Оглавление
Обрабатывающая промышленность развивается уже более 200 лет. Термин «Индустрия 4.0» описывает четвертую промышленную революцию, уделяя особое внимание взаимосвязи, автоматизации, машинному обучению и обработке данных в реальном времени. По мере того, как различные отрасли обрабатывающей промышленности переходят к Индустрии 4.0, чтобы оставаться конкурентоспособными и снижать производственные затраты, производители устанавливают на заводы все больше робототехнического оборудования, сокращая численность персонала.
На заводах и складах, где выполняется большая часть работ, связанных со строительством, сборкой и транспортировкой материалов, производители вкладывают значительные средства в передовую мобильную робототехнику. Но этих роботов необходимо регулярно заряжать, что является заметной проблемой. Усовершенствования, которые в настоящее время внедряются в секторе беспроводной зарядки, обеспечивают большую гибкость, увеличивая производственную мощность завода. Благодаря тщательному подбору компонентов и соответствующей конструкции катушек и топологии печатных плат, беспроводная зарядка становится революцией в обрабатывающей промышленности и оказывает влияние на всю экономику.
Как работает беспроводная зарядка
В новейших системах беспроводной зарядки используются методы, основанные на электромагнитной индукции. При протекании переменного тока через индукционную катушку передатчика создается колеблющееся магнитное поле, которое при соединении в свою очередь вызывает протекание переменного тока в приемной катушке.
Для устройств беспроводной зарядки требуется множество компонентов, включая катушку передатчика, настроечные конденсаторы, схему возбуждения и катушку приемника. Другие необходимые детали включают диодные выпрямители, преобразователи постоянного тока в постоянный, микросхемы управления передатчиком и приемником, а также схему зарядки аккумулятора. В примере, показанном ниже, электромагнитная индукция позволяет передавать энергию от зарядной площадки, установленной в заводском цехе, на приемную площадку, установленную в мобильном роботе.
Преимущества системы беспроводной зарядки на заводах
Современные системы беспроводной зарядки повышенной эффективности, основанные на экономичных компонентах, оказались революцией на промышленных объектах по многим причинам.
- Во-первых, они позволяют повысить производительность и снизить затраты на производство. Они обеспечивают непрерывную работу с периодической подзарядкой (используют время простоя робота для его подзарядки) и снижают инвестиционные затраты за счет того, что многофункциональные роботы могут использоваться для различных операций. Они также сокращают вмешательство человека, поскольку процесс зарядки можно автоматизировать, и снижают затраты на техническое обслуживание за счет исключения разъемов и кабелей.
- Во-вторых, подобные системы зарядки повышают уровень безопасности. Они исключают риск возникновения искр, вызванных короткими замыканиями из-за грязи и влаги. Надежно обнаруживают кусочки металла и другие инородные тела между катушками передатчика и приемника. Кроме того, можно легко реализовать безопасную аутентификацию между зарядным устройством и роботом, чтобы снизить риск несанкционированного доступа, а передачу данных во время зарядки можно использовать для профилактического обслуживания, чтобы предотвратить незапланированные простои.
Другие преимущества включают гораздо более простое обслуживание и очистку систем беспроводной зарядки в производственном цехе по сравнению с проводными системами зарядки.
Проблемы при внедрении беспроводной зарядки
Устройства беспроводной зарядки могут вывести обрабатывающую промышленность на новый уровень и решить сложные производственные задачи. Правда есть и некоторые неудобства. К ним относятся большие инвестиции во внедрение инфраструктуры беспроводной зарядки по сравнению с традиционной проводной и более низкая эффективность, что вызывает обеспокоенность по поводу уровня создаваемых электромагнитных помех. Кроме того, есть проблемы безопасности, связанные с перегревом, если между катушками передатчика и приемника обнаружены посторонние предметы.
В мощном беспроводном передатчике возникают большие напряжения и токи, а переключение происходит на высокой частоте. Конструкция печатной платы и соответствующее расположение компонентов влияют на эффективность, уровень генерируемых электромагнитных помех и рассеивание тепла, что, в свою очередь, влияет на качество и надежность схемы. Изменения в параметрах изготовления катушек могут стать проблемой, вызывая различия в продуктах и, как следствие, нестабильное поведение и ненадежную работу в полевых условиях.
Хотя для реализации системы беспроводной зарядки можно использовать компоненты общего назначения, они не обеспечат параметры, сравнимые со специализированными системами. В зависимости от выбора компонентов и конструкции платы отдельные решения могут различаться по стоимости и энергоэффективности. Но существует множество методов оптимизации систем беспроводной зарядки.
Проектирование оптимальной системы зарядки
Специализированные системы используются для оптимизации схем беспроводной зарядки для решения задач безопасности, надежности и высокой энергоэффективности. Здесь важна оптимизация передатчика и приемника, которые поддерживают алгоритмы связи, управления мощностью и обнаружения посторонних объектов (FOD).
В идеале связь в беспроводной зарядке должна осуществляться в пределах используемой полосы пропускания, что исключает дополнительные затраты, возникающие из-за схем внеполосной связи. Лучше всего принять частоту передачи энергии примерно 100 кГц. Управление мощностью должно осуществляться с использованием ШИМ-сигнала переменной частоты и регулируемого рабочего цикла, управляющего инвертором с мостовым выходом. В диапазоне высоких мощностей решающее значение приобретает обнаружение посторонних предметов (FOD). В этом методе передача мощности приостанавливается на несколько микросекунд, пока измеряется напряжение катушки. Наличие постороннего предмета можно обнаружить, рассчитав крутизну напряжения катушки при выключенных выходных полевых транзисторах.
Все компоненты, включая драйвер, полевые транзисторы, регуляторы и катушки индуктивности, должны быть рассчитаны по стоимости в пределах общего бюджета схемы, что может потребовать включения высококачественных металлических контактов для обеспечения надежности в средах с высокой пылью или высокой влажностью.
Энергоэффективность зависит от схемы управления мощностью и оптимальной конструкции катушки. Например, эталонный проект может обеспечить эффективность более 90% при выходной мощности, превышающей 100 Вт. КПД измеряется от входа постоянного тока передатчика до регулируемого выхода постоянного тока приемника. Схема работает в диапазоне входного напряжения от 12 до 36 В постоянного тока и генерирует аналогичное напряжение на выходе приемника.
Конструкция печатной платы и расположение компонентов должны быть оптимизированы для обеспечения максимально возможной производительности. Цифровая, аналоговая и силовая части изолированы, чтобы минимизировать передачу шума. Уровень генерируемых электромагнитных помех ограничивается методами управления, используемыми в передатчике, и использованием развязывающих конденсаторов. Однако эти конденсаторы также увеличивают потери, что приводит к увеличению тепловыделения и снижению эффективности. Поэтому оптимизация конструкции требует компромиссов.
Параметры катушки можно калибровать во время сборки на производственной линии, а данные калибровки сохраняются в микросхему во время тестирования. Это обеспечивает идентичную работу всех изделий и высокую надежность. При сопряжении передатчика и приемника можно включить безопасную внутриполосную связь, чтобы обеспечить питание только приемных устройств, аутентифицированных передатчиком.
В общем тема достаточно сложная и много чего ещё нужно инженерам решать, хотя перспективы тут очевидны.
