Autor: Pramit Nandy y Vijay Bapu de Microchip
El sector industrial ha estado evolucionando desde hace más de 200 años. La Industria 4.0 es la cuarta revolución industrial y se centra en la interconectividad, la automatización, el aprendizaje automático y el procesamiento de datos en tiempo real. Varios sectores industriales apuntan hacia la Industria 4.0 y, para seguir siendo competitivos y reducir sus costes de fabricación, los fabricantes tienen más equipos y menos personas en sus fábricas.
Figura 1: Evolución del sector industrial.
Los fabricantes están destinando grandes inversiones a la robótica móvil avanzada en sus fábricas (p.ej., almacenes de Amazon y líneas de montaje) y almacenes para realizar la mayor parte de la construcción, el montaje y el transporte de material. No obstante, estos robots móviles se deben cargar periódicamente y ello representa una creciente dificultad para las plantas industriales. Ha habido algunas mejoras en el ámbito de la carga inalámbrica que están aumentando la flexibilidad de estos robots, lo cual ha impulsado la capacidad de fabricación y la eficiencia de las fábricas. componentes, diseño de la bobina y trazado de la placa, la carga inalámbrica se está convirtiendo en un punto de inflexión para el sector industrial y afecta a toda la economía.
Cómo funciona la carga inalámbrica
Las soluciones más recientes de carga inalámbrica emplean técnicas basadas en el principio de la inducción electromagnética. Cuando una corriente alterna atraviesa una bobina de inducción en el transmisor se genera un campo magnético oscilante. Cuando este campo magnético oscilante se acopla a una bobina de inducción en el receptor se genera una corriente eléctrica alterna en la bobina del receptor (ver Figura 2).
Figura 2: Con la carga inalámbrica inductiva se genera una corriente eléctrica alterna en la bobina del receptor en la solución de carga inalámbrica.
Los sistemas de carga inalámbrica necesitan componentes como la bobina de transmisión, los condensadores variables, el control de la bobina y una bobina de recepción. Otros componentes son diodos rectificadores, un convertidor CC/CC, circuitería y algoritmos de control del transmisor y el receptor, y un circuito de carga de la batería.
En el siguiente ejemplo, la inducción electromagnética permite que los sistemas de carga inalámbrica transfieran energía desde una base de carga instalada en la planta hasta una base de recepción instalada en el robot móvil.
Figura 3: Carga inalámbrica de robots móviles en una planta.
Ventajas de la carga inalámbrica en la planta
Los modernos sistemas de carga inalámbrica de mayor eficiencia y con componentes de coste optimizado han demostrado ser un punto de inflexión en las fábricas por varias razones. En primer lugar, mejoran la productividad y reducen los costes de fabricación de varias maneras. Permiten el funcionamiento continuo con cargas de oportunidad (p.ej., aprovechando el tiempo libre para cargar) y disminuyen la inversión ya que los robots se pueden destinar a diferentes operaciones. También reducen las necesidades de mano de obra porque el proceso de carga se puede automatizar, al igual que los costes de mantenimiento ya que conectores, cables, etc., se pueden eliminar para obtener una solución sin contacto.
En segundo lugar, estos sistemas de carga ofrecen mayores niveles de protección y seguridad. Eliminan el riesgo de que se formen chispas provocadas por conectores y cortocircuitos a causa de la contaminación o de la humedad que contienen. Otras ventajas de estas soluciones desde el punto de vista de la seguridad son su detección fiable de restos de metal y otros objetos extraños entre el transmisor y la bobina del receptor. Además resulta sencillo implementar una autenticación segura entre el cargador y el robot para evitar accesos no autorizados y la transferencia de datos durante la carga se puede usar para mantenimiento predictivo con el fin de evitar tiempos de inactividad. Entre sus otras ventajas se encuentran la mayor facilidad del mantenimiento y la limpieza de los sistemas de carga inalámbrica en la planta si se compara con los sistemas de carga con cable. Este factor es importante para automatizar la fábrica por completo ya que minimiza la mano de obra necesaria y ayuda a crear un entorno más seguro al evitar la transmisión de enfermedades como COVID-19 entre los trabajadores.
Cómo superar las dificultades al implementar la carga inalámbrica
Teniendo en cuenta estas ventajas, la tecnología de carga inalámbrica en una planta tiene el potencial de llevar al sector industrial al siguiente nivel y resolver retos difíciles de la producción. No obstante, la carga inalámbrica también trae consigo algunas dificultades, como la necesidad de una inversión relativamente elevada para implementar la infraestructura de carga inalámbrica si se compara con la carga tradicional mediante cable, así como una menor eficiencia la preocupación por las interferencias electromagnéticas (EMI). También existen aspectos relacionados con la seguridad debido al sobrecalentamiento si hay un objeto extraño entre el transmisor y la bobina del receptor. La gestión del coste de la lista de materiales y la selección de los componentes también son especialmente importantes.
En el transmisor de alimentación inalámbrica, el lazo crítico para las corrientes conmutadas en un sistema de alimentación inalámbrica de alta potencia está formado por los interruptores de potencia, los condensadores resonantes y la bobina. Este lazo se caracteriza por sus altas tensiones, altas corrientes y altas frecuencias de conmutación. El trazado de la placa de circuito impreso, el emplazamiento de los componentes y su interconexión en este sistema de transferencia de alimentación inalámbrica de alta potencia afectan a la eficiencia, la respuesta ante EMI y la disipación térmica, que a su vez afectan al rendimiento y la fiabilidad del sistema. La variación de los parámetros de la bobina a causa de variabilidades en la fabricación también aumenta la complejidad. Las diferencias entre bobinas pueden dar como resultado variaciones entre productos y por tanto una respuesta inconsistente y un rendimiento poco fiable sobre el terreno.
Si bien se pueden usar dispositivos de aplicación general para construir una solución de carga inalámbrica, no pueden ofrecer el mismo rendimiento que los dispositivos de función fija. También pueden variar el coste y la eficiencia de las soluciones dependiendo de los componentes seleccionados y del trazado de la placa. Hay muchas formas de optimizar las soluciones actuales de carga inalámbrica.
Cómo obtener una solución optimizada
Los dispositivos de función fija se utilizan para optimizar una solución de carga inalámbrica de modo que pueda superar los retos que supone implementar una alimentación inalámbrica segura, fiable y eficiente con altos niveles de potencia. Un paso importante consiste en optimizar la circuitería del transmisor y el receptor de la solución que ejecuta algoritmos muy especializados para comunicaciones, control de potencia y detección de objetos extraños (Foreign Object Detection, FOD). Estos algoritmos se basan en una potente I+D y en las numerosas patentes registradas.
Lo ideal es que la comunicación en la solución de carga inalámbrica sea en la misma banda, eliminando así el coste añadido que conllevan las técnicas de comunicaciones fuera de banda. Busque una frecuencia de transferencia de la alimentación dentro del rango de 100kHz aproximadamente. El control de la potencia se debería realizar por medio de una frecuencia variable y un control del ciclo de trabajo variable del PWM para controlar el inversor de puente completo en el transmisor. Cuando los niveles de potencia son elevados, la FOD pasa a ser de máxima importancia. En este método, la transferencia de potencia se detiene brevemente durante unos microsegundos y la tensión de la bobina se mide usando los periféricos y el núcleo de la solución. La presencia (o no) de un objeto extraño se puede detectar calculando la pendiente de la tensión de la bobina cuando los FET de salida están desactivados.
Todos los componentes de la solución, incluidos el controlador, los FET, los reguladores y las bobinas, se han de escoger de modo que su coste se ajuste al presupuesto total del sistema, que podría requerir contactos metálicos de gama alta para aumentar la fiabilidad en entornos con humedad o polvo. La eficiencia de la solución depende tanto de la técnica de control de potencia como del diseño óptimo de la bobina. Un ejemplo de ello es la solución WP300 de Microchip, cuyo diseño proporciona una eficiencia por encima del 90% para cargas superiores a 100 W. Esta eficiencia se mide desde la entrada de CC al transmisor hasta la salida CC regulada del receptor. La solución puede funcionar con una tensión de entrada de 12-36V CC y se puede regular en un rango de tensión similar en el receptor.
El trazado de la placa de circuito impreso, el emplazamiento de los componentes y las capas de la placa en la solución de referencia basada en la WP300 se han optimizado para alcanzar el mejor rendimiento. La placa de circuito impreso se ha diseñado de manera que las secciones digital, analógica y de potencia están aisladas, por lo que se minimiza el acoplamiento de ruido.
El nivel de EMI también se atenúa por medio de los métodos de control apropiados en el transmisor y del uso óptimo de condensadores de desacoplo para reducir el ruido de conmutación junto con la disminución de la frecuencia de conmutación. Los condensadores de desacoplo reducen el acoplamiento del ruido de conmutación pero incrementan las pérdidas, lo cual a su vez aumenta la disipación térmica y disminuye la eficiencia. Estas contrapartidas son cruciales para evaluar y optimizar el diseño.
Los parámetros de la bobina se pueden calibrar durante el montaje en la línea de producción. La ventaja de la solución es que los datos de calibración de la bobina se escriben en el circuito integrado WP300TX durante la comprobación del producto. El resultado es un funcionamiento consistente de todos los productos y un rendimiento fiable. Finalmente, para establecer un emparejamiento 1:1 entre el transmisor y el receptor se pueden incluir unas comunicaciones seguras en la banda para garantizar que solo se alimenten los dispositivos receptores que hayan sido autentificados por el transmisor. La Figura 4 muestra diagramas de bloques del controlador de un transmisor de 300W y el controlador de un receptor de 300W que han sido optimizados para ofrecer estas capacidades.
Transmisor de 300W
Receptor de 300W
Figura 4: Diagramas de bloques de la circuitería del transmisor y el receptor optimizadas para carga inalámbrica.
Los desarrolladores de sistemas deberían trabajar con un proveedor que les ofrezca unas directrices detalladas para usar sus soluciones de carga inalámbrica, incluyendo la selección de los componentes, el diseño de la bobina y el trazado de la placa. Los proveedores también deberían proporcionar información sobre los pasos a tomar para una perfecta ejecución del producto final. Con este enfoque, los desarrolladores pueden ahorrar tiempo, atenuar el riesgo y simplificar sus diseños de cargadores inalámbricos de manera que cumplan la promesa de la tecnología de inducción electromagnética además de mejorar su productividad, reducir sus costes de fabricación y mejorar tanto los niveles de protección y seguridad.
