ロボットの直流バス電圧は、特定の電力を運ぶ電流の量を決定しますが、モーターの回転数マージン、駆動定格、回生過電圧、絶縁、コネクター、保護およびサービス手順も設定します。設計変数は24Vや48Vの名前だけでなく、電圧範囲です。
放電終了時および負荷降下時の最小電圧、通常動作範囲、最大充電電圧、そして最大の再生または故障過渡時を定義します。すべてのモータードライブ、コンバータ、コンデンサ、コネクタ、計測回路は、その範囲内の適切な範囲で安全に動作しなければ、故障しなければなりません。
このガイドは ヒューマノイドパワーアーキテクチャガイド や モーターサイズガイドと一緒に使ってください。最終システムの承認は、資格を持つ電気技術者および安全技術者に依頼してください。
出力、電流、動作範囲からスタート
理想的な直流リンクの場合、電流は電力を電圧で割った値に等しいです。より高い電圧は同じ電力でも電流を減らし、導体損失やコネクタの負荷を軽減できます。実際のシステムには、駆動、モーター、コンバータの損失に加え、過渡的および同時的な負荷が含まれます。
テキサス・インスツルメンツのロボットモータードライブブリーフは、効率的なロボット駆動のための設計上の考慮点を示しています。現在のコンポーネントデータを活用し、名目上のエコシステムが自動的にバスの範囲に適合すると仮定しないでください。
最小、公称、最大電圧を書きます
バッテリーの場合、最小値はセル数、放電カットオフ、温度、経年劣化、負荷低下によって異なります。最大値は満充電、充電器の許容範囲、再生によって決まります。テザー電源の場合、ラインとコンバータの許容差は依然としてレンジと過渡的な挙動を生み出します。
これらの値を一つのパワー仕様にまとめます。どの機能が最低電圧で動作しなければならず、どの機能が減衰し、どの保護が最大で作用するかを明記します。公称電圧と未公開の割合からコンデンサやドライブを選ぶのは避けてください。
| バスターミナル | 主な原因 | 設計に関する質問 | 証拠 |
|---|---|---|---|
| 最低限 | 放電および荷重の沈み | 必要なトルク速度は維持できますか? | 負荷電圧トレース |
| 名目上の | 正規ソース状態 | 電流と効率の結果はどうでしょうか? | デューティサイクルモデル |
| チャージ最大限 | セルと充電器の制限 | すべての部品がそれを許容しますか? | 充電器仕様 |
| 再生最大 | 制動エネルギー | どこにエネルギーが吸収されるのでしょうか? | 減速試験 |
| 故障過渡現象 | インダクタンスと中断 | 保護クランプは安全でしょうか? | 一時捕獲 |
連続および同時ピークバス電流の計算
連続荷重と効率およびデューティサイクル係数を合計し、どの軸が同時にピークを迎えるかをモデル化します。位相電流は直流バス電流と同一ではありません。PWM動作に適した駆動モデルや測定データを使用してください。計算、センサー、ブレーキ、補助コンバータを含めましょう。
通常の最悪のタスク、復旧、故障シナリオを構築しましょう。すべての独立カタログピークを加算する設計は不必要に大きくなる可能性があり、一方で楽的多様性係数は協調運動中にバスをトリップさせることがあります。ロボットの軌跡から偶然を正当化する。
アンパシティ、ドロップ、フレックス寿命のための配線サイズ
導体サイズは温度、許容電圧降下、束縛、環境、絶縁、故障電流の要件を満たす必要があります。ロボットケーブルも繰り返し曲がったりねじったりします。ストランド設計、ルーティング半径、コネクターのひずみリリーフは、定常アンパシティ前の寿命を制御できます。
往復降下を計算し、熱浸透後のピーク荷重で測定します。静電容量と局所変換を意図的に分散させてください。バス電圧が高いと電流が減少することがありますが、絶縁性、機械的耐久性、保護の調整を確認せずに小さなケーブルを許可しません。
逆起電力に対するモーター速度の接近
モーターの逆動電動力は速度とともに増加します。ドライブは巻線抵抗、インダクタンス、制御マージンのために追加電圧を必要とします。PWM変調とバスのサグは利用可能な位相電圧を減少させるため、公称バス電圧をモーター速度能力と直接同一視することはできません。
プロットには最低バス電圧と最悪巻線温度でのトルク速度点が必要でした。選択したモーターの巻線や比率により多くの電圧が必要な場合は、短いオーバーシュートに頼るのではなく、巻線、ギア比、速度プロファイル、バスアーキテクチャを変更してください。
| オプション | 典型的な利点 | プライマリートレードオフ | 検証しなければなりません |
|---|---|---|---|
| 24 Vクラス | 広範囲低出力補助 | 大出力での高電流 | ドロップおよびコネクター加熱 |
| 48 Vクラス | 共通のロボットエコシステムによる低電流 | 高次コンポーネントおよびサービス境界 | フルチャージと回生最大 |
| より高い電圧 | さらなる電流削減と速度マージン | 断熱、保護、アクセス | 適用される電圧分類 |
| 分割バス | ノイズのある負荷や敏感な負荷を分離します | コンバーターと故障経路の増加 | 接地と故障伝播 |
| ローカルコンバージョン | 短い低電圧経路 | 分散熱と制御 | 起動およびシャットダウンシーケンス |
電力と降下が管理可能な24Vを使います
24Vクラスバスは、多くの産業用制御装置、センサー、ブレーキとの統合を簡素化できます。小型軸や短いケーブルの場合、電流や損失は妥当なままのままになることがあります。総電力が増加すると、電流、銅、コネクタ、電圧降下が急速に増加します。
慣れているだけで24Vを選ばないでください。ロボットのピークと連続計算、低バッテリー電圧を含むすべての計算を実行してください。高速モーターの電圧と駆動電流が同じ動作ポイントで利用可能なか確認してください。
48Vはデフォルトではなく、設計上のトレードオフとして扱う
48Vクラスアーキテクチャは、移動ロボットの大規模なコンポーネントエコシステムを維持しつつ、電流を削減することが多いです。バッテリーのフル充電電圧は48Vを大きく超えるため、すべての部品は実際の最大値や過渡現象に対して定格されなければなりません。
コネクターのタッチ保護、プリチャージ、必要に応じて隔離監視、切断装置、サービストレーニングの評価を行います。システムの規制および安全分類はラベルだけでなく、環境や規格によって異なる場合があります。
電圧が高いときにシステムの境界が変わることを認識する
大型ロボットや高速軸は高い直流電圧の恩恵を受けるかもしれませんが、絶縁の調整、クリアランス、クリーピング、放電時間、囲い、インターロック、そして資格のあるサービスはより要求が高まります。故障エネルギーとアーク挙動には明示的な解析が必要です。
電圧はアーキテクチャとライフサイクルのレビュー後に選んでください。現在の推定値が低いだけでは十分な正当化にはなりません。通常の使用、充電、輸送、保守、損傷状態に関する電気および機械要件を文書化してください。
回生ブレーキエネルギーの管理
減速や重力補助運動中、ドライブはバスにエネルギーを戻すことができます。バッテリーは充電制限によってエネルギーを吸収することがありますが、電源は吸収しない場合があります。バスの容量、ブレーキ抵抗器、アクティブフロントエンド、または動作調整が過電圧を制限します。
最悪の同時ブレーキのエネルギーと出力を計算し、高充電状態と最小負荷でテストします。ピーク電圧と保護シーケンスを記録します。トルクを急激に奪うオーバーボルテージトリップは二次的な機械的危険を引き起こす可能性があります。
故障を隠さずにメインレールと補助レールを分離
必要な電圧や騒音耐性がメインドライブバスと異なる場合は、計算、センシング、通信、ブレーキにDC/DCコンバータを使用してください。接地、絶縁、起動、シャットダウン、逆エネルギー挙動を定義してください。共有コンバータは単一障害点になることがあります。
テストドライブのスイッチングノイズ、コンバーター故障、ブラウンアウトを試してください。どの補助機能が停止、ログ、通信のために十分長く生き続けるべきかを決定します。サイズの滞留や放電は、偶発的な静電容量に依存するのではなく意図的に行うべきです。
コンポーネントの定格と保護を調整する
半導体、コンデンサ、ヒューズ、コンタクタ、コネクタ、電流センサー、PCBを連続電圧、過渡電圧、電流、温度、故障エネルギーに対して点検してください。保護デバイスは、目的のあるデバイスが最初に開くように、割り込み容量と調整が必要です。
TIモバイルロボットアプリケーションの概要はサブシステムの境界を特定するのに役立ちますが、選ばれた部品や保護は実際のアーキテクチャや標準に適合して検証する必要があります。
デューティサイクル試験と故障試験で選択を締めくくります
計器の電源電圧、分岐電流、バス電流、駆動限界、モーター速度、温度、回生ピークを代表的なタスクで表現します。低電源電圧、満充電、緊急減速、軸の故障、コネクタのドロップ、コンバータ再起動のテスト。
計算、コンポーネントのリビジョン、ファームウェアの制限や結果を保存します。リリースチェックリストを使いましょう。
- 最低電圧、ノーマル電圧、充電電圧、再生電圧を指定してください。
- 連続的かつ同時的なピーク電力をモデル化します。
- 配線のドロップ、フレックス寿命、コネクタの温度を閉じます。
- 最低バス電圧でのトルク速度マージンを確認してください。
- 再生、故障、放電、サービス制御のテスト。
よくある質問
48Vのロボットは24Vのロボットよりも常に効率的ですか？
いいえ。電流が低くなると導体損失は減少できますが、コンバータ、ドライブ、モーター、デューティサイクル、アーキテクチャが総合効率を決定します。
48Vモーターには正確に48Vバスが必要ですか？
いいえ。モーターおよび駆動能力は、全動作範囲、巻線、速度、PWMマージン、供給者制限に依存します。
高電圧でも細いケーブルを使えるのでしょうか？
いいえ。アンパシティ、電圧降下、絶縁、フレックス寿命、故障電流、保護がケーブル選択を決定します。
回生電圧の余裕はどれくらい必要ですか？
最悪の発生源、電荷状態、制動エネルギー、吸収経路を計算・測定します。すべてのシステムに当てはまる普遍的なパーセンテージは存在しません。
低電圧はバッテリーの安全性の懸念を解消しますか？
いいえ。蓄電池、短絡電流、化学物質、充電、熱伝播、サービスリスクは依然として存在します。
電力電子およびサービス安全境界
DCバス設計は、比較的低い公称電圧でも有害エネルギーを露出させる可能性があります。最新のサプライヤーデータ、関連規格、認定された電気・安全審査を適用してください。