Использование 48В робототехники: повышение эффективности и мощности в промышленной автоматизации

Спрос на эффективность и стоимостную эффективность в электрических системах способствует принятию 48В систем по отраслям. Эти более высоковольтные системы предлагают более оптимальную альтернативу традиционным 12- или 24-В архитектурам, особенно там, где критична доставка высокой мощности. Промышленная автоматизация и телекоммуникации используют 48В для питания моторов, актуаторов и другого высокомощного оборудования.

Преимущества использования 48В систем включают:

• Привод более крупных нагрузок: в отличие от 12В систем, которые борются с современными требованиями мощности

• Меньшие токи: более высокое напряжение снижает требования к току в четыре раза

• Снижение потерь мощности: меньшие токи означают меньше потерь мощности, меньше тепла для рассеивания и более высокую эффективность; работа на более высоком напряжении

• Более высокая плотность мощности: интегрированные 48В решения позволяют более высокую плотность мощности по пространству, переводимую в дальнейший запас хода и меньшие потери энергии в системах чистой энергии

• Лёгкий кабелинг: более тонкие кабели снижают затраты и уменьшают вес и пространство.

История систем распределения мощности

6В система распределения мощности стала практическим стандартом для зажигания и освещения в ранних автомобилях, во многом под влиянием широко распространённого использования батарей того времени. Её простота и легкость использования сделали её популярным выбором. Хотя 24В системы изначально пробовались — например, в Cadillac 1912 года с его электрическим стартером — 6В система быстро завоевала доминирование для большинства автомобильных электрических функций.

По мере прогресса автомобильной технологии спрос на электрические аксессуары вроде радио, обогревателей и позже электроошек начал расти. Это создало большее напряжение на электрической системе, подсвечивая ограничения 6В установки. 12В система предложила ключевое преимущество: для той же выходной мощности она требовала только половину тока, что снизило риск перегрева и позволило использовать более лёгкий, управляемый кабелинг.

Разработка надёжных 12В свинцово-кислотных батарей и генераторов дальнейше поддержала переход. С этими компонентами, становившимися легче в производстве и более стоимостно-эффективными на مر السنين, 12В система стала новым стандартом. Это привело к проектированию и широкому принятию совместимых электрических частей, включая освещение и моторы, работавшие более эффективно на более высоком напряжении.

Борьба традиционных систем

AMT49100 3-фазный BLDC Gate Driver. (Изображение: Allegro)

Современные требования к мощности не могут быть удовлетворены традиционными 12В системами, сейчас основой доставки мощности. Ограничения 12В систем становятся ясными при рассмотрении факторов вроде потерь мощности и толщины кабелей.

По мере роста требований к мощности, токи в 12В системе растут линейно (P = V * I). Это приводит к более высоким потерям мощности lungo любого кабели от источника питания к нагрузке (Ploss = I2 * R).

Эти потери мощности проявляются как нежелательное тепло и сниженная системная эффективность. Также управление более высокими токами требует более толстых и тяжёлых кабелей, что добавляет вес и стоимость в системные дизайны.

Оборудование промышленной автоматизации

Эти 48В системы всё чаще используются в промышленной автоматизации и робототехнике, предлагая более высокую мощность и улучшенную безопасность над низковольтными системами. Это включает компоненты вроде моторов, сенсоров и гейт-драйверов, спроектированных для работы с более высоким напряжением и требованиями мощности промышленных приложений.

Меньшие токи в этих системах снижают генерацию тепла и потенциальные пожарные опасности. По сравнению с более высоковольтными системами, 48В системы требуют меньше изоляции, что может быть фактором в компактных дизайнах. Поскольку они ниже 60В порога безопасности, они часто считаются SELV (безопасное экстра-низкое напряжение), означая, что они спроектированы безопасными для прямого контакта с неэкранированным оборудованием.

Эти системы предлагают улучшенную эффективность и точность за счёт снижения потерь энергии, позволяя более быстрый контроль и допуская более мелкое, лёгкое оборудование, увеличенную ловкость и улучшенное тепловое управление.

48В решения с высокой эффективностью

ACS37220 Low-Resistance Current Sensor. (Изображение: Allegro)

Allegro предлагает широкий массив сенсорных и мощностных IC продуктов, готовых для использования в дизайне 48В систем по множеству роботизированных приложений. Снижение потерь мощности с 48В решениями Allegro переводится в осязаемое увеличение топливной экономии для мягких гибридов, значительно расширяя диапазон для всех электрифицированных транспортных средств и улучшая эффективность конверсии энергии в солнечных инверторах.

Моторные и гейт-драйверы Allegro обеспечивают точное и эффективное управление 48В моторами и актуаторами, используемыми в авто и промышленной автоматизации, улучшая продуктивность и надёжность. Их интегрированный IC датчика тока поддерживает высоковольтные приложения, в то время как цифровые позиционные сенсоры доставляют робастность и надёжность для дополнения моторных драйверов.

Автономные мобильные роботы (AMR) навигируют в динамических средах для логистики и инспекции, требуя точного движения, робастного управления батареей и надёжного обнаружения препятствий. Интегрированные моторные драйверы Allegro, магнитные сенсоры для позиционирования и нагрузки, и эффективные IC управления мощностью улучшают производительность AMR, оптимизируют использование энергии и обеспечивают операционную безопасность в различных настройках.

Коллаборативные роботы (коботы) безопасно работают с людьми, требуя точного движения, передовых функций безопасности (SIL-2/3) и эффективной мощности для суставов. 48В гейт-драйверы Allegro, высокоразрешающие позиционные сенсоры и точные датчики тока обеспечивают робастную производительность суставов, надёжное торможение и оптимизированное управление мощностью для надёжного человеко-роботного сотрудничества.

Гуманоидные роботы стремятся к человеко-подобному движению и взаимодействию, требуя изощрённой актуации, динамического баланса и сложного восприятия. Передовые серво-моторные контролы, универсальные многоосевые позиционные сенсоры и эффективные технологии управления мощностью Allegro фундаментальны для сложной механики и требовательной производительности многочисленных суставов гуманоидных роботов.

Почему остановиться на 48В?

ACSEVB-EZ7-37220-100B3 Eval.Board для ACS37220 Current Sensor (слева). APEK85111KNH-02-T-MH Eval.Board для AHV85111 Isolated Gate Driver (справа). (Изображение: Allegro)

Первичный фактор за этим пределом — стандарты безопасности, которые должны быть выполнены. Организации вроде UL и NFPA классифицируют напряжения ниже 60 В как SELV, считая их безопасными для человеческого контакта с неэкранированным оборудованием. Системы, работающие выше 48В, требуют более робастных компонентов и инженерии для обеспечения адекватной изоляции и изоляции, что увеличивает общую стоимость и сложность.

Хотя 48В системы могут быть стоимостно-эффективными, более высоковольтные системы часто подразумевают большие начальные расходы из-за необходимости специализированных компонентов и кабелинга. Их дизайн имеет тенденцию быть более сложным, и реализация может быть более дорогой, так как специализированные части либо дороже, либо требуют более сложных производственных процессов.

Питание революции искусственного интеллекта

Доставка низколатентных ИИ-ответов требует существенной вычислительной мощности, что значительно увеличивает энергопотребление дата-центров. Для улучшения эффективности и снижения требований к охлаждению дата-центры переходят от 12В к 48В системам питания.

Инновации в дизайне блоков питания поддерживают этот сдвиг, с будущими разработками, направленными на повышение производительности и плотности блоков питания. Следовательно, дата-центры должны быть оснащены высокопроизводительными серверами, передовыми системами охлаждения и робастной энергетической инфраструктурой для эффективного управления нагрузкой.

Операторы дата-центров всё чаще принимают энергоэффективные технологии вроде жидкостного охлаждения, возобновляемых источников энергии и виртуализации серверов для снижения углеродного следа и операционных затрат.

Заключение

Сдвиг от 12В к 48В системам движится необходимостью улучшенной эффективности и сниженных требований к охлаждению. В промышленной автоматизации эти системы предлагают более высокую мощность и улучшенную безопасность по сравнению с низковольтными вариантами.

Компоненты вроде моторов, сенсоров и гейт-драйверов спроектированы специально для 48В систем, с фокусом на безопасность, выходную мощность, подвижность и экономию затрат. С широким спектром 48В продуктов, Allegro доставляет решения, позволяющие более высокую интеграцию, а также экономию пространства и энергии, позволяя вам сконцентрироваться на вашем приложении.

Рич Майрон — старший технический разработчик контента для DigiKey (Тиф Ривер Фоллс, MN). Для дополнительной информации посетите здесь.