Automazione industriale

Sistemi robotici industriali: come soddisfare le esigenze di potenza delle architetture

Alla richiesta di elevata densità di potenza dei robot industriali e collaborativi si può rispondere con gli azionamenti motore integrati, che consentono di risparmiare spazio ed eliminare la necessità di posare lunghi cavi tra l’armadio del robot e il manipolatore che collega il motore e l’azionamento.

07 Gen 2022

Giovanni Campanella

General Manager - Building Automation, Appliances, Retail Automation – Texas Istruments

Non è un segreto che i robot industriali e collaborativi richiedano un’elevata densità di potenza con eccellenti prestazioni termiche. Poiché i sistemi robotici si stanno spostando da un’architettura centralizzata a un’architettura decentralizzata, questi sistemi richiedono circuiti integrati molto efficienti e di piccole dimensioni affinché un azionamento motore possa stare all’interno del braccio del robot.

Gli azionamenti motore integrati consentono di risparmiare spazio, in quanto l’azionamento e il motore sono alloggiati come un’unica unità. Inoltre, l’integrazione elimina la necessità di posare cavi lunghi e costosi tra l’armadio del robot e il manipolatore che collega il motore e l’azionamento.

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I cavi non sono soltanto costosi, ma richiedono anche una manutenzione periodica, soprattutto nei sistemi multiasse dove i robot sono in continuo movimento. Le questioni legate al cablaggio comportano anche la risoluzione di problemi, che può richiedere molto tempo e causare una perdita di produttività. L’integrazione dell’azionamento con il motore riduce il numero di cavi e permette di risparmiare spazio.

Sebbene siano molteplici i vantaggi per l’integrazione dell’azionamento con i motori, la progettazione degli aspetti termici pone notevoli sfide: i componenti dell’azionamento sono esposti a temperature ambiente più elevate e il raffreddamento è limitato, il che rende più difficile fornire la potenza nominale a tali temperature. Questa condizione pone un severo limite alle perdite interne all’inverter dell’azionamento e richiede quindi un azionamento ad alta efficienza.

I vantaggi dell’aumento della densità di potenza nei progetti di automazione industriale

Due tipi di unità possono contribuire ad affrontare le sfide descritte. La prima opzione consiste nell’utilizzare inverter convenzionali basati su transistor bipolari a gate isolato (IGBT), sebbene non sia possibile integrarli facilmente con il motore date le elevate perdite negli IGBT causate dal recupero inverso nel diodo. Le perdite di commutazione si traducono inoltre nella necessità di un dissipatore di calore più grande o di un raffreddamento a liquido, che non consentono l’integrazione con il motore.

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La seconda (e migliore) opzione consiste nell’utilizzare transistor a effetto di campo (FET) al nitruro di gallio (GaN). La famiglia di FET al GaN di TI con driver del gate integrati e dispositivi di alimentazione GaN offre una soluzione efficiente con affidabilità a vita e vantaggi in termini di costi. I transistor al GaN offrono una commutazione molto più veloce rispetto ai transistor metallo-ossido-semiconduttore a effetto di campo (MOSFET) in silicio e hanno il potenziale per ridurre le perdite di commutazione che si traducono in una minore dissipazione del calore. I transistor al GaN riducono anche i costi e le dimensioni del sistema per elementi come dissipatori di calore, ventole e relativi gruppi, soprattutto in condizioni di spazio limitato (come nel braccio di un robot).

L’aggiunta di un dispositivo di alimentazione al GaN può presentare delle sfide in termini di integrazione: tuttavia, è possibile semplificare questo aspetto optando per un prodotto che combini un FET al GaN con un driver del gate integrato in silicio e funzioni di protezione.

I controller del robot includono anche un numero flessibile di moduli analogici di ingresso/uscita con percorsi di alimentazione e segnale isolati. A mano a mano che il numero di canali aumenta e i package diventano più piccoli, le topologie di commutazione isolate esistenti devono migliorare.

Il regolatore flyback

L’aggiunta della rettificazione sincrona può portare a una maggiore efficienza anche in progetti consolidati come il regolatore flyback. È possibile ottenere efficienze ben superiori al 90%, ma la rettificazione sincrona aggiunge complessità e costi a un classico progetto flyback, in quanto richiede generalmente un controller raddrizzatore sincrono sul lato secondario del trasformatore e un feedback da fotoaccoppiatore al controller flyback sul lato primario.

In questi casi, un convertitore flyback potrebbe essere la soluzione, in quanto utilizza la regolazione del lato primario e non richiede un fotoaccoppiatore o un avvolgimento del trasformatore ausiliario per fornire il feedback.

Conclusioni

Tenere conto degli aspetti legati all’alimentazione nella progettazione delle applicazioni di automazione industriale è una questione complessa. A seconda dell’applicazione, i prodotti devono funzionare con successo in ambienti industriali affollati, entrare negli spazi disponibili, soddisfare i requisiti EMI e fornire protezione sia alle persone che alle macchine.

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Giovanni Campanella
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