Exploiter la robotique 48V : Augmenter l'efficacité et la puissance dans l'automatisation industrielle

La demande d'efficacité et de rentabilité dans les systèmes électriques pousse l'adoption de systèmes 48V à travers les industries. Ces systèmes à tension plus élevée offrent une alternative plus optimale aux architectures conventionnelles 12V ou 24V, particulièrement là où la livraison de haute puissance est essentielle. L'automatisation industrielle et les télécommunications exploitent le 48V pour alimenter moteurs, actionneurs et autres équipements à haute puissance.

Les avantages de l'utilisation de systèmes 48V incluent :

• Piloter des charges plus importantes : contrairement aux systèmes 12V, qui peinent à répondre aux exigences de puissance modernes

• Courants plus faibles : une tension plus élevée réduit les besoins en courant d'un facteur quatre

• Pertes de puissance réduites : des courants plus faibles signifient moins de pertes de puissance, moins de chaleur à dissiper et une efficacité plus élevée ; fonctionnement à tension plus élevée

• Densité de puissance plus élevée : les solutions 48V intégrées permettent une densité de puissance plus élevée, se traduisant par une plus grande autonomie et des pertes d'énergie moindres dans les systèmes d'énergie propre

• Câblage plus léger : des câbles plus fins réduisent les coûts, le poids et l'espace.

Histoire des systèmes de distribution d'énergie

Le système de distribution d'énergie 6V est devenu une norme pratique pour l'allumage et l'éclairage dans les premières automobiles, largement influencé par l'utilisation généralisée des batteries à l'époque. Sa simplicité et sa facilité d'utilisation en ont fait un choix populaire. Bien que des systèmes 24V aient été initialement testés — par exemple, dans la Cadillac 1912 avec son démarreur électrique — le système 6V a rapidement gagné en dominance pour la plupart des fonctions électriques automobiles.

À mesure que la technologie automobile progressait, la demande pour des accessoires électriques comme les radios, les chauffages, et plus tard, les vitres électriques, a commencé à croître. Cela a mis une plus grande contrainte sur le système électrique, soulignant les limites de la configuration 6V. Un système 12V offrait un avantage clé : pour la même puissance de sortie, il ne nécessitait que la moitié du courant, ce qui réduisait le risque de surchauffe et permettait l'utilisation de câblage plus léger et plus maniable.

Le développement de batteries plomb-acide 12V fiables et d'alternateurs a davantage soutenu la transition. Avec ces composants devenant plus faciles à produire et plus rentables au fil des ans, le système 12V est devenu la nouvelle norme. Cela a conduit à la conception et l'adoption généralisée de pièces électriques compatibles, y compris l'éclairage et les moteurs qui fonctionnaient plus efficacement à la tension plus élevée.

Difficultés des systèmes traditionnels

AMT49100 Driver de grille BLDC 3 phases. (Image : Allegro)

Les demandes de puissance modernes ne peuvent pas être satisfaites avec les systèmes 12V traditionnels, actuellement la norme de la livraison d'énergie. Les limitations des systèmes 12V deviennent claires en considérant des facteurs comme la perte de puissance et l'épaisseur des câbles.

À mesure que les demandes de puissance augmentent, les courants dans un système 12V augmentent de manière linéaire (P = V * I). Cela entraîne des pertes de puissance plus élevées le long de tout câblage de la source d'alimentation à la charge (Ploss = I2 * R).

Ces pertes de puissance se manifestent par de la chaleur indésirable et une efficacité de système réduite. De plus, gérer des courants plus élevés nécessite des câbles plus épais et plus lourds, ce qui ajoute du poids et du coût aux conceptions de système.

Équipement d'automatisation industrielle

Ces systèmes 48V sont de plus en plus utilisés dans l'automatisation industrielle et la robotique, offrant une puissance plus élevée et une sécurité améliorée par rapport aux systèmes à tension plus basse. Cela inclut des composants comme les moteurs, capteurs et drivers de grille conçus pour gérer la tension et les demandes de puissance plus élevées des applications industrielles.

Les courants plus faibles présents dans ces systèmes réduisent la génération de chaleur et les risques d'incendie potentiels. Comparés aux systèmes à tension plus élevée, les systèmes 48V nécessitent moins d'isolation, ce qui peut être un facteur dans les conceptions compactes. Comme ils se situent en dessous de la limite de sécurité de 60V, ils sont souvent considérés comme TBTS (Très Basse Tension de Sécurité), ce qui signifie qu'ils sont conçus pour être sûrs pour un contact direct avec des équipements non blindés.

Ces systèmes offrent une efficacité et une précision améliorées en réduisant les pertes d'énergie, permettant un contrôle plus rapide et autorisant des équipements plus petits, plus légers, une dextérité accrue et une gestion thermique améliorée.

Solutions 48V à haute efficacité

ACS37220 Capteur de courant à faible résistance. (Image : Allegro)

Allegro offre une large gamme de produits capteurs et IC de puissance prêts pour l'utilisation dans la conception de systèmes 48V à travers une myriade d'applications robotiques. La perte de puissance réduite avec les solutions 48V d'Allegro se traduit par une augmentation tangible de l'économie de carburant pour les hybrides légers, prolongeant significativement l'autonomie pour tous les véhicules électrifiés et améliorant l'efficacité de conversion d'énergie dans les onduleurs solaires.

Les drivers de moteur et de grille d'Allegro fournissent un contrôle précis et efficace pour les moteurs et actionneurs 48V utilisés dans l'automobile et l'automatisation industrielle, améliorant la productivité et la fiabilité. Leur capteur de courant IC intégré supporte les applications haute tension, tandis que les capteurs de position numériques offrent robustesse et fiabilité pour compléter les drivers de moteur.

Les robots mobiles autonomes (AMR) naviguent dans des environnements dynamiques pour la logistique et l'inspection, exigeant un mouvement précis, une gestion robuste de la batterie et une détection d'obstacles fiable. Les drivers de moteur intégrés d'Allegro, capteurs magnétiques pour le positionnement et la détection de charge, et ICs de gestion d'énergie efficaces améliorent la performance des AMR, optimisent l'utilisation de l'énergie et assurent la sécurité opérationnelle dans divers contextes.

Les robots collaboratifs (cobots) travaillent en sécurité avec les humains, nécessitant un mouvement précis, des fonctionnalités de sécurité avancées (SIL-2/3) et une puissance efficace pour les articulations articulées. Les drivers de grille 48V d'Allegro, capteurs de position haute résolution et capteurs de courant précis permettent une performance d'articulation robuste, un freinage fiable et une gestion d'énergie optimisée pour une collaboration homme-robot fiable.

Les robots humanoïdes visent un mouvement et une interaction de type humain, exigeant une actuation sophistiquée, un équilibre dynamique et une perception complexe. Le contrôle avancé de moteur servo d'Allegro, la détection de position multi-axes polyvalente et les technologies de gestion d'énergie efficaces sont fondamentales pour la mécanique complexe et la performance exigeante requise par les nombreuses articulations des robots humanoïdes.

Pourquoi s'arrêter à 48V ?

ACSEVB-EZ7-37220-100B3 Carte d'évaluation pour le capteur de courant ACS37220 (gauche). APEK85111KNH-02-T-MH Carte d'évaluation pour le driver de grille isolé AHV85111 (droite). (Image : Allegro)

Le facteur principal derrière cette limite était les normes de sécurité qui devaient être respectées. Des organisations telles que UL et NFPA classent les tensions en dessous de 60V comme TBTS, les considérant sûres pour le contact humain avec des équipements non blindés. Les systèmes fonctionnant au-dessus de 48V nécessitaient des composants et une ingénierie plus robustes pour assurer une isolation adéquate, ce qui augmentait le coût et la complexité globaux.

Bien que les systèmes 48V puissent être rentables, les systèmes à tension plus élevée impliquaient souvent des dépenses initiales plus importantes en raison du besoin de composants spécialisés et de câblage. Leur conception tendait à être plus complexe, et la mise en œuvre pouvait être plus coûteuse, car les pièces spécialisées étaient soit plus chères, soit exigeaient des processus de fabrication plus complexes.

Alimenter la révolution de l'intelligence artificielle

Fournir des réponses IA à faible latence nécessite une puissance de calcul substantielle, ce qui augmente significativement les demandes énergétiques des centres de données. Pour améliorer l'efficacité et réduire les besoins de refroidissement, les centres de données passent de systèmes 12V à 48V.

Les innovations dans la conception d'alimentation soutiennent ce changement, avec des développements futurs visant à améliorer la performance et la densité d'alimentation. Par conséquent, les centres de données doivent être équipés de serveurs haute performance, de systèmes de refroidissement avancés et d'une infrastructure d'alimentation robuste pour gérer la charge de travail efficacement.

Les opérateurs de centres de données adoptent de plus en plus des technologies écoénergétiques telles que le refroidissement liquide, les sources d'énergie renouvelables et la virtualisation des serveurs pour réduire leur empreinte carbone et abaisser les coûts d'exploitation.

Conclusion

Le passage de 12V à 48V est motivé par le besoin d'efficacité améliorée et de besoins de refroidissement réduits. Dans l'automatisation industrielle, ces systèmes offrent une puissance plus élevée et une sécurité renforcée par rapport aux options à tension plus basse.

Des composants tels que moteurs, capteurs et drivers de grille sont conçus spécifiquement pour les systèmes 48V, avec un accent sur la sécurité, la puissance de sortie, la mobilité et les économies de coûts. Avec une large gamme de produits 48V, Allegro livre des solutions qui permettent une intégration plus élevée, ainsi que des économies d'espace et d'énergie, vous permettant de vous concentrer sur votre application.

Rich Miron est un développeur de contenu technique senior pour DigiKey (Thief River Falls, MN). Pour plus d'informations, visitez ici .