實現工業4.0—無線充電為機器人「無限」供電
作者 : Pramit Nandy & Vijay Bapu，Microchip Technology產品行銷經理
無線充電領域的各種技術進展，有助於讓移動式機器人變得更加靈活，從而提高工廠的製造能力和生產效率…
製造業已經發展200多年了。工業4.0 (Industry 4.0)是第四次工業革命，其重點在於互連互通、自動化、機器學習和即時資料處理。隨著各種製造業朝向工業4.0邁進，為了保持競爭力並降低製造成本，製造商正致力於為工廠投入更多的設備，同時削減勞動力人數。
圖1：製造業的發展。
製造商正致力於在其工廠(即亞馬遜配送倉庫和裝配線)和倉庫中大力投資先進的移動式機器人技術，以承擔大部份的材料建造、組裝和運輸工作。然而，這些移動式機器人必須定期充電，這對工業廠房來說是一個日益嚴峻的挑戰。如今，在無線充電領域的一些改進，有助於讓這些機器人變得更加靈活，從而提高工廠的製造能力和效率。隨著元件選擇、線圈設計和電路板佈局的理想組合，無線充電技術正日益成為製造業的變革者，並且正影響著整體經濟。
無線充電的工作原理
最新的無線充電解決方案採用基於電磁感應原理的技術。當交流電(AC)通過發射器側的感應線圈時，隨即產生振盪磁場。當此振盪磁場與接收器側的感應線圈耦合時，接收器側線圈將會產生交流電(見圖2)。
圖2：藉由感應式無線充電，無線充電解決方案的接收器側線圈會產生交流電。
無線充電系統需要許多元件，包括發射器線圈、調諧電容、線圈驅動器和接收器線圈。其他元件還包括二極體整流器、直流-直流(DC-DC)轉換器、發射器和接收器控制電路與演算法，以及電池充電電路。
以下示例介紹電磁感應如何讓無線充電系統從安裝在工廠廠房的充電電源墊，將電能傳輸到安裝在移動機器人的接收墊。
圖3：工廠中移動式機器人的無線充電。
工廠廠房中的無線充電優勢
現代無線充電系統具有更高效率且搭載成本最佳化的元件，業經證實是工廠設置的重要變革技術之一。首先，它以多種方式提高生產力並降低製造成本。它能以機會充電(即利用閒置時間充電)實現連續操作，以及減少投資，因為機器人支援多種用途，從而用於不同的操作。此外，它還能減少人為干預，因為充電過程可以自動化，同時還降低了維護成本，由於無需使用連接器和電纜等，因而實現完全非接觸式解決方案。
其次，這類充電系統還提高了安全性。它們消除了因連接器導致的火花及其內部污染或水份引起的短路風險。這些解決方案的其他安全優勢包括：可靠地檢測發射器和接收器線圈之間的金屬碎片和其他異物。
此外，充電器和機器人之間可輕鬆實現安全驗證，從而避免未經授權的存取，而且充電期間的資料傳輸可用於預測性維護以防止停機。此外，相較於有線充電系統，無線充電系統在工廠廠房的維護和清潔更容易得多了。這是完全自動化工廠的重要貢獻，可最大限度地減少人為干預，並防止員工間傳播傳染病(如COVID-19)，從而有助於營造更安全的環境。
克服無線充電建置挑戰
考慮到無線充電技術的優勢，在潛力工廠設置中採用這項技術有助於將製造業提升到一個新高度，並且能解決困難的生產挑戰。然而，無線充電也存在一些挑戰。例如相較於傳統有線充電，需要相對較高的投資來建造無線充電基礎設施，而且還存在相對較低的效率和EMI問題。如果發射器和接收器線圈之間有異物，也會存在與過熱相關的安全問題。BOM成本管理和元件選擇尤其重要。
在無線電源發射器中，大功率無線電源系統中開關電流的關鍵迴路包括功率開關、諧振電容和線圈。此迴路涉及高電壓、高電流和高開關頻率。這種高功率無線電力傳輸系統中的PCB佈局、元件佈局和佈線會影響效率、EMI性能和散熱，進而影響系統性能和可靠性。由於線圈存在製造可變性，線圈參數變化也會帶來挑戰。線圈之間的變化可能導致產品之間存在差異，從而導致行為不一致和現場性能不可靠。
雖然通用元件可用於建構無線充電解決方案，但其性能無法達到與固定功能替代方案相同的水準。根據元件選擇和電路板佈局決策，解決方案的成本和效率也會有所不同。有多種方法可利用於最佳化目前的無線充電解決方案。
建構最佳化解決方案
固定功能元件用於最佳化無線充電解決方案，這樣便能因應在高功率級時實現安全、可靠、高效無線電源的挑戰。最佳化此解決方案的發射器和接收器電路是一個重要步驟，這種電路執行高度專業化的通訊、功率控制和異物檢測(FOD)演算法。這些演算法基於大量的研發和多項授權專利。
理想上，無線充電解決方案中應採用頻內(in-band)通訊，這有助於消除頻外(out-of-band)通訊方案所增加的系統成本。請注意大約100kHz範圍的電力傳輸頻率，應使用驅動發射器中全橋逆變器的PWM可變頻率和工作週期控制來執行功率控制。在高功率級，FOD變得至關重要。採用這種方法時，電力傳輸會短暫停止幾微秒，並使用解決方案的高性能周邊裝置和核心測量線圈電壓。當輸出FET關閉時，可計算線圈電壓的斜率以檢測是否存在異物。
選擇解決方案的所有元件(包括控制器、FET、穩壓器和線圈)時，必須使成本符合總系統預算，這可能需要包含高端金屬觸點，以確保在潮濕或灰塵環境中的可靠性。解決方案的效率取決於功率控制方案和最佳線圈設計。例如Microchip Technology的WP300無線電源參考設計解決方案，其於超過100W的負載下可實現超過90%的效率。此效率是從發射器的DC輸入到接收器的穩壓DC輸出測得的。該解決方案可在12-36V DC的輸入電壓下工作，並能在接收器側調節到類似的電壓範圍。
在基於WP300的參考解決方案中，PCB佈局、元件佈局和PCB層疊已經過最佳化，可實現最佳性能。在設計PCB時，已確保數位部份、類比部份和電源部份彼此隔離，如此可最大限度地減少雜訊耦合。
除了降低開關頻率外，還可在發射器中使用適當的控制方法和最佳化使用去耦電容來降低開關雜訊，進而減輕EMI問題。去耦電容可降低開關雜訊耦合，但會增加損耗，從而導致熱耗散增加和效率損失。為了最佳化設計，這些權衡的評估至關重要。
線圈參數可在生產線上組裝時進行校準。該解決方案的優勢在於產品測試期間可將線圈校準資料寫入WP300TX IC，從而實現整個產品的一致操作和可靠性能。最後，為了在發射器和接收器之間創建1:1配對，可在頻內包含安全通訊，以確保只有經過發射器驗證的接收器才能獲得供電。圖4包含經最佳化可提供這些功能的300W發送控制器和300W接收控制器方塊圖。
300W發射器
300W接收器
圖4：針對無線充電最佳化的發射器和接收器電路方塊圖。
系統開發人員應該尋求與供應商合作，以使用其無線充電解決方案及詳細指南，具體包括元件選擇、線圈設計和電路板佈局等指南。供應商還應該提供逐步指導，以確保最終產品能夠無縫執行。藉由這種方法，開發人員可節省時間、降低風險並簡化其無線充電器設計，從而充份履行電磁感應技術的承諾，同時提高生產力、降低製造成本並提高安全性。
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