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落實工業4.0 為移動機器人部署無線充電技術
 

【作者: Pramit Nandy、Vijay Bapu】   2023年07月21日 星期五

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對於工業工廠來說,移動機器人必須定期充電的挑戰日益嚴峻。無線充電空間做出的改進,能夠讓機器人變得更靈活,進而提高了工廠的製造能力和效率;無線充電技術正日益成為製造業的關鍵因素。


製造業已經發展了200多年。工業4.0是第四次工業革命,其重點在於互聯互通、自動化、機器學習和即時資料處理;隨著各種製造業都在向工業4.0邁進,為了保持競爭力並降低製造成本,製造商正致力於為工廠投入更多的設備,同時削減員工數量。



圖1 : 製造業的發展
圖1 : 製造業的發展

製造商正致力於在其工廠(即亞馬遜配送倉庫和裝配線)和倉庫中大力投資先進的移動機器人技術,來承擔大部分的材料建造、組裝和運輸工作。然而這些移動機器人必須定期充電,這對工業工廠來說是一個日益嚴峻的挑戰。


如今,無線充電空間做出了一些改進,讓這些機器人變得更加靈活,進而提高了工廠的製造能力和效率。隨著元件選擇、線圈設計和電路板佈局的正確結合,無線充電技術正日益成為製造業的關鍵因素,並且正在影響整個經濟。


無線充電的工作原理

最新的無線充電解決方案採用了基於電磁感應原理的技術。當交流電通過發送器側的感應線圈時,會產生振盪磁場。當此振盪磁場與接收器側的感應線圈耦合時,接收器側線圈會產生交流電(圖2)。



圖2 : 借助感應式無線充電,無線充電解決方案的接收器側線圈會產生交流電
圖2 : 借助感應式無線充電,無線充電解決方案的接收器側線圈會產生交流電

無線充電系統需要許多元件,包括發送器線圈、調諧電容、線圈驅動器和接收器線圈,其他元件還包括二極體整流器、DC-DC轉換器、發送器和接收器控制電路及演算法,以及電池充電電路。


在以下的範例中,無線充電系統借助電磁感應,能夠將電能從安裝在工廠廠房的充電源墊傳輸到安裝在移動機器人上的接收墊。



圖3 : 工廠車間移動機器人的無線充電
圖3 : 工廠車間移動機器人的無線充電

工廠車間無線充電的優勢

出於多種原因考量,採用更高效率和成本優化元件的現代無線充電系統經過驗證,已成為工廠設置的關鍵因素。


首先,它可透過多種方式提高生產力並降低製造成本。它可透過機會充電(即利用閒置時間充電)實現連續操作,並減少投資,因為機器人支援多種用途,並用於不同的操作。而且還減少了人為干預,因為充電過程可以自動化,同時還降低了維護成本,因為無需使用連接器和電纜等,實現了完全非接觸式解決方案。


其次,這類充電系統還提高了安全性;它們排除了因連接器導致的火花及其內部污染或水分引起的短路風險。其他安全優勢包括:這些解決方案能夠可靠地檢測發送器和接收器線圈之間的金屬碎片和其他異物。


此外,充電器和機器人之間可輕鬆實現安全驗證,以避免未經授權的訪問,並且充電期間的資料傳輸可用於預測性維護以防止停機。其他優勢包括:與有線充電系統相比,無線充電系統在工廠廠區的維護和清潔要容易得多。此外,完全自動化工廠其中的重要優勢之一,在於可大幅減少人為干預,並可防止員工間傳播傳染病(例如COVID-19),有助於營造更安全的環境。


克服無線充電部署挑戰

考慮到無線充電技術的優勢,在工廠建設中採用這項技術,有機會將製造業提升到一個新的水準,同時能解決困難的生產挑戰。然而,無線充電也存在一些挑戰,這些挑戰包括:與傳統有線充電相比,需要相對較高的投資來建造無線充電基礎設施,而且還存在相對較低的效率和EMI問題;如果發送器和接收器線圈之間有異物,也會存在與過熱相關的安全問題。BOM成本管理和零組件選擇尤其重要。


在無線電源發送器中,大功率無線電源系統中開關電流的關鍵回路,包括功率開關、諧振電容和線圈,此回路涉及高電壓、高電流和高開關頻率。這種高功率無線電力傳輸系統中的PCB佈局、元件佈局和佈線會影響效率、EMI效能和散熱,進而影響系統效能和可靠性。由於線圈存在製造可變性,線圈參數變化也會帶來挑戰。線圈之間的變化可能導致產品之間存在差異,導致行為不一致和現場效能不可靠的問題。


雖然通用元器件可用於構建無線充電解決方案,但其效能無法達到與固定功能替代品相同的水準。根據元件選擇和電路板佈局決策,解決方案的成本和效率也會有所不同。可以利用許多方法來優化目前的無線充電解決方案。


構建優化的解決方案

固定功能元件被用於優化無線充電解決方案,這樣便能應對在高功率水準下實現安全、可靠、高效的無線電源這一挑戰。優化此解決方案的發送器和接收器電路是一個重要步驟,這種電路運行高度專業化的通信、功率控制和異物檢測(FOD)演算法。這些演算法基於大量的研發和多項授權專利。


在理想情況下,無線充電解決方案中應採用頻內(in-band)通信,這有助於消除頻外通信方案所增加的系統成本。尋找約100 kHz範圍內的電力傳輸頻率。應使用驅動發送器中全橋逆變器的PWM的可變頻率和可變工作週期控制來執行功率控制。


在高功率水準下,FOD變得至關重要。採用這種方法時,電力傳輸會短暫停止幾微秒,並使用解決方案的高效能周邊和核心測量線圈電壓。當輸出FET關閉時,可透過計算線圈電壓的斜率來檢測是否存在異物。


選擇解決方案的所有元件(包括控制器、FET、穩壓器和線圈)時,必須使成本符合系統總預算,這可能需要包含高端金屬觸點,以確保在潮濕或灰塵環境中的可靠性。解決方案的效率取決於功率控制方案和最佳線圈設計。以Microchip的WP300解決方案為例,其設計在超過100W的負載下可實現超過90%的效率。此效率是從發送器的直流輸入到接收器的穩壓直流輸出測得的。該解決方案可在12-36V DC的輸入電壓下工作,並且可以在接收器側調節到類似的電壓範圍。


在基於WP300的參考解決方案中,PCB佈局、元件佈局和PCB層疊已經過優化,可實現最佳效能。在設計PCB時,已確保數位部分、類比部分和電源部分彼此隔離,這樣便可盡可能地減少雜訊耦合。


除了降低開關頻率外,還可以在發送器中使用適當的控制方法和優化使用去耦電容來降低開關雜訊,進而減輕EMI問題。去耦電容可降低開關雜訊耦合,但會增加損耗,導致熱耗散增加和效率損失。為優化設計,這些權衡的評估至關重要。


線圈參數可在生產線上組裝時進行校準。這種解決方案的優勢,在於可在產品測試期間將線圈校準資料寫入WP300TX IC,以實現整個產品的一致操作和可靠效能。最後,為在發送器和接收器之間建立1:1配對,可在頻寬內包含安全通信,以確保只有經過發送器驗證的接收器才能獲得供電。圖4包含經優化可提供這些功能的300W發送器控制器和300W接收器控制器的架構圖。



圖4 : 已針對無線充電進行優化的發送器和接收器電路架構圖
圖4 : 已針對無線充電進行優化的發送器和接收器電路架構圖

系統開發人員應與可提供使用其無線充電解決方案的詳細指南的供應商合作,具體內容包括元件選擇、線圈設計和電路板佈局的指南。供應商還應提供逐步指導,以確保最終產品能夠無縫執行。借助這種方法,開發人員可節省時間、降低風險並簡化其無線充電器設計,以充分履行電磁感應技術的承諾,同時提高生產力、降低製造成本並提高安全性。


(本文作者Pramit Nandy、Vijay Bapu任職於Microchip Technology Inc.)


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