成本。反过来,这为机器人使用开辟了更多的潜在机会,以改善所有行业中流程的自动化。
48V在许多现代应用中非常流行,包括汽车,在许多车载设备中,其迅速超过12V,而云计算则将48V配电用于服务器背板,散热风扇和其他与电信相关的应用。这种普遍性意味着48V电源的设备和子系统是普遍可用的,这为设计人员增加了选择范围,并通过规模经济降低了成本。
图1:典型机器人的高级框图(包括电源系统)
机器人是相当复杂的系统,根据应用和功能的不同,机器人将包括许多功能元素,包括连接性,图像感测,位置感测和电机控制。还有许多不同的电源子系统,包括AC / DC转换,电池管理,DC / DC转换,多相转换器,负载点(PoL)转换,线性调节和电动机驱动器。这些领域中的每一个都需要一种有效的解决方案,以使机器人能够按照设计者的预期进行操作。
如果我们要研究汽车或云计算系统的相似功能框图,我们会发现与机器人框图有很多相似之处。这为从其他应用到机器人的交叉电源解决方案带来了机遇。例如,eFuse在云计算中被广泛使用,以允许热交换存储介质和冷却设备(例如风扇)。但是,在机器人应用中,相同的eFuse可以用于引入模块化,从而允许功能块(例如工具件)由机器人本身进行交换,即使在操作过程中,也取决于手头的任务。
为48V机器人应用提供电源解决方案
许多现代机器人应用都使用48V总线在系统周围传输电源。与典型的12V总线相比,它提供了损耗的1/16,或者允许使用更细更轻的电缆。在固定机器人安装中,48V将由市电供电的电源产生,该电源将包含功率因数校正(PFC)前端。诸如无人机,护理助手等移动机器人将配备车载电池,该电池可通过电源适配器定期补充。
很少有半导体能够直接在48V电压下工作,通常需要5V的电压才能降至亚伏特水平。非隔离式PoL转换器在将较高的电压转换为IC所需的电平方面起着重要作用。在某些情况下,将通过使用中间总线转换器(IBC)来创建中间总线电压(通常为12V),该转换器通过PoL转换器对12V转换为IC的电源电压进行松散调节。越来越多地倾向于单级转换,现在可以使用许多PoL转换器直接将48V电源轨转换为IC电源电压。
与每种电源解决方案一样,要求机器人应用程序的电源架构高效,可靠,并提供高水平的功率密度,以便使机器人小巧,灵巧,足以很好地执行其功能。实现这一目标的关键是选择合适的半导体以在机器人内形成各种功率功能。
机器人电源应用的半导体解决方案
安森美半导体就是一家公司的例子,该公司应用了专业知识,并投资提供了广泛的设备和电源产品,使设计人员能够为机器人应用设计高性能电源解决方案。
几乎所有电源解决方案中使用的最常见的器件之一是MOSFET。安森美半导体的广泛产品范围包括具有多种版本的“超级结” MOSFET,可用于不同的开关类型和应用。 FAST器件在硬开关拓扑结构中提供了高效率,而简易驱动器则适用于硬开关和软开关应用,它们可确保低EMI和降低电压尖峰。
作为MOSFET产品的补充,广泛的高压栅极驱动器允许微控制器或其他逻辑电路直接控制MOSFET。根据电路配置,可以使用简单的非隔离驱动器(例如安森美半导体的NCD570x系列),或者可能需要更复杂的隔离解决方案或高端和低端驱动器。
高度集成的解决方案,例如智能电源模块(IPM)和汽车电源模块(APM),带来了许多好处。通常,它们将集成多个用于多相电机驱动的MOSFET以及必要的驱动器设备。与分立解决方案相比,由于所有器件都安装在同一基板上,因此这些模块具有更好的热性能。它们还能够处理更高的电流水平,同时改善EMI,并提供比分立式解决方案更小更轻的解决方案。
除了这些解决方案,安森美半导体还为机器人电源应用提供了完整的产品组合,包括eFuse,PFC IC,整流器,电流传感器以及用于提供辅助电源轨的开关设备。业界最低功耗的蓝牙模块可用于通讯,并提供各种图像传感器以实现高级机器视觉。
本文编译自powerelectronicsnews。