Комплексный анализ модулей рассеивания энергии торможения для роботизированных приводов гармонических шарниров

В обсуждениях модулей приводов роботизированных шарниров наибольшее внимание обычно уделяется двигателю, редуктору, энкодеру, тормозу и драйверу, в то время как модуль рассеивания тормозного усилия часто недооценивается. В реальных инженерных проектах многие 48-вольтовые системы шарниров работают нормально во время пусконаладочных работ без нагрузки. Однако, как только они попадают в условия, связанные с большой инерцией, быстрым ускорением и замедлением, опусканием по оси тяжести или частым обратным вращением, начинают возникать такие проблемы, как перенапряжение на шине постоянного тока, сигналы тревоги драйвера, неожиданные отключения и даже тепловые отказы силовых устройств.

Во многих случаях первопричина кроется не в самом алгоритме сервоуправления, а в том, что цепочка рекуперативного торможения не была должным образом замкнута.

С инженерной точки зрения, модуль рассеивания тормозной энергии, используемый в приводах роботизированных суставов, по сути, представляет собой блок поглощения рекуперативной энергии шины постоянного тока. Его назначение состоит не в том, чтобы «освободить движение сустава» или «заменить тормоз», а в том, чтобы безопасно перенаправить избыточную рекуперативную энергию в тормозной резистор, когда двигатель переходит в режим генератора, рассеивая эту энергию в виде тепла и предотвращая повышение напряжения шины постоянного тока до опасного диапазона для драйвера или источника питания.

В чём заключается принцип рассеивания тормозного усилия?

Под «рассеиванием» здесь подразумевается электрическая энергия, а не газ, гидравлическая жидкость или механическое напряжение.

Когда шарнир робота замедляется, аварийно останавливается, переключается в обратное направление или движется под действием силы тяжести, двигатель может перейти из режима работы двигателя в режим генератора. В системе с питанием от постоянного тока напряжение, генерируемое регенерацией, сначала повышает напряжение на шине постоянного тока. Если сам источник питания не может поглотить достаточный регенеративный ток или если несколько осей, использующих одну и ту же шину постоянного тока, одновременно генерируют избыточную переходную энергию, становится необходимым модуль рассеивания энергии торможения для перенаправления этой энергии во внешний резистор.

Таким образом, модуль рассеивания тормозного усилия обычно состоит из трех основных частей:

• Обнаружение напряжения на шине постоянного тока и управление пороговым значением

• Коммутационные устройства для активации резисторов

• Внешний тормозной резистор

Во многих системах для буферизации переходной энергии и подавления скачков напряжения также добавляются большие электролитические конденсаторы.

Почему роботизированным приводам суставов это особенно необходимо?

В отличие от обычных конвейерных осей с постоянной скоростью, роботизированные шарнирные модули работают в условиях высокой динамики. Гармонические приводные шарниры и моментные двигатели часто ускоряются и замедляются, а роботизированные манипуляторы непрерывно обмениваются гравитационной потенциальной энергией за счет изменения положения.

Регенеративная энергия приобретает особое значение в следующих сценариях:

Высокоинерционное быстрое замедление

Когда концевая нагрузка велика, а время замедления короткое, вращательная кинетическая энергия быстро возвращается в шину постоянного тока.

Опускание или обратное вращение под действием силы тяжести

При опускании вертикальных суставов, локтей или плечевых осей потенциальная энергия гравитации напрямую преобразуется в электрическую энергию, что приводит к быстрому повышению напряжения на шине постоянного тока.

Многоосевая одновременная регенерация

При выполнении сложных траекторий движения роботизированной руки несколько осей могут одновременно переходить в режим замедления или обратного хода под действием силы тяжести. В архитектурах с общей шиной постоянного тока это часто приводит к накоплению рекуперативной энергии.

Импульсные источники питания не способны поглощать регенеративную энергию.

Многие промышленные импульсные источники питания на 48 В разработаны для эффективного энергоснабжения, но не для поглощения обратного потока энергии. Когда регенеративная энергия не имеет выхода, перенапряжение становится основной причиной отказа системы.

В некоторых общедоступных документах по приводам шарниров четко указано, что в условиях высоких скоростей и высоких нагрузок необходимы модули рассеивания тормозной энергии для управления энергией рекуперативного торможения и предотвращения отключений из-за перенапряжения на шине постоянного тока.

Типичная стратегия управления выглядит следующим образом:

л Отсоедините тормозной резистор, когда напряжение в шине опустится ниже приблизительно 50 В.

л Подключайте тормозной резистор, когда напряжение в шине превысит приблизительно 51 В.

Как правило, для обеспечения максимальной допустимой напряженности шины вводятся дополнительные меры безопасности.

Понимание работы модулей рассеивания тормозного усилия с инженерной точки зрения.

Когда двигатель шарнира работает в режиме генератора, ток возвращается в шину постоянного тока. Система управления постоянно контролирует напряжение шины:

• Когда Vdc ≤ 50 В, выключатель рассеивания остается разомкнутым, и система работает в нормальном режиме.

• Когда Vdc ≥ 51 В, выключатель рассеивания замыкается, и ток протекает через тормозной резистор.

Регенеративная энергия преобразуется в тепло через резистор, возвращая напряжение на шине в безопасный диапазон.

Несколько распространенных уравнений помогают проиллюстрировать масштаб проблемы:

Вращательная кинетическая энергия:

E = 1/2 × J × ω²

Ток резистора:

I = V / R

Резистор питания:

P = V² / R

Например, используя напряжение 51 В и резистор 5 Ом:

I ≈ 51 ÷ 5 = 10,2 А

P ≈ 51² ÷ 5 = 520 Вт

Эти значения чрезвычайно важны с инженерной точки зрения. Они демонстрируют, что распространенные конфигурации, такие как « 50 Вт, 5 Ом» или « 300 Вт, 10 Ом», не предназначены для непрерывной работы в режиме постоянного тока. Вместо этого они разработаны для кратковременных импульсов, ограниченного рабочего цикла и работы на основе тепловой мощности.

По этой причине тепловая конструкция, место установки и вентиляция зачастую так же важны, как и сами электрические характеристики.

Основные моменты, которые следует учитывать при выборе модулей рассеивания тормозного усилия.

Многие инженеры просто спрашивают: «Какое значение сопротивления и мощность мне следует использовать?» В действительности же для надежного выбора необходимо учитывать как минимум шесть параметров.

Напряжение шины и порог срабатывания

Не следует предполагать, что система с напряжением 48 В будет работать при постоянном напряжении 48 В. Допуски источника питания, пиковые значения рекуперативного торможения и зарядка/разрядка конденсаторов создают динамические колебания напряжения.

• Если пороговое значение слишком низкое, резистор срабатывает слишком рано и выделяет чрезмерное количество тепла.

• Если пороговое значение слишком высокое, подавление перенапряжения может сработать слишком поздно.

Пик и продолжительность регенерации энергии

Необходимо различать кратковременные скачки температуры и повторяющиеся высокие тепловые нагрузки.

Однократная аварийная остановка может не генерировать много энергии, но повторяющаяся работа с высокой частотой циклов может быстро увеличить среднюю тепловую нагрузку.

Значение тормозного резистора и номинальная мощность

Сопротивление определяет способность рассеивать ток, а номинальная мощность определяет способность выдерживать тепловые нагрузки.

Более низкое сопротивление обеспечивает более эффективное рассеивание энергии, но также увеличивает нагрузку на коммутирующие устройства, резисторы и проводку.

Емкость конденсатора шины постоянного тока

Конденсаторы не заменяют модули рассеивания энергии при торможении. В основном они сглаживают скачки напряжения и буферизуют переходные процессы.

Небольшие конденсаторы могут замедлить повышение напряжения, но не могут принципиально устранить рекуперативную энергию.

Для крупных соединений или многоосевых систем с общей шиной емкость конденсатора часто становится критически важным фактором стабильности.

Тип нагрузки и ориентация осей

Одна и та же модель сустава ведет себя совершенно по-разному по горизонтальной и вертикальной осям.

В системах с недостаточной компенсацией силы тяжести, высокой скоростью снижения или частым движением задним ходом следует использовать более консервативные размеры тормозного модуля.

Проектирование теплового тракта

Одной лишь правильной электропроводки недостаточно.

Если модуль установлен в герметичном корпусе, на пластиковых поверхностях или в плохо вентилируемых помещениях, теплоотвод становится недостаточным.

В таких случаях конечной причиной отказа часто является не перенапряжение, а деградация резистора, усталость припоя или термическое повреждение силовых устройств.

Как конфигурируются модули рассеивания тормозного усилия в реальных системах?

Общедоступная документация показывает, что во многих системах с напряжением 48 В пороговые значения торможения устанавливаются в диапазоне от 50 до 51 В и используются тормозные резисторы и шинные конденсаторы различной емкости.

Типичные примеры включают:

• Малые контакты: резистор 50 Вт, 5 Ом, с емкостью шины приблизительно 12 000 мкФ.

• Более крупные соединения: резисторы класса 300 Вт с емкостью шины до 96 000 мкФ.

Разница заключается не просто в том, что «более крупные модели более совершенны», а в том, что восстанавливаемая кинетическая энергия и тепловые нагрузки значительно выше.

Для интегрированных исполнительных механизмов еще одним важным моментом является то, что в некоторых руководствах по эксплуатации явно указано требование наличия внешних модулей поглощения рекуперативной энергии. Это означает, что драйвер и источник питания не должны обрабатывать всю рекуперативную энергию внутри себя.

В результате, схема рассеивания тормозного усилия должна быть включена в проект системы на этапе ее разработки, включая:

• Планирование спецификации материалов

• Схема подключения проводов

• проектирование системы терморегулирования

• вместо того, чтобы добавляться позже в процессе отладки.

Важные аспекты монтажа и ввода в эксплуатацию.

Неправильное размещение модуля

Модуль рассеивания тормозного усилия следует располагать вблизи шины постоянного тока, чтобы минимизировать длину контура высокого тока.

Длинная проводка увеличивает паразитную индуктивность и нагрев кабеля.

Сосредоточьтесь только на номинальной мощности

Многие резисторы кажутся достаточно мощными на бумаге, но при непрерывной работе превышают температурные пределы.

Это происходит потому, что указанные в технических характеристиках параметры не всегда соответствуют реальным условиям эксплуатации.

Игнорируя нагрев коммутационного устройства и клемм.

Неисправности могут возникать не только в самом резисторе, но и в следующих компонентах:

• МОП-транзисторы

•   Шины

•   Разъемы

• Клеммные колодки

• Эстафеты

Принимать рассеивание тормозного усилия за функциональную безопасность.

Модули рассеивания тормозного усилия регулируют напряжение, а не опасные движения.

Функции защиты от падения по вертикальной оси, безопасной остановки коллаборативного робота и блокировки при техническом обслуживании не могут полагаться только на модуль рассеивания тепла.

Оценка только условий по одной оси

Одноосевая регенерация может казаться безопасной, в то время как многоосевая одновременная регенерация часто вызывает срабатывание сигнализации о перенапряжении.

Как правило, это вызвано неучтенной суммарной регенеративной энергией в системах с общей шиной постоянного тока.

Когда следует отдавать приоритет внешним модулям рассеивания тормозного усилия?

Внешние модули рассеивания тормозного усилия, как правило, следует рассматривать как обязательные, а не необязательные в следующих случаях:

• Системы постоянного тока 48 В, в которых источник питания не обладает возможностью регенеративного поглощения энергии.

• Большие инерционные нагрузки или условия резкого замедления

• Вертикальные оси, локтевые или плечевые суставы со значительным гравитационным обратным усилием

• Многоосевые системы с общей шиной постоянного тока

• Наличие срабатывания сигнализации о перенапряжении, нестабильное торможение или срабатывание защиты источника питания во время ввода в эксплуатацию.

• Оборудование с высокой интенсивностью работы, частыми запусками и остановками, а также повышенными температурами.

Часто задаваемые вопросы от клиентов

Какая ось генерирует наибольшую регенеративную энергию?

Не все оси несут одинаковый риск. Гравитационные оси и оси с высокой инерцией, как правило, являются наиболее критичными.

Каков фактический порог защиты шины постоянного тока?

Не следует полагаться только на номинальную маркировку « 48 В » . Необходимо проверить истинные предельные значения напряжения драйвера, конденсаторов и блока питания.

Размер резистора определяется пиковой мощностью или средней тепловой нагрузкой?

Необходимо учитывать оба фактора. В противном случае система может выдержать краткосрочное тестирование, но выйти из строя при длительной эксплуатации.

Достаточен ли тепловой путь?

Необходимо оценить состояние монтажных поверхностей, циркуляцию воздуха, расположенные поблизости источники тепла и повышение температуры внутри корпуса.

Надлежащим ли образом обеспечена многоуровневая защита функциональной безопасности и энергосбережения?

В архитектуре системы должны быть четко определены роли тормозов, системы STO, модулей рассеивания тормозного усилия и логики аварийной остановки.

Модуль рассеивания тормозного усилия для приводов роботизированных суставов представляет собой, по сути, интерфейсное устройство, которое преобразует избыточную механическую энергию в контролируемое тепловыделение.

Хотя это может показаться незначительным аксессуаром, он оказывает существенное влияние на стабильность, возможность регулировки и надежность 48-вольтовых роботизированных суставных систем в сложных условиях эксплуатации.

Исходя из практического инженерного опыта, любая роботизированная система приводов, ориентированная на динамические характеристики, в конечном итоге должна будет решить проблему рекуперации и рассеивания энергии.

Способность водителя контролировать крутящий момент — это один из уровней возможностей. Способность шины постоянного тока выдерживать рекуперативное торможение — это другой уровень.

Только при надлежащем учете обеих возможностей роботизированный привод сустава сможет по-настоящему достичь инженерной зрелости, необходимой для массового производства и сложных реальных применений.