面向移動機器人的無線充電技術實現(xiàn)工業(yè)4.0

制造業(yè)已經(jīng)發(fā)展了200多年。工業(yè)4.0是第四次工業(yè)革命，其重點在于互聯(lián)互通、自動化、機器學習和實時數(shù)據(jù)處理。隨著各種制造業(yè)都在向工業(yè)4.0邁進，為了保持競爭力并降低制造成本，制造商正致力于為工廠投入更多的設備，同時削減員工數(shù)量。 

圖1.制造業(yè)的發(fā)展

制造商正致力于在其工廠（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(yè)工廠來說是一個日益嚴峻的挑戰(zhàn)。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，從而提高了工廠的制造能力和效率。隨著組件選擇、線圈設計和電路板布局的正確結合，無線充電技術正日益成為制造業(yè)的變革者，并且正在影響整個經(jīng)濟。

無線充電的工作原理

最新的無線充電解決方案采用了基于電磁感應原理的技術。當交流電通過發(fā)送器側的感應線圈時，會產(chǎn)生振蕩磁場。當此振蕩磁場與接收器側的感應線圈耦合時，接收器側線圈會產(chǎn)生交流電（見圖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(chǎn)生交流電

無線充電系統(tǒng)需要許多組件，包括發(fā)送器線圈、調諧電容、線圈驅動器和接收器線圈。其他組件還包括二極管整流器、直流-直流轉換器、發(fā)送器和接收器控制電路及算法，以及電池充電電路。

在下面給出的示例中，無線充電系統(tǒng)借助電磁感應，能夠將電能從安裝在工廠車間的充電源墊傳輸?shù)桨惭b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

工廠車間無線充電的優(yōu)勢

出于多種原因考量，采用更高效率和成本優(yōu)化組件的現(xiàn)代無線充電系統(tǒng)經(jīng)過驗證，已成為工廠設置的變革者。首先，它可通過多種方式提高生產(chǎn)力并降低制造成本。它可通過機會充電（即利用空閑時間充電）實現(xiàn)連續(xù)操作，并減少投資，因為機器人支持多種用途，從而用于不同的操作。此外，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，從而實現(xiàn)完全非接觸式解決方案。

其次，這類充電系統(tǒng)還提高了安全性。它們消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的風險。其他安全優(yōu)勢包括：這些解決方案能夠可靠地檢測發(fā)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松實現(xiàn)安全驗證，從而避免未經(jīng)授權的訪問，并且充電期間的數(shù)據(jù)傳輸可用于預測性維護以防止停機。其他優(yōu)勢包括：與有線充電系統(tǒng)相比，無線充電系統(tǒng)在工廠車間的維護和清潔要容易得多。這是完全自動化工廠的重要貢獻者，可最大限度地減少人為干預，并可防止員工間傳播傳染?。ㄈ?/span>COVID-19），從而有助于營造更安全的環(huán)境。

克服無線充電實現(xiàn)挑戰(zhàn)

考慮到無線充電技術的優(yōu)勢，在潛力工廠設置中采用這項技術將制造業(yè)提升到一個新的水平，并解決困難的生產(chǎn)挑戰(zhàn)。然而，無線充電也存在一些挑戰(zhàn)。這些挑戰(zhàn)包括：與傳統(tǒng)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(fā)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成本管理和組件選擇尤其重要。

在無線電源發(fā)送器中，大功率無線電源系統(tǒng)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(tǒng)中的PCB布局、組件布局和布線會影響效率、EMI性能和散熱，進而影響系統(tǒng)性能和可靠性。由于線圈存在制造可變性，線圈參數(shù)變化也會帶來挑戰(zhàn)。線圈之間的變化可能導致產(chǎn)品之間存在差異，從而導致行為不一致和現(xiàn)場性能不可靠。

雖然通用器件可用于構建無線充電解決方案，但其性能無法達到與固定功能替代品相同的水平。根據(jù)組件選擇和電路板布局決策，解決方案的成本和效率也會有所不同?？梢岳迷S多方法來優(yōu)化目前的無線充電解決方案。

構建優(yōu)化的解決方案

固定功能器件用于優(yōu)化無線充電解決方案，這樣便能應對在高功率水平下實現(xiàn)安全、可靠、高效的無線電源這一挑戰(zhàn)。優(yōu)化此解決方案的發(fā)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(yè)化的通信、功率控制和異物檢測（FOD）算法。這些算法基于大量的研發(fā)和多項授權專利。

理想情況下，無線充電解決方案中應采用帶內通信，這有助于消除帶外通信方案所增加的系統(tǒng)成本。尋找約100 kHz范圍內的電力傳輸頻率。應使用驅動發(fā)送器中全橋逆變器的PWM的可變頻率和可變占空比控制來執(zhí)行功率控制。在高功率水平下，FOD變得至關重要。采用這種方法時，電力傳輸會短暫停止幾微秒，并使用解決方案的高性能外設和內核測量線圈電壓。當輸出FET關閉時，可通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組件（包括控制器、FET、穩(wěn)壓器和線圈）時，必須使成本符合總系統(tǒng)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(huán)境中的可靠性。解決方案的效率取決于功率控制方案和最佳線圈設計。一個示例是Microchip的WP300解決方案，其設計在超過100W的負載下可實現(xiàn)超過90%的效率。此效率是從發(fā)送器的直流輸入到接收器的穩(wěn)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，并且可以在接收器側調節(jié)到類似的電壓范圍。

在基于WP300的參考解決方案中，PCB布局、組件布局和PCB層疊已經(jīng)過優(yōu)化，可實現(xiàn)最佳性能。在設計PCB時，已確保數(shù)字部分、模擬部分和電源部分彼此隔離，這樣便可最大限度地減少噪聲耦合。

除了降低開關頻率外，還可在發(fā)送器中使用適當?shù)目刂品椒ê蛢?yōu)化使用去耦電容來降低開關噪聲，進而減輕EMI問題。去耦電容可降低開關噪聲耦合，但會增加損耗，從而導致熱耗散增加和效率損失。為優(yōu)化設計，這些權衡的評估至關重要。

線圈參數(shù)可在生產(chǎn)線上組裝時進行校準。這種解決方案的優(yōu)勢在于，可在產(chǎn)品測試期間將線圈校準數(shù)據(jù)寫入WP300TX IC，從而實現(xiàn)整個產(chǎn)品的一致操作和可靠性能。最后，為在發(fā)送器和接收器之間創(chuàng)建1:1配對，可在帶內包含安全通信，以確保只有經(jīng)過發(fā)送器驗證的接收器才能獲得供電。圖4包含經(jīng)優(yōu)化可提供這些功能的300W發(fā)送器控制器和300W接收器控制器的框圖。

圖4.已針對無線充電進行優(yōu)化的發(fā)送器和接收器電路框圖

系統(tǒng)開發(fā)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，具體包括組件選擇、線圈設計和電路板布局的指南。供應商還應提供分步指導，以確保最終產(chǎn)品能夠無縫執(zhí)行。借助這種方法，開發(fā)人員可節(jié)省時間、降低風險并簡化其無線充電器設計，從而充分履行電磁感應技術的承諾，同時提高生產(chǎn)力、降低制造成本并提高安全性。