تتيح محولات الطاقة الابتكار في تطبيقات الروبوتات

اكتسبت محولات الطاقة دورًا متزايد الأهمية في كل تطبيق إلكتروني ولا تختلف الروبوتات عن ذلك. اليوم ، تدمج معظم الأجهزة الإلكترونية المكونات التي لها متطلبات طاقة مختلفة ، سواء من حيث الجهد أو المستوى الحالي. يتطلب ذلك إدخال مراحل تحويل الطاقة القادرة على تقديم جهد إخراج متعدد بمستويات طاقة مختلفة.

في الماضي ، كانت مراحل محول الطاقة تُبنى أساسًا باستخدام حلول مخصصة تعتمد على مكونات منفصلة. ومع ذلك ، يفضل المصممون اليوم اعتماد حلول متكاملة تؤدي ، باستخدام IC واحد ، جميع المهام التي يتطلبها محول الطاقة. يوفر الحل المتكامل موثوقية أعلى وإدارة حرارية أفضل وحجمًا ووزنًا أصغر من الحل المعتمد على أجهزة منفصلة.

كثافة الطاقة تقود تطبيقات الروبوت المحمول

الروبوتات هي مثال حيث تثبت محولات الطاقة كثيفة الطاقة أنها مكون لا غنى عنه. تشتمل الروبوتات على مكونات إلكترونية متعددة بمتطلبات إمداد طاقة مختلفة. وتشمل هذه المحركات (كل من BLDC وأنواع السائر) ، ومحركات مؤازرة ، ووحدات معالجة (ميكروكنترولر أو معالجات دقيقة) ، وأجهزة استشعار من أنواع مختلفة (مقاييس التسارع ، والجيروسكوبات ، والضغط ، ودرجة الحرارة ، ومستشعرات الرطوبة والمزيد) ، وواجهات لاسلكية للتحكم عن بعد والمراقبة (Bluetooth ، WiFi ، وما إلى ذلك) ، بالإضافة إلى أجهزة الاستشعار والمحركات الأخرى حسب التطبيق المحدد. يمكن أن تكون شبكات توصيل الطاقة هذه معقدة للغاية.

تتطلب المكونات القابلة للبرمجة عالية التكامل ، مثل أحدث المعالجات الدقيقة ، جهد إمداد منخفض للغاية ، بينما تعمل أجهزة الاستشعار والأجهزة الطرفية للاتصالات بجهد أعلى. تزداد متطلبات الطاقة أكثر عندما يتعلق الأمر بتشغيل المحركات الكهربائية. لذلك ليس من الصعب العثور على تطبيقات الروبوتات التي تتطلب 4 أو 5 أو أكثر من قضبان الطاقة المختلفة.

في حالة الروبوتات الصغيرة التي تعمل بالبطاريات ، فإن محولات الطاقة القادرة على توفير ليس فقط مصادر طاقة متعددة ، ولكن أيضًا الكفاءة العالية وفقدان الطاقة المنخفض مطلوبة لتمديد استقلالية البطارية قدر الإمكان.

OLogic هو حافز لثورة الروبوتات

الابتكارات في مجال الروبوتات تتبع بعضها البعض بوتيرة سريعة. تتم معايرة هذه الوتيرة من خلال التقدم المحرز في قطاع الإلكترونيات وتوافر مكتبات برمجيات مفتوحة المصدر قادرة على تنفيذ الخوارزميات المعقدة بكفاءة ، مثل SLAM (الموقع المتزامن ورسم الخرائط).

من بين الشركات التي ساهمت بشكل أكبر في تصميم الروبوتات وإدخالها إلى السوق للتطبيقات الصناعية والسكنية والتجارية ، يجب أن نذكر OLogic. يقع المقر الرئيسي لشركة OLogic في سانتا كلارا ، كاليفورنيا ، وهي شركة استشارية للإلكترونيات تتمتع بأكثر من 18 عامًا من الخبرة في مساعدة عملائها في تقديم تصاميم الروبوتات إلى السوق. تتيح لهم خبرتهم الواسعة في مجال الروبوتات تقديم الدعم في مجالات الهندسة الكهربائية والميكانيكية والصناعية ، فضلاً عن هندسة البرمجيات والبرامج الثابتة.

قال تيد لارسون ، الرئيس التنفيذي لشركة OLogic: “نصنع نماذج أولية لعملائنا”. “لدينا فريق كامل من الأشخاص الذين يمكنهم إدارة جميع جوانب تصميم الروبوت.” يتضمن ذلك معرفة تكامل إلكترونيات الطاقة ، وهو عامل تصميم رئيسي يؤثر على التنقل والوظائف وعمر بطارية الروبوتات المتنقلة.

وفقًا لارسون ، غالبًا ما تعتبر صناعة الروبوتات الإلكترونيات نوعًا من التفكير المتأخر. هناك أشخاص يعتقدون أن بإمكانهم شراء جميع الأجهزة الجاهزة ثم توصيلها معًا. ومع ذلك ، قد يتحول ذلك إلى منزل من الورق بسرعة كبيرة.

الروبوتات المتنقلة لها متطلبات طاقة خاصة وتتطلب مجموعة من مستويات الطاقة. هناك حاجة إلى كميات مختلفة من الطاقة وكثافة الطاقة بواسطة أجهزة الاستشعار والمحركات المؤازرة والمشغلات وخوادم البيانات وأنظمة الاتصالات والمكونات الأخرى التي تقوم بتشغيل الروبوت. بعض هذه المكونات تستهلك الكثير من الطاقة ، في حين أن البعض الآخر قد يعمل فقط بشكل دوري. هذا يستلزم القدرة على توصيل الطاقة من مصدر يعمل بالبطارية بسرعة ونظافة وبسعر معقول.

Dusty Robotics (Dusty) هي أحد العملاء الذين يتعاونون بشكل وثيق مع OLogic لتحسين ملف الطاقة لروبوتاتها. مقرها في ماونتن فيو ، كاليفورنيا ، تقوم Dusty بإنشاء أدوات تعمل بالروبوت لقطاع البناء الحديث.

Dusty FieldPrinter (الشكل 1) ، أداة آلية يمكنها نقل رسومات المبنى مباشرة على أرضيات موقع العمل ، مما يساعد على تقليل وقت الجدول الزمني وتكاليف إعادة العمل من خلال تخطيط أرضي دقيق وشامل.

Phil Herget ، المؤسس / CTO في Dusty Robotics ، “عند تصميم مبنى في نموذج CAD ، يكون كل شيء بتنسيق رقمي. اليوم ، العملية الحالية هي أن يأخذ الناس هذا النموذج الرقمي ، ويطبعونه على الورق ، ثم يخرجونه إلى موقع البناء ، حيث يقوم شخص ما بترجمة كل ذلك يدويًا على الأرض “.

قام Dusty ببناء أداة ، روبوت ، يمكنه أخذ تلك الرسومات وطباعتها على الأرض بدقة شديدة ، وتحويل العملية اليدوية إلى عملية رقمية.

هذا المنتج دقيق للغاية ، حيث يحقق دقة تبلغ 1/16 بوصة أو أصغر ، بما يتوافق مع 1.5 مم أو أقل. وفقًا لـ Dusty ، فإن تلبية هذا النوع من الدقة يمثل تحديًا كبيرًا ويتطلب قدرًا كبيرًا من اندماج المستشعر على الروبوت. أيضًا ، يحصل النظام على البيانات من أجهزة الاستشعار الخارجية والداخلية. يتم بعد ذلك دمج كل هذه المعلومات معًا لتوفير دقة عالية جدًا في التوطين ، بحيث يعرف الروبوت مكانه والطريقة التي يواجهها في أي وقت.

تمثل إدارة الطاقة تحديًا تقنيًا كبيرًا مع هذا الروبوت. نظرًا لأنه نظام يعمل بالبطارية ، فإنه يحتاج إلى توفير أكبر قدر ممكن من عمر البطارية. وفقًا لـ Dusty ، هناك العديد من مجالات الطاقة المختلفة داخل الروبوت ، مع العديد من الفولتية المختلفة التي يجب تحويلها بكفاءة من جهد البطارية. بالإضافة إلى المستشعرات ، هناك أيضًا آلية الطباعة الكاملة التي تحتاج إلى التشغيل للجهود المطلوبة. أخيرًا ، نظرًا لأن الروبوت يجب أن يعمل في مواقع العمل ، يجب أن يكون قادرًا على التكيف مع العديد من الظروف الجوية المختلفة ميكانيكيًا وإلكترونيًا.

محولات الطاقة فيكور

اختار OLogic محولات الطاقة Vicor لهذا الروبوت المحمول ، وبشكل أكثر دقة سلسلة منظم Vicor ZVS Buck و Buck / Boost.

كشريك في Vicor Corporation ، اتبعت OLogic نهجًا معياريًا لبناء شبكات توصيل الطاقة (PDNs) للروبوتات. أدرك OLogic أنهم لا يستطيعون إنشاء شيء بنفس الكفاءة التشغيلية والحرارية وكفاءة النطاق مثل وحدة الطاقة Vicor. تتمتع وحدات Vicor ، مثل ZVS Buck Regulator ، بتصنيف كفاءة بنسبة 97٪ وتوفر 200 إلى 300 واط من الطاقة ، مما يجعلها فعالة للغاية من حيث التكلفة.

وفقًا لـ OLogic ، يجب أن تكون محولات الطاقة المطلوبة قادرة على التعبئة والتعزيز اعتمادًا على حالة شحن البطارية ، حتى تتمكن من توفير طاقة ثابتة على قضبان الطاقة المحددة ، بغض النظر عن حالة الشحن ، ولا بغض النظر عما تفعله قضبان الجهد الأخرى في الجهاز.

توفر منظمات التحويل ZVS Buck و Buck / Boost من Vicor (الشكل 2) للمصممين كثافة طاقة عالية ومرونة لتنظيم DC-DC عالي الكفاءة في نقطة التحميل. من خلال دمج طوبولوجيا تحويل الجهد الصفري عالي الأداء (ZVS) ، فإنها تزيد من أداء نقطة التحميل وتوفر كفاءة في استهلاك الطاقة تصل إلى 98٪.
قال لارسن: “أصبحت نقود Vicor ZVS هي طريقتنا المفضلة لحل جميع أنواع مشاكل توزيع الطاقة بسبب السعر ولأنها تعمل فقط”. تصميم الروبوت هو أمر معقد للغاية. وقد تكون الطاقة صعبة للغاية ، لذا فإننا نستخدم وحدات طاقة موثوقة Vicor لجميع تصميماتنا تقريبًا “.

علاوة على ذلك ، وفقًا لـ OLogic ، لا تعرض محولات الطاقة ZVS أي مشاكل حرارية. نظرًا لكفاءة تحويل الطاقة العالية ، فإنهم يطورون تسخينًا قليلًا جدًا لتحويل طاقة عالية جدًا.

يمكن لـ OLogic تبسيط عملية النماذج الأولية وتمكين عملائها من الوصول إلى السوق بشكل أسرع. اليوم ، تستعد طابعة Dusty FieldPrinter لإحداث ثورة في صناعة البناء جزئياً بسبب دعم OLogic وقدرتها على تصميم أنظمة إلكترونيات الطاقة.

ظهر المنشور بعد محولات الطاقة الذي يتيح الابتكار في تطبيقات الروبوتات أولاً في Power Electronics News.