Microchip Technology Inc.
Avtorja: Pramit Nandy in Vijay Bapu
Proizvodna industrija se razvija že več kot 200 let. Industrija 4.0 je četrta industrijska revolucija, ki se osredotoča na medsebojno povezanost, avtomatizacijo, strojno učenje in obdelavo podatkov v realnem času.
Različne proizvodne panoge se usmerjajo v Industrijo 4.0, zato da bi ostale konkurenčne in zmanjšale proizvodne stroške, proizvajalci v tovarne nameščajo več opreme in manj ljudi.
Proizvajalci veliko vlagajo v napredno mobilno robotiko v svojih tovarnah (npr. v skladiščih za dostavo Amazonovih izdelkov, na montažnih linijah) in skladiščih, kjer opravijo levji delež gradnje, sestavljanja in prevoza materiala. Vendar je treba te mobilne robote redno polniti, kar je vse večji izziv za industrijske tovarne. Na področju brezžičnega polnjenja je zdaj prišlo do nekaterih izboljšav, zaradi katerih so ti roboti bolj prilagodljivi, kar je povečalo proizvodno zmogljivost in učinkovitost tovarn. S pravo kombinacijo izbire komponent, zasnove tuljav in postavitve polnilne plošče, brezžično polnjenje spreminja pravila igre v proizvodni industriji in vpliva na celotno gospodarstvo.
Kako deluje brezžično polnjenje
Najnovejše rešitve za brezžično polnjenje uporabljajo tehnike, ki temeljijo na načelu elektromagnetne indukcije. Ko skozi indukcijsko tuljavo na strani oddajnika teče izmenični tok, se ustvari oscilirajoče magnetno polje. Ko se to oscilirajoče magnetno polje poveže z indukcijsko tuljavo na strani sprejemnika, v tuljavi na strani sprejemnika nastane izmenični električni tok (glej sliko 2).
Sistemi brezžičnega polnjenja potrebujejo številne komponente, vključno z oddajno tuljavo, uglaševalnimi kondenzatorji, krmilnikom tuljave in sprejemno tuljavo. Druge komponente vključujejo diodne usmernike, DC-DC pretvornik, krmilna vezja in algoritme oddajnika in sprejemnika ter vezje za polnjenje baterije.
V primeru, prikazanem spodaj, elektromagnetna indukcija omogoča, da sistemi za brezžično polnjenje prenašajo energijo z izvorne polnilne ploščice, nameščene na tleh tovarne, na sprejemno ploščico, nameščeno na mobilnem robotu.
Prednosti brezžičnega polnjenja v tovarni
Sodobni sistemi brezžičnega polnjenja z večjo učinkovitostjo in stroškovno optimiziranimi sestavnimi deli so se izkazali za prelomnico v tovarniški postavitvi iz več razlogov. Prvič, na različne načine izboljšujejo produktivnost in zmanjšujejo proizvodne stroške. Omogočajo neprekinjeno delovanje z oportunitetnim polnjenjem (tj. uporabo časa mirovanja za polnjenje) in zmanjšujejo naložbe, saj so lahko roboti večnamensko uporabni za različne operacije. Zmanjšajo tudi človeško posredovanje, saj je postopek polnjenja in stroške vzdrževanja mogoče avtomatizirati, možno je odpraviti konektorje, kable itd., kar omogoča popolnoma brezkontaktno rešitev.
Drugič, ti sistemi za polnjenje povečujejo varnost in zaščito. Odpravljajo nevarnost iskrenja, ki jo povzročajo priključki, in kratkih stikov zaradi kontaminacije ali vlage v njih. Druge varnostne prednosti vključujejo zanesljivo zaznavanje kovinskih ostankov in drugih tujih predmetov med tuljavo oddajnika in sprejemnika. Poleg tega je enostavno izvesti varno avtentifikacijo med polnilnikom in robotom, da se prepreči nepooblaščen dostop, prenos podatkov med polnjenjem pa se lahko uporabi za napovedno vzdrževanje, da se preprečijo izpadi. Druge prednosti vključujejo tudi to, da je brezžične polnilne sisteme v primerjavi z žičnimi polnilnimi sistemi veliko lažje vzdrževati in čistiti v tovarniških prostorih. To je pomemben prispevek k popolnoma avtomatizirani tovarni, ki zmanjšuje človeško posredovanje in pomaga ustvariti varnejše okolje s preprečevanjem širjenja nalezljivih bolezni, (kot je COVID-19, ki se prenaša z delavca na delavca).
Premagovanje izzivov pri izvajanju brezžičnega polnjenja
Če upoštevamo njene prednosti, lahko tehnologija brezžičnega polnjenja v tovarniških obratih proizvodno industrijo dvigne na višjo raven in reši zahtevne proizvodne izzive. Vendar pa se pri brezžičnem polnjenju pojavljajo tudi nekateri izzivi. Ti izzivi vključujejo potrebo po razmeroma visoki naložbi za izvedbo infrastrukture za brezžično polnjenje v primerjavi s tradicionalnim polnjenjem preko žic in razmeroma nižjo učinkovitost, obstajajo pa tudi pomisleki glede EMI. Obstajajo tudi varnostna vprašanja, povezana s pregrevanjem, če se med tuljavo oddajnika in sprejemnika znajde tujek. Posebej pomembna sta upravljanje stroškov na kosovnicah in izbira komponent.
Kritična zanka za stikalne tokove v visokozmogljivem brezžičnem napajalnem sistemu v brezžičnem oddajniku vključuje močnostna stikala, resonančne kondenzatorje in tuljavo. Ta zanka vključuje visoke napetosti, visoke tokove in visoke stikalne frekvence. Postavitev tiskanega vezja, namestitev in razporeditev komponent v tem visokozmogljivem brezžičnem sistemu za prenos energije vplivajo na učinkovitost, EMI in toplotno disipacijo, kar posledično vpliva na zmogljivost in zanesljivost sistema. Izzivi so tudi pri spreminjanju parametrov tuljave zaradi proizvodnih variabilnosti tuljave. Razlike med posameznimi tuljavami lahko povzročijo razlike med izdelki, kar ima za posledico nekonsistentno obnašanje in nezanesljivo delovanje na terenu.
Čeprav je mogoče za vzpostavitev rešitve za brezžično polnjenje uporabiti naprave za splošne namene, ne morejo delovati na enaki ravni kot naprave s fiksnimi funkcijami. Rešitve se lahko razlikujejo tudi po stroških in učinkovitosti, kar je odvisno od izbire komponent in odločitev o postavitvi na plošči. Današnje rešitve za brezžično polnjenje je mogoče optimizirati na več načinov.
Izgradnja optimizirane rešitve
Naprave s fiksno funkcijo se uporabljajo za optimizacijo rešitve za brezžično polnjenje, tako da lahko rešuje izzive izvajanja varnega, zanesljivega in učinkovitega brezžičnega napajanja pri visokih ravneh moči. Pomemben korak je optimizacija oddajnega in sprejemnega vezja, v katerem delujejo visoko specializirani algoritmi za komunikacijo, nadzor moči in zaznavanje tujih predmetov (angl. Foreign Object Detection, FOD). Ti algoritmi temeljijo na obsežnih raziskavah in razvoju ter številnih podeljenih patentih.
V idealnem primeru bi morala biti komunikacija v rešitvi za brezžično polnjenje v pasu, kar bi odpravilo dodatne sistemske stroške komunikacijskih shem zunaj pasu. Poiščite frekvenco prenosa energije v območju približno 100 kHz. Krmiljenje moči je treba izvajati s spremenljivo frekvenco in spremenljivim krmiljenjem delovnega cikla PWM, ki poganja inverter s polnim mostičem v oddajniku. Pri visokih ravneh moči postane FOD kritična. Pri tej metodi se prenos moči za nekaj mikrosekund za kratek čas ustavi, napetost tuljave pa se izmeri z uporabo visokih perifernih naprav in jedra. Prisotnost (ali odsotnost) tujega predmeta je mogoče zaznati z izračunom naklona napetosti tuljave, ko so izhodni FET-i izključeni.
Vse sestavne dele rešitve, vključno s krmilnikom, FET-i, regulatorji in tuljavami, je treba izbrati tako, da so njihovi stroški skladni s celotnim proračunom sistema, ki bo morda moral vključevati vrhunske kovinske kontakte za zanesljivo delovanje v okolju z vlago ali prahom. Učinkovitost rešitve je odvisna od sheme za nadzor moči in optimalne zasnove tuljav. Primer je Microchipova rešitev WP300, katere zasnova zagotavlja več kot 90-odstotno učinkovitost pri obremenitvah nad 100 W. Ta učinkovitost se meri od enosmernega vhoda oddajnika do reguliranega enosmernega izhoda sprejemnika. Rešitev lahko deluje pri vhodni napetosti 12-36 V DC in se lahko nastavi na podoben razpon napetosti na strani sprejemnika.
Postavitev tiskanega vezja, razporeditev komponent in postavitev tiskanega vezja v referenčni rešitvi, ki temelji na WP300, so bili optimizirani za najboljšo zmogljivost. TIV je zasnovan tako, da so digitalni, analogni in napajalni deli izolirani, tako da sta presluh in šum čim manjša.
EMI se poleg zmanjšanja stikalne frekvence zmanjša tudi z ustreznimi metodami nadzora v oddajniku in optimalno uporabo ločilnih kondenzatorjev za zmanjšanje stikalnega šuma. Ločitveni kondenzatorji zmanjšajo sklopitveni šum, vendar povečajo izgube, zaradi česar se poveča toplotna razpršitev in zmanjša učinkovitost. Te kompromise je treba oceniti za optimizacijo zasnove.
Parametre tuljave je mogoče kalibrirati med sestavljanjem na proizvodni liniji. Prednost rešitve je, da se podatki o kalibraciji tuljave med testiranjem izdelka zapišejo v IC WP300TX. To omogoča dosledno delovanje pri vseh izdelkih in zanesljivo delovanje. Nazadnje, za vzpostavitev seznanjanja 1 : 1 med oddajnikom in sprejemnikom je mogoče vključiti varno komunikacijo v pasu z zagotovitvijo, da se napajajo samo sprejemne naprave, ki jih je potrdil oddajnik. Slika 4 vključuje blok diagrame 300-vatnega krmilnika oddajnika in 300-vatnega krmilnika sprejemnika, ki sta bila optimizirana za zagotavljanje teh zmogljivosti.
Razvijalci sistemov morajo sodelovati z dobaviteljem, ki zagotavlja podrobne smernice za uporabo svojih rešitev za brezžično polnjenje, vključno z izbiro komponent, zasnovo tuljave in postavitvijo komponent na ploščo. Dobavitelji morajo zagotoviti tudi navodila po korakih, da zagotovijo nemoteno izvedbo končnega izdelka. S tem pristopom lahko razvijalci prihranijo čas, zmanjšajo tveganja in poenostavijo zasnove svojih brezžičnih polnilnikov, tako da v celoti uresničijo obljube tehnologije elektromagnetne indukcije, obenem pa izboljšajo svojo produktivnost, zmanjšajo proizvodne stroške ter izboljšajo varnost in zaščito.
Opomba: Ime in logotip Microchip sta registrirani blagovni znamki podjetja Microchip Technology Incorporated v ZDA in drugih državah. Vse druge blagovne znamke, ki so morda tu omenjene, so last njihovih podjetij.
