Ingeniería de accionamientos de motores para Cobot: fiabilidad y eficiencia
Los robots industriales han llevado la automatización programable a las plantas de manufactura y a las áreas de almacenamiento, clasificación y embalaje, a medida que las empresas tratan de aumentar su productividad y reducir los gastos generales de operación.
Más recientemente, los robots colaborativos (cobots) han llegado y han creado un nuevo mundo de oportunidades de aplicación. Diseñados para trabajar de forma segura junto a los humanos, aportando la capacidad única de actuar como colaboradores que contribuyen a los procesos que deben completarse para lograr los resultados.
Esta imagen amigable del robot como compañero de trabajo -en contraste con los superhumanos inabordables y aprisionados utilizados para trabajos peligrosos como levantar objetos pesados, soldar y pintar en aerosol – fomenta la adopción de cobots en una gama más amplia de tareas. Plantea la apasionante perspectiva de combinar cualidades humanas como la destreza natural y la agudeza visual, combinadas con la velocidad, repetibilidad y fuerza superiores del robot.
También se supone que los cobots tienen una ventaja mayor en confiabilidad que los humanos, ya que no tienden a enfermarse, llegar tarde o perder la concentración mientras trabajan. Tan importante como en desempeño, eficiencia y seguridad, la confiabilidad necesita ser diseñada para garantizar que el cobot proporcionará al empresario el retorno de la inversión (ROI) esperado.
Requerimientos de diseño para el controlador del motor
Figura 1. Subsistemas de alimentación, comunicación, detección y conducción del cobot.
La figura 1 describe la arquitectura eléctrica subyacente de un típico cobot industrial. Los motores y el circuito del controlador del motor que mueven cada una de las articulaciones del cobot deben ser capaces de soportar las cargas y movimientos necesarios sin forzarse ni sobrecalentarse. Los motores que ofrecen una elevada relación par-peso y de dimensiones pequeñas en relación con las demandas de cada articulación suelen ser los preferidos para permitir un diseño de robot ligero y compacto que pueda ser seguro y que se desenvuelva fácilmente alrededor de las personas.
Sin embargo, estos requisitos exigen mucho a los circuitos del controlador del motor, donde se encuentra la electrónica de potencia. El tamaño del módulo debe ser lo más pequeño posible, de acuerdo con los objetivos de tamaño y peso ligero. Las restricciones de tamaño limitan el rendimiento térmico, lo que aumenta el estrés sobre los componentes semiconductores de potencia. Los arranques y paradas frecuentes, así como las paradas de emergencia cuando los sensores de seguridad detectan la proximidad de un compañero humano, generan calor dentro de los semiconductores de potencia que debe disiparse para preservar el dispositivo.
Las aplicaciones de cobot típicamente suelen funcionar con una tensión en el bus inferior a 60 V, lo que significa que la etapa de potencia del controlador del motor está accionada por MOSFET en una topología de inversor trifásico. La alta eficiencia energética es sin duda una consideración importante en los mercados actuales, por lo que los MOSFET con baja resistencia son deseables. Por otra parte, la alta disponibilidad y el tiempo de funcionamiento son requisitos críticos que repercuten directamente en la productividad y el retorno de la inversión, por lo que es importante elegir dispositivos diseñados con alta robustez y fiabilidad.
Al accionar motores de alta potencia, los MOSFET son vulnerables a fallos causados por bloqueos en el rotor, efectos parásitos y caídas de tensión que pueden exponer a los dispositivos a corrientes excesivas y tiempos de conmutación prolongados. Para resistir a estas amenazas, el dispositivo elegido necesita una fuerte zona de funcionamiento seguro (SOA) y robustez ante avalanchas. La mejora de estos parámetros suele producirse a expensas de un aumento de la RDS (on). Por tanto, está justificado sacrificar algo de eficiencia en busca de una mayor disipación térmica, mayor capacidad de sobretensión, sobre corriente y mayor capacidad de avalancha. La búsqueda de todas estas cualidades junto con una huella compacta para minimizar el tamaño del módulo controlador reduce la selección de dispositivos adecuados.
De hecho, las limitaciones que determinan la selección de los semiconductores de potencia para cobots son notablemente muy parecidas a las de las herramientas eléctricas inalámbricas de gran potencia, como taladros, destornilladores eléctricos, lijadoras y amoladoras. Éstas también deben respetar estrictas limitaciones en cuanto a dimensiones físicas y, al mismo tiempo, suministrar corrientes elevadas y soportar altas temperaturas, especialmente durante repetidos arranques y paradas. La empresa alemana Jaykay GmbH, pionera en equipamiento deportivo, se encontró con limitaciones similares al crear su gama de innovadores e-fin para tablas de paddle y las superó utilizando MOSFETs de Nexperia optimizados para ofrecer robustez y confiabilidad en el controlador de motor compacto.
Selección de Semiconductores de Potencia
Dada la complejidad de las demandas en las aplicaciones actuales y los últimos avances en tecnología de los dispositivos, enfocados en la tradicional cifra de mérito (FOM) RDS (on) x Qg, ya no es el mejor punto de partida a la hora de seleccionar MOSFETs. El factor diferenciador de cada diseño es encontrar la mejor combinación silicio-encapsulado.
Aunque la optimización y la mejora del silicio han abierto el camino a nuevos MOSFET con mayor capacidad de control de corriente y tensión que las generaciones anteriores, la tecnología de encapsulado desempeña un papel fundamental a la hora de satisfacer las necesidades de las aplicaciones de alta potencia. En comparación con los encapsulados de potencia tradicionales, la tecnología LFPAK de Nexperia combina una inductancia parásita y resistencia eléctrica significativamente menores con un mejor rendimiento térmico. La innovación clave, que permite estas mejoras, es la tecnología “Copper Clip” que sustituye a los hilos de unión convencionales en la conexión de la fuente, como se muestra en la figura 2. En comparación con las uniones por hilo, la unión por clip de cobre evita la acumulación de corriente, eliminando así los puntos calientes y garantizando una distribución más uniforme de la corriente, al mismo tiempo que actúa como disipador térmico del semiconductor (die).
Figura 2: Vista transparente de un encapsulado LFPAK56
La combinación del silicio más avanzado y el encapsulado LFPAK56 ha permitido crear un par de MOSFET en configuración de medio puente (half-bridge) compuesto de HS (High Side) y LS (Low Side) para el control de motores trifásicos con un empaquetado de 5 mm x 6 mm. El encapsulado utiliza patillas flexibles para mejorar la confiabilidad en general y el clip de cobre interno que conecta las terminales del drenaje y fuente del silicio a los conductores del encapsulado que tiene mayor rendimiento eléctrico y disipación térmica que los hilos de unión tradicionales, lo que aumenta la confiabilidad. Aunque la lengüeta de drenaje del MOSFET sigue siendo la vía dominante para disipar el calor del semiconductor, el pin de fuente del clip LFPAK contribuye de forma significativa. Por tanto, garantizar una cantidad adecuada de cobre en las conexiones de la placa del circuito impreso al pin de fuente ayuda a maximizar el rendimiento térmico global.
En las aplicaciones de alta potencia, donde las limitaciones de espacio entran en conflicto con las exigencias de alto rendimiento y robustez, la tecnología de encapsulado con clip de cobre es una parte muy valiosa de la solución que ayuda a maximizar el valor del silicio. La robustez y la fiabilidad también se reducen a los ciclos térmicos y, en algunos casos, del flujo de corriente que deben soportar los dispositivos en caso de fallo.
Conclusión
Para los fabricantes de robots, el lanzar al mercado un sistema seguro y rentable requiere decisiones de diseño inteligentes en todas las fases, incluida una estrategia de control precisa, flexible y con capacidad de respuesta, un motor rentable y de tamaño óptimo, y semiconductores de potencia fiables y eficientes. Dado el crecimiento previsto de este mercado, con una densidad de potencia cada vez mayor, los semiconductores de potencia son un componente crítico para garantizar que el motor y, por extensión, todo el cobot funcionen de forma eficiente, fiable y segura.
