로봇 공학에서 부품 기반 분배 전력 아키텍처를 사용하는 이유 및 방법

공장 자동화, 농업, 캠퍼스 및 소비자 배송, 창고 재고 관리와 같은 응용 분야에서 배터리 구동 로봇 사용이 증가하고 있습니다. 작동 시간을 최대화하기 위해 배터리 시스템 설계자는 크기와 무게뿐만 아니라 전력 변환 효율도 항상 고려해야 합니다.

부하 커패시터가 계속해서 증가하고 비전, 범위 지정, 근접도, 위치 등의 감지 및 안전 기능으로 인해 설계 복잡도가 높아지고 물리적 무게가 증가하면서 이에 대한 관심이 더욱 중요해졌습니다. 동시에 전자기기에서 추가 처리가 필요하므로 전력 소비가 증가합니다.

과제가 추가됨에 따라 배터리 수명을 최대화하기 위해 설계자는 부품 기반 분배 전력 공급 아키텍처에 의지하여 모터, CPU 및 기타 서브 시스템을 구동할 수 있습니다. 이러한 접근 방식에서는 개별 DC-DC 전력 변환 부품을 부하 지점(PoL)에 배치하고 높은 효율, 작은 크기(높은 출력 밀도) 및 전체 성능을 최적화할 수 있습니다. 또한 전체 전력 시스템의 무게를 줄여서 배터리 구동 로봇 시스템에서 추가적으로 성능을 향상시킬 수 있습니다. 로봇 전력 수요가 증가할 경우 전력 변환 부품을 병렬로 연결하여 손쉽게 확장하고 다양한 크기의 로봇 시스템 플랫폼에서 동일한 전력 아키텍처를 배포할 수 있으므로 유연성도 향상됩니다.

이 기사에서는 농업 수확, 캠퍼스 및 소비자 배송, 창고 재고 이동을 비롯하여 다양한 로봇 공학 응용 분야의 전력 요구 사항을 간략하게 살펴봅니다. 그런 다음 부품 기반 분배 전력 공급 아키텍처를 사용할 때의 이점을 검토하고, 설계자가 시작하는 데 도움이 되는 평가 기판 및 연결된 소프트웨어와 함께 Vicor의 DC-DC 컨버터 솔루션을 예로 들어 소개합니다.

로봇에 대한 전력 요구 사항

특정 로봇 유형에 대한 전력 요구 사항은 응용 분야에 따라 결정됩니다.

• 농업 수확 로봇: 시각 인식 센서, 다양한 환경 및 토양 분석 센서와 함께 자동화된 차량 안내를 사용하여 (과일, 야채, 곡물)을 심고, 관리하고, 수확하고, 생산합니다. 대형 로봇 차량은 일반적으로 400V 이상의 고전압 DC 전원으로 구동됩니다.
• 배송 로봇: 다양한 품목을 최종 소비자 또는 캠퍼스로 배송합니다. 페이로드의 크기와 무게는 다양하지만 이러한 로봇은 일반적으로 48V ~ 100V 배터리로 구동되며, 창고 재고 이동용 로봇보다 실행 시간이 더 길어야 합니다.
• 창고 재고 이동 로봇: 대형 창고 환경에서 재고 관리 및 주문 처리 작업을 제공합니다. 일반적으로 이 로봇은 필요에 따라 충전할 수 있는 24V ~ 72V 배터리 전원으로 구동됩니다.

로봇 공학을 위한 부품 기반 분배 전력 아키텍처

이 섹션에서는 760V 배터리 팩을 사용하는 농업 수확 로봇용 15.9kW 시스템부터 48V 배터리 팩을 사용하는 창고 재고 관리 로봇용 1.2kW 시스템까지 네 가지 부품 기반 분배 전력 아키텍처를 예로 들어 검토합니다. 이 세 응용 분야의 공통적인 특징은 로봇을 통해 전력을 배분하는 주 버스의 전압이 상대적으로 높고, 그 뒤에 오는 하나 이상의 전압 강압 섹션에서 서브 시스템에 필요한 전력을 공급한다는 것입니다. 고전압 전력 분배 버스로 인해 효율성이 향상되고 전력 분배 전류가 감소하여 더 작고, 가볍고, 경제적인 전력 케이블을 사용할 수 있습니다. 네 번째 응용 분야에서는 간소화를 통해 48V 배터리 시스템을 탑재한 소형 로봇을 사용할 수 있습니다.

농업 수확 로봇용 전력 공급 네트워크(PDN)는 760V 주 전력 버스로 구성됩니다(그림 1). 출력 전압이 입력 전압의 1/16인 일련의 고정 비율(비정격) 분리형 DC-DC 컨버터(왼쪽 그림의 BCM 모듈)에서 이 PDN을 지원합니다. 이 컨버터는 병렬로 사용되므로 특정 시스템 요구 사항에 따라 시스템의 크기를 조정할 수 있습니다.

그림 1: 이 15.4kW 이 농업 수확 로봇용 PDN은 저전압 컨버터(DCM, PRM, NBM 및 벅) 네트워크를 지원하는 760V 분배 버스로 구성됩니다. (이미지 출처: Vicor)

이 네트워크에는 필요에 따라 일련의 고정 비율 컨버터(NBM, 위쪽 가운데), 정격 벅 부스트 컨버터(PRM, 가운데) 및 벅 컨버터(아래쪽) 전력 다운스트림 저전압 레일도 포함됩니다. 이 설계에서 서보는 추가적인 DC-DC 변환이 없는 48V 중간 전력 버스에서 직접 구동됩니다.

캠퍼스 및 고객 배송 로봇용 PDN은 낮은 주 전력 버스 전압(이 경우 100V)을 채택하고, 주 전력 분배 버스의 분리형 DC-DC 컨버터(DCM)에서 48V 중간 버스 전압을 생성하도록 추가적으로 조정하여 간소화함으로써 중간 전력 시스템을 사용할 수 있습니다(그림 2).

그림 2: 캠퍼스 및 소비자 배송 로봇용 PDN은 모터를 직접 구동하고, 나머지 서브 시스템은 PDN에 포함된 중간 버스에서 구동합니다. (이미지 출처: Vicor)

이 접근 방식에서는 비분리형 벅 부스트 및 벅 DC-DC 컨버터를 사용하여 다양한 서브 시스템을 구동할 수 있습니다. 또한 주 전력 버스를 위한 낮은 전압으로 모터를 구동하여 주 버스에 직접 연결하고, 서보는 48V 중간 버스에 직접 연결될 수 있습니다. 더 작은 캠퍼스 및 소비자 배송 로봇에서 24V 중간 버스 전압과 24V 또는 48V 서보를 통합할 수 있지만, 전체 아키텍처는 비슷합니다.

67V 배터리 팩을 사용하는 창고 로봇용 PDN의 주요 특징은 주 전력 버스에서 벅 부스트 비분리형 DC-DC 컨버터(PRM)를 사용한다는 것입니다(그림 3). 이러한 컨버터는 96% ~ 98%의 효율성을 제공하며, 병렬로 배치하여 더 높은 전력 요구 사항을 충족할 수 있습니다. 또한 이 아키텍처는 고정 비율 비분리형 DC-DC 컨버터(NBM)를 사용하여 GPU를 구동하고, 비분리형 정격 벅 컨버터를 사용하여 논리 섹션을 구동합니다.

그림 3: 창고 로봇용 PDN은 67V 주 전력 버스와 48V 중간 전력 분배 버스를 결합합니다. (이미지 출처: Vicor)

48V 배터리를 사용하는 소형 로봇 설계에서는 설계를 간소화하여 중간 버스 전압을 생성할 필요가 없습니다(그림 4). 다양한 비분리형 DC-DC 컨버터를 사용한 직접 변환을 통해 배터리 전압에서 부하를 직접 구동합니다. 연쇄 전동 장치에서 중간 버스를 제거하여 시스템 효율을 높이고 전력 시스템의 무게와 비용을 줄입니다.

그림 4: 48V 배터리 팩을 사용하는 창고 로봇용 PDN은 설계를 크게 간소화하여 중간 전력 버스가 필요하지 않습니다. (이미지 출처: Vicor)

분배 전력 아키텍처 설계 고려 사항

위에서 살펴본 바와 같이 설계자는 다양한 전력 시스템을 선택하여 부품 기반 PDN을 로봇 공학에 맞게 최적화해야 합니다. "상황에 따라" 접근 방식이 달라집니다. 일반적으로 로봇이 클수록 배터리 전압이 커지므로 전력 분배 효율을 높이고 전력 분배 버스의 크기와 무게를 줄일 수 있습니다.

전체 시스템 효율을 최적화하고 비용을 최소화하려면 분리형 DC-DC 컨버터를 사용할지 비분리형 DC-DC 컨버터를 사용할지를 고려해야 합니다. DC-DC 컨버터가 저전압 부하에 가까울수록 저비용 비분리형 전력 부품을 선택하여 전체 PDN 효율을 높이는 것이 좋습니다. 또한 해당하는 경우 저비용 고정 비율(비정격) DC-DC 컨버터를 사용하여 PDN 효율을 높일 수도 있습니다.

Vicor는 위에서 요약한 네 가지 아키텍처를 비롯하여 광범위한 부품 기반 분배 전력 공급 아키텍처에서 설계자의 요구 사항을 지원할 수 있는 DC-DC 컨버터를 제공합니다. 여기서는 그림 2에 표시된 대로 캠퍼스 및 소비자 공급 로봇에 대해 설명한 것과 비슷한 전력 공급 시스템에서 사용할 수 있는 특정 장치를 중심으로 살펴보겠습니다.

로봇 전력 시스템용 DC-DC 컨버터

DCM3623TA5N53B4T70은 100V 배터리 전력에서 48V 중간 버스 전압을 생성할 수 있는 DCM 분리형 정격 DC-DC 컨버터의 한 예입니다(그림 5). 이 컨버터는 제로 전압 스위칭(ZVS) 기술을 사용하여 입방인치 출력 밀도당 653W의 전류와 90.7%의 최대 효율을 제공합니다. 또한 입력과 출력 사이에서 3,000V DC 분리를 제공합니다.

그림 5: DCM3623TA5N53B4T70 분리형 정격 DC-DC 컨버터는 100V 배터리 전력에서 48V 중간 버스 전압을 생성할 수 있습니다. (이미지 출처: Vicor)

Vicor ChiP(Converter-housed-in-Package) 패키징 기술의 열 및 밀도 이점을 활용하는 DCM 모듈은 매우 낮은 위쪽 및 아래쪽 열 임피던스와 함께 유연한 열 관리 옵션을 제공합니다. ChiP 기반의 전력 부품을 사용하면 설계자가 이전에는 불가능했던 시스템 크기, 무게 및 효율 속성의 비용 효율적인 전력 시스템 솔루션을 예측 가능한 방법으로 신속하게 실현할 수 있습니다.

DCM3623TA5N53B4T70 기능을 살펴보기 위해 설계자는 DCM3623EA5N53B4T70 평가 기판을 사용할 수 있습니다(그림 6). 다양한 지원 및 결함 모니터링 체계에 맞게 DCM 평가 기판을 구성하고 응용 분야의 요구 사항에 따라 다양한 트리밍 모드를 연습할 수 있습니다.

그림 6: DCM3623EA5N53B4T70 평가 기판을 사용하면 설계자가 DCM3623TA5N53B4T70 DC-DC 컨버터의 기능을 살펴볼 수 있습니다. (이미지 출처: Vicor)

DCM3623EA5N53B4T70을 사용하여 독립형 구성과 모듈 어레이로 DCM을 평가할 수 있습니다. 또한 다양한 평가에서 트리밍 및 결함 모니터링 옵션을 지원할 수 있습니다.

지원되는 옵션:

• 기판 실장 기계 스위치(기본값)
• 외부 제어

트리밍 옵션:

• 고정 트리밍 작동(기본값): 처음 시작할 때 TR 핀이 부동 상태로 유지될 수 있습니다.DCM은 출력 트리밍을 비활성화하고 출력 트림은 정격 속도 VOUT로 프로그래밍됩니다.
• 가변 트림 작동, 기판 실장 가변 저항기: 트림 핀 전압이 비율계량적이며, 가변 저항기가 DCM ~ VCC 내부 풀업 저항기의 작동을 저해합니다.
• 가변 트림 작업, 기판 분리형 제어: 시스템에서 각 특정 DCM의 -IN에 레퍼런스되는 외부 프로그래밍 제어를 통해 트림 핀 전압을 제어합니다.

결함 모니터 옵션:

• 기판 실장형 LED: FT 핀은 결함 상태에 대한 시각 피드백을 위해 시각 LED를 구동합니다.
• 기판 실장형 광 커플러: FT 핀은 기판 실장형 광 커플러를 구동하여 1차/2차 분리 경계를 포괄하는 결함 상태를 제공합니다.

Vicor의 PI3740-00 벅 부스트 DC-DC 컨버터를 사용하면 LED 투광 조명 및 고화질(HD) 카메라를 위해 각각 44V 및 24V 전력을 생성할 수 있습니다. 이 컨버터는 폭넓은 입력 및 출력 범위의 고효율 ZVS 컨버터입니다. 이 고밀도 시스템 인 패키지(SiP)는 컨트롤러, 전원 스위치 및 지원 부품을 통합하고(그림 7), 최대 96%의 최고 효율과 우수한 경부하 효율을 제공합니다.

그림 7: PI3740-00 벅 부스트 DC-DC 컨버터 SiP를 사용하면 캠퍼스 및 배송 로봇용 PDN에서 LED 투광 조명 및 HD 카메라를 구동할 수 있습니다. (이미지 출처: Vicor)

PI3740-00에서 완벽한 벅 부스트 조정기를 구성하려면 외부 인덕터, 저항 분배기 및 최소 커패시터가 필요합니다. 1MHz 스위칭 주파수 덕분에 외부 필터링 부품의 크기를 줄일 수 있고 출력 밀도를 높일 수 있으며 회선과 부하 과도 상태에 대한 빠른 동적 응답을 구현할 수 있습니다.

PI3740-00을 사용하여 설계를 빠르게 시작하기 위해 Vicor는 V_OUT이 8V 이상인 정전압 응용 분야에서 PI3740-00을 평가할 수 있는 PI3740-00-EVAL1을 제공합니다. 이 기판은 8Vdc ~ 60Vdc 사이의 입력 전압에서 작동하고 최대 50Vdc 출력 전압을 지원합니다. 이 평가 기판의 기능은 다음과 같습니다.

• 소스 및 부하 연결을 위한 입력 및 출력 돌기
• 스루홀 입력 알루미늄 전해 커패시터 배치 위치
• 입력 소스 필터
• 정확한 고주파 출력 및 입력 전압 측정을 위한 오실로스코프 프로브 잭
• 신호 핀 테스트 포인트 및 전선 커넥터
• 모든 PI3740 핀을 위한 Kelvin 전압 테스트 포인트 및 소켓
• 점퍼 선택 가능한 하이사이드/로우사이드 전류 감지
• 점퍼 선택 가능한 부동 전압

마지막으로 Victor의 PI3526-00-LGIZ 벅 조정기를 사용하면 PDN에서 컴퓨터 및 무선 서브 시스템에 12V 전력을 공급할 수 있습니다(그림 8). 이 DC-DC 컨버터는 최대 98%의 효율을 제공하고 전류 속도의 상한과 하한을 포함하는 사용자 조정 가능한 소프트 스타트 및 추적 기능을 지원합니다. 이러한 ZVS 조정기는 SiP 구성에서 컨트롤러, 전원 스위치 및 지원 부품을 통합합니다.

그림 8: Victor의 PI3526-00-LGIZ 벅 조정기를 사용하면 캠퍼스 및 배송 로봇용 PDN에서 컴퓨터 및 무선 서브 시스템에 필요한 12V 전력을 공급할 수 있습니다. (이미지 출처: Vicor)

Vicor의 PI3526-00-EVAL1 평가 기판을 구성하여 독립형 구성 또는 원격 감지 구성에서 PI3526-00-LGIZ 벅 조정기를 체험할 수 있습니다. 벌크 입력 커패시터를 빠르게 프로빙하여 배치할 수 있는 소켓이 제공됩니다. 이 평가 기판은 돌기, 입/출력 연결을 위한 하단 바나나 잭 실장 면적, 신호 커넥터 및 테스트 포인트, 정확한 전력 노드 전압 측정을 위한 Kelvin Johnson 잭을 제공합니다.

결론

부하 정전 용량, 시각 인식 및 사용자 기능으로 인해 로봇의 복잡도가 증가하면서 로봇 시스템 전력 변환 요구 사항이 더욱 까다로워졌습니다. 기존 전력 솔루션은 크기, 효율, 무게 및 확장성 측면의 성능 제한으로 인해 로봇 공학 응용 분야에 적합하지 않을 수 있습니다. 로봇 공학 응용 분야의 경우 설계자는 부품 기반 분배 전력 공급 아키텍처로 전환하여 모터, CPU 및 기타 서브 시스템을 구동할 수 있습니다.

위에서 살펴본 바와 같이 이 접근 방식에서는 전력 시스템의 무게를 줄여서 배터리 구동 로봇 공학에서 추가적인 성능 향상을 실현할 수 있습니다. 전력 수요가 증가할 경우 전력 변환 부품을 병렬로 연결하여 손쉽게 확장하고 다양한 크기의 로봇 시스템 플랫폼에서 동일한 전력 아키텍처를 배포할 수 있으므로 유연성도 향상됩니다.

추천 자료

1. Reducing Robot Risk: How to Design a Safe Industrial Environment(로봇 위험 감소: 안전한 산업 환경을 설계하는 방법)
2. 콤팩트한 산업용 로봇을 사용하여 모든 공장의 생산성 향상