Paano Pinapabuti ng mga DC-DC Converter ang Kawastuhan sa mga Sistema ng Kapangyarihan ng Robotics at Drone?

Bakit Mahalaga ang Bawat Bahagdan ng Isang Watt Kapag Nasa Hangin Ka Na

Naaalala ko pa ang pakiramdam ng pagsisipa habang pinapanood ko ang isang prototype na drone na nawawalan ng taas sa ibabaw ng isang coastal wetland. Dala nito ang isang multispectral camera para sa isang proyektong pang-monitoring ng kapaligiran, at bawat gramo ng kargada ay kinukwenta nang maingat. Sampung minuto na ang nakalipas sa paglipad nang biglang bumaba ang antas ng baterya nang mas mabilis kaysa sa hinuhulaan. Ang post-flight thermal scan ay nagpakita ng dahilan: isang linear voltage regulator sa pangunahing controller board ang tumatakbo sa higit sa 80 degree Celsius, na nagco-convert ng mahalagang enerhiya ng baterya sa init na walang ibang ginagawa kundi mainit ang plastic housing. Ang araw na iyon ay nagturo sa akin na sa isang lumilipad na robot, ang electrical efficiency ay hindi isang abstraktong specification. Ito ang pagkakaiba sa pagitan ng paglalapag na may data o paglalapag sa tubig. Ang mga power system ng robotics at drone ay nagpapakapal ng napakalaking functional density sa maliit at magaan na mga platform. Ang bawat watt na nabubulsa sa voltage conversion ay isang watt na hindi makakapagpaikot ng motor, hindi makakapagpatakbo ng lidar sensor, o hindi makakapadala ng video.

Ang Engine na Pagbabago na Nagpapareho ng Voltage ng Battery sa Bawat Load

Ang baterya ng drone ay maaaring nasa dalawampu't dalawang volts mula sa isang six-cell lithium pack, ngunit ang flight controller ay kailangan ng tatlong punto tatlong volts, ang camera module ay nangangailangan ng limang volts, at ang isang servo ay maaaring kailanganin ang hiwalay na labindalawang volt rail. Nang walang epektibong pagbabago ng voltage, ang mga pagkakaiba na ito ay nagiging malubhang problema sa init. Ang linear regulators ay binuburn off ang sobrang voltage bilang init, isang pamamaraan na maaaring magwaste ng apatnapu't porsyento hanggang animnapu't porsyento ng input power kapag malaki ang voltage gap. Ang DC-DC converters na batay sa switching topologies ay binabago ang equation. Sa pamamagitan ng paggamit ng isang transistor, isang inductor, at isang capacitor upang i-chop at i-smooth ang daloy ng enerhiya, ang modernong buck converters ay karaniwang nakakamit ng kahusayan na higit sa ninyenta at dalawang porsyento. Ang synchronous rectification, na pumapalit sa isang diode na may mataas na pagkawala ng enerhiya gamit ang isang low-resistance MOSFET, ay itinataas ang bilang na ito hanggang ninyenta at anim na porsyento sa ilang disenyo. Ang mga wide input range converter ay nagbibigay-daan din sa mga drone na sumunod sa likas na voltage sag ng isang nagde-discharge na baterya nang hindi nababawasan ang performance, panatilihin ang torque at control response na matatag hanggang sa huling usable watt ay ma-extract.

Pag-imbak ng Oras sa Paglipad sa Pamamagitan ng Pag-alis ng Init Imbes na Paglipat Nito

Ang mga pagtaas sa kahusayan sa pag-convert ng kuryente ay gumagawa ng higit pa kaysa sa pagbaba ng singil sa kuryente. Sa isang aerial platform, ang bawat watt na na-save sa conversion ay init na hindi na kailangang dissipated. Ang thermal management ay nagdaragdag ng timbang sa anyo ng heat sinks, mga pampadulas (fans), o mabibigat na aluminum enclosures. Madalas na ipinapakita ng mga application engineer mula sa mga tagagawa ng semiconductor ang trade-off na ito gamit ang isang simpleng energy budget: ang limang watt na na-save sa converter losses ay maaaring magresulta sa apat o limang karagdagang minuto ng hover time para sa isang karaniwang inspection quadcopter, na may tatlong kilogram na airframe at anim na amp hour na battery. Sa loob ng isang taon ng araw-araw na survey flights, ang solong desisyon sa disenyo na ito ay maaaring makatipid ng daan-daang oras ng charging cycles at magpahuli ng battery replacement ng ilang buwan. Ang matematika ay simple lamang. Ang mas mataas na kahusayan sa conversion ay binabawasan ang kinakailangang thermal mass at pinapahaba ang available energy patungo sa aktwal na mission payload.

Ang Malinis na Kapangyarihan bilang Pangunahing Batayan ng Katiwalian ng mga Sensor at Kontrol

Ang mga numero ng kahusayan lamang ay hindi sapat upang ipakita ang buong kuwento. Ang kalidad ng lakas na output na galing sa isang DC-DC converter ay direktang nakaaapekto sa katatagan ng bawat sensor at processor na nasa ibaba nito. Ang mga switching converter ay lumilikha ng ripple voltage at electromagnetic interference dahil sa kanilang likas na katangian. Kung walang tamang pag-filter, ang ingay na iyon ay kumukonekta sa mga sensitibong analog circuit. Maaaring mawala ang lock ng isang GPS receiver dahil sa mga conducted emissions na dumaan sa power rail. Maaaring mag-ulat ang isang inertial measurement unit ng mga pekeng acceleration na dulot ng ingay na nasa antas ng millivolt. Ang mga pamantayan tulad ng IEC 61000 ay nagtatakda ng mga limitasyon para sa conducted at radiated emissions, ngunit ang praktikal na interpretasyon nito para sa isang disenyo ng drone ay simple: mas malinis ang lakas, mas maaasahan ang data ng navigasyon. Ginagamit ng mga mataas na kalidad na DC-DC module ang spread spectrum modulation, integrated LC filters, at maingat na PCB layout upang bawasan ang ingay sa antas na nasa iisang digit na millivolt. Ang malinis na power train na ito ay nagpapahintulot sa robot na mag-isip nang malinaw habang ang mga motor at inverter nito ay gumagawa ng sariling matinding electrical noise.

Isang Aralin sa Disenyo na Natutunan Nang Ang Drone Ay Nawala

Dalawang taon na ang nakalipas mula nang simulan namin ang pagbuo ng mga awtonomong drone para sa pagsusuri, ngunit biglang humarang kami sa isang matinding problema sa pagkakatiwalaan. Sa halos isang bawat labindalawang paglipad, nawawala ang ‘fixed solution’ ng RTK GPS unit habang nasa misyon pa, kaya nababawasan ang katiyakan nito sa sentimetro—na siyang pangako namin sa aming mga kliyenteng nasa agrikultura. Sinuspetsa namin ang lahat, mula sa posisyon ng antena hanggang sa mga bug sa firmware. Sa wakas, sinukat namin ang power rail gamit ang oscilloscope at natagpuan namin ang mga periodic na spikes na halos walo-pung milivolt na galing sa isang buck module na binili namin mula sa isang mura at hindi kilalang supplier. Ang hindi nakabalot na inductor ng module ay direktang nagpapalaganap ng interference sa kable ng GPS antenna. Nang palitan namin ito ng isang ganap na nakabalot, mababang ingay na DC-DC converter na may metalikong balot at mas mahusay na regulasyon sa output, nawala agad ang problema. Hindi na namin nawala ang RTK fix mula noon. Ang karanasang iyon ang nagbago sa buong pilosopiya namin sa pagbili: ang power converter ay hindi isang karaniwang produkto; ito ay isang kritikal na bahagi na direktang tumutukoy sa pagkakatiwalaan ng sistema.

Bakit Ang Pagkakapareho Sa Paggawa Ang Nagpapalit Sa Isang Magandang Disenyo Upang Maging Isang Mahusay Na Produkto

Kapag lumilipat ang isang kumpanya ng robotics mula sa prototype patungo sa produksyon, kailangang magkatulad ang pagganap ng bawat DC-DC converter sa bawat board. Ang toleransya ng mga komponente, kalidad ng pag-solder, at pagsusuri sa antas ng batch ay naging di-nakikita na pundasyon ng reputasyon ng isang produkto. Ang isang converter na nagbibigay ng kahusayan na 95 porsyento sa engineering bench ngunit bumababa sa 89 porsyento sa isang random na yunit mula sa unang produksyon ay lumilikha ng panaginip na puno ng hindi pa napapaliwanag na mga pagkabigo sa field at mahal na mga pagbabalik. Dito naghihiwalay ang malalim na kakayahan sa pagmamanufaktura sa pagitan ng mga mapagkakatiwalaang kasosyo at mga transaksyonal na supplier. Ang Rcnun, isang eksperto sa mga power conversion module, ay isinasama ang disiplinang ito sa buong operasyon nito. Mula sa disenyo ng magnetics at PCB layout hanggang sa SMT assembly at awtomatikong full load burn-in testing, pinapanatili ng Rcnun ang pare-parehong pagganap sa libu-libong yunit. Para sa mga brand ng drone at robotics, ang pakikipagtulungan sa isang tagagawa tulad ng Rcnun ay nangangahulugan na ang kanilang power architecture ay nakakasukat mula sa laboratoryo hanggang sa field nang walang hindi inaasahang pangyayari, na nagpapanatili ng kahusayan, kagaanan, at handa para sa misyon ng bawat platform.