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Industrie 4.0

Mobile Roboter kabellos laden

24. Juli 2023, 13:30 Uhr | Von Pramit Nandy und Vijay Bapu, beide bei Microchip Technology

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Fortsetzung des Artikels von Teil 1

Aufbau einer optimierten Schaltung

Komponenten mit fester Funktion werden genutzt, um eine drahtlose Ladeschaltung zu optimieren, sodass die Herausforderungen in Hinblick auf die Implementierung einer sicheren, zuverlässigen und effizienten drahtlosen Stromversorgung bei hohen Leistungspegeln bewältigt werden können. Ein wichtiger Schritt besteht in der Optimierung der Sende- und Empfangsschaltungen, auf denen hochspezialisierte Algorithmen für die Kommunikation, die Energieregelung und die Fremdkörpererkennung (Foreign Object Detection, FOD) laufen. Diese Algorithmen sind das Resultat umfangreicher Forschungs- und Entwicklungsarbeit und mehrerer Patente.

Idealerweise erfolgt die Kommunikation beim drahtlosen Laden innerhalb des genutzten Frequenzbands, um die zusätzlichen Systemkosten für ein Out-of-Band-Kommunikationsverfahren zu vermeiden.

Es empfehlen sich Energieübertragungsfrequenzen im Bereich von etwa 100 kHz. Die Leistungsregelung sollte mit variabler Frequenz und variablem PWM-Tastverhältnis erfolgen, die den Vollbrückenwechselrichter im Sender ansteuert. Bei hohen Leistungspegeln wird FOD kritisch. In dieser Methode wird die Leistungsübertragung kurzzeitig für einige Mikrosekunden unterbrochen und die Spulenspannung gemessen. Das Vorhandensein (oder die Abwesenheit) eines Fremdkörpers lässt sich durch Berechnung der Flankensteilheit der Spulenspannung bei ausgeschalteten Ausgangs-FETs ermitteln.

Alle Komponenten einschließlich Controller, FETs, Regler und Spulen müssen so ausgewählt werden, dass ihre Kosten in das Budget des Gesamtsystems passen, das womöglich hochwertige Metallkontakte für die Zuverlässigkeit in einer feuchten oder staubigen Umgebung umfassen muss. Der Wirkungsgrad der Ladeschaltung hängt sowohl vom Leistungssteuerungsschema als auch vom Spulendesign ab. Beispielhaft sei hier die WP300 von Microchip genannt, deren Design einen Wirkungsgrad von über 90 Prozent bei Lasten über 100 W erreicht. Diesen Wirkungsgrad misst man vom DC-Eingang des Senders bis zum geregelten DC-Ausgang des Empfängers. Die WP300 lässt sich mit einer Eingangsspannung von 12 bis 36 V DC betreiben und auf der Empfängerseite auf einen ähnlichen Spannungsbereich regeln.

Das PCB-Layout, die Platzierung der Komponenten und der PCB-Aufbau in der WP300-Referenzschaltung wurden für höchste Leistung optimiert. Die Leiterplatte ist so ausgelegt, dass der Digitalteil, der Analogteil und der Leistungsteil isoliert sind, um die Rauschkopplung zu minimieren.

Auch EMI lässt sich durch geeignete Steuermethoden im Sender und den optimalen Einsatz von Entkopplungskondensatoren zur Verringerung des Schaltrauschens sowie durch eine Reduzierung der Schaltfrequenz abmildern. Entkopplungskondensatoren verringern die Kopplung des Schaltrauschens, erhöhen aber die Verluste, was zu erhöhter Wärmeabgabe und Wirkungsgradverlusten führt. Diese Abwägungen sind für die Optimierung des Entwurfs von entscheidender Bedeutung.

Die Spulenparameter lassen sich während der Montage auf der Fertigungsstraße kalibrieren. Der Vorteil dieser Methode besteht darin, dass man die Spulenkalibrierungsdaten während des Produkttests in den WP300TX-IC schreiben kann. Dies ermöglicht einen konsistenten Betrieb über alle Produkte hinweg und eine zuverlässige Leistung. Um ein 1:1-Pairing zwischen Sender und Empfänger zu erreichen, kann man eine sichere In-Band-Kommunikation integrieren; dies gewährleistet, dass nur vom Sender authentifizierte Empfängergeräte mit Strom versorgt werden. Bild 4 und Bild 5 zeigen die Blockdiagramme eines 300-W-Sender-Controllers und eines 300-W-Empfänger-Controllers, die für die Bereitstellung dieser Funktionen optimiert worden sind.

Systementwickler sollten mit einem Anbieter zusammenarbeiten, der detaillierte Richtlinien für den Einsatz seiner drahtlosen Ladeschaltungen bereitstellt, einschließlich Komponentenauswahl, Spulendesign und Platinen-Layout. Anbieter sollten auch eine Schritt-für-Schritt-Anleitung zur Verfügung stellen, um eine reibungslose Herstellung des Endprodukts zu gewährleisten. Dieser Ansatz hilft Entwicklern, Zeit zu sparen, Risiken zu minimieren und das Design ihrer kabellosen Ladegeräte zu vereinfachen, sodass sie die Vorteile der elektromagnetischen Induktionstechnologie voll ausschöpfen können und zugleich ihre Produktivität steigern, die Herstellungskosten senken und die Sicherheit verbessern.