Bild 1: Block-Diagramm für ein typisches Roboter-System

Bild 1: Block-Diagramm für ein typisches Roboter-System (Bild: Infineon)

| von Pablo Yelamos Ruiz, Walter Paul Kirsch

Service-Roboter sind komplexe Systeme und erfordern kompakte Designs mit hoher Effizienz und Zuverlässigkeit. Einerseits müssen sie zwar extrem kompakt, aber andererseits im Hinblick auf die technischen Parameter auch sehr robust sein. Kriterien wie eine hohe Energieeffizienz sowie ein gutes Batteriemanagement für lange Nutzungszeiten, kleine Abmessungen und ein ausgezeichnetes Thermomanagement sind Schlüsselfaktoren, um die Kundenanforderungen zu erfüllen oder sogar zu übertreffen. Auf der Software-Seite für vernetzte Service-Roboter kommen noch Anforderungen wie Datenschutz, Authentifizierung und Autorisierung hinzu.

Eckdaten

Service-Roboter halten sowohl Einzug in die Privathaushalte als auch in die industrielle Fertigung. Damit diese aber reibungslos arbeiten, ist eine Vielzahl an Halbleiter-Komponenten nötig. Sensoren übernehmen die Positionsbestimmung und die Zustandserfassung, wohingegen die MOSFETs die Leistungselektronik regeln.

Entscheidend für den Erfolg von Robotern ist die Verfügbarkeit und Skalierbarkeit der dafür notwendigen Halbleiterlösungen. Im Folgenden werden Anwendungen und Vorteile für verschiedene Antriebslösungen für Roboter diskutiert, der Fokus liegt dabei auf MOSFETs, Gehäusetechnologien und schnell schaltenden Hf-Lösungen wie Gallium-Nitrid (GaN).

Bild 1: Block-Diagramm für ein typisches Roboter-System

Bild 1: Block-Diagramm für ein typisches Roboter-System Infineon

Typische Systemarchitektur für Service-Roboter

Eine gängige Roboter-Architektur basiert in den meisten Anwendungsfällen auf einer zentralen Recheneinheit (CPU), Batterie-/Power-Management-Einheit, Batterie-Ladungssystemen, drahtlosen Kommunikationsmodulen (COM), Benutzerschnittstelle (HMI), Sensoren und Antrieben mit oder ohne Bürsten. Auch wenn einige Roboter nicht all diese Komponenten benötigen, gibt das doch einen guten Systemüberblick.

Die Haupt-CPU ist das „Gehirn“ und damit die „Intelligenz“ des Systems. Der entsprechende Prozessor ist für die Koordination des Gesamtsystems verantwortlich und steuert die planmäßige, unabhängige Befehlsausführung verschiedener Module. Die verbleibenden Module führen die Befehle aus und senden Statusinformationen an die Haupt-CPU.

Viele Service-Roboter arbeiten mit Batteriebetrieb, damit diese flexibel einsetzbar sind. Diese Roboter haben daher eine On-board-Ladeschaltung für die Verbindung mit der Netzversorgung. In diesem Fall verfügt der Roboter über ein Batterieladesystem, um die erforderliche Hochvolt-Gleichspannung für das Power-Management zur Verfügung zu stellen. Hier ist jedoch ein Trend zu kabellosem Laden (Wireless Charging) zu beobachten. Speziell bei Robotern, die kontinuierlich arbeiten sollen, liegt der Vorteil auf der Hand: ein Aufladen ist auch während des Betriebs möglich.

Häufig sind heutige Robotersysteme batteriebetrieben, weswegen in den meisten Systemen eine Batterie-/Power-Management-Einheit integriert ist. Diese Funktionseinheit überwacht den Zustand der Batterien und schützt das System vor Überspannung und zu hohem Stromfluss. Für das Batteriemodul ist Security auch ein wichtiger Aspekt. Allerdings ist für Funktionen wie das Messen der Batteriedaten und das Monitoring des Batteriesystems ein separater Mikrocontroller notwendig. Neben der Einheit für das Batteriemanagement sorgt eine Power-Management-Einheit für die Stromversorgung der verschiedenen Komponenten des Robotersystems und überwacht die entsprechenden Spannungen für eine stabile Versorgung der anderen Module. Dies kann mit Hilfe von Abwärtswandlern oder linearen Spannungsreglern erfolgen.

Ausgestattet mit Modulen für die drahtlose Kommunikation können Roboter mit anderen Systemen wie anderen Robotern oder Steuereinheiten kommunizieren. Ganze Roboter-Flotten lassen sich so in Echtzeit steuern. Die Kommunikation basiert dabei üblicherweise auf Wi-Fi oder Bluetooth. Vielfach ist der lokale Controller für den Kommunikationsprozess verantwortlich und fungiert als Gateway zwischen der Haupt-CPU des Roboters und der externen Peripherie.

Immer mehr Roboter interagieren auch mit den Menschen. Die Schnittstelle zum Benutzer kann dabei etwa ein einfaches oder auch hochauflösendes Display sein. Aber auch LEDs eignen sich für eine Rückmeldung an den Benutzer. Eine entsprechend integrierte „Intelligenz“ vorausgesetzt, kann der Roboter auch über Sprache interagieren, wobei sowohl Spracheingabe und -ausgabe erforderlich sind.

Die unterschiedlichen Robotik-Designs verfügen in der Regel über verschiedene Sensoren. Dazu gehören Positionssensoren (Hall-Sensoren oder Encoder), Geschwindigkeits-, Winkel- und Stromsensoren in den Antrieben. Für eine präzisere Abbildung der Umgebung benötigen Roboter weitere Sensoren wie Radar- oder Bewegungssensoren zur Erfassung von Entfernung und Richtung, barometrische Luftdruck-Sensoren und 3D-Sensoren für die Objekterkennung. Präzise, schnelle Umgebungssensoren erweitern die autonomen Möglichkeiten für Roboter deutlich. Sie sind damit beispielsweise auch einsetzbar in hochautomatisierten Lagerhäusern, in denen ständig Bewegung herrscht.

Jedes Robotik-Design benötigt darüber hinaus Antriebsmodule. Sind eine genaue Positionierung, hohe Geschwindigkeit und ein geräuschloser Betrieb erforderlich, dann wird ein Designer auf bürstenlose Gleichstrommotoren (BLDC) und präzise Positionssensoren zurückgreifen. Genügt auch eine einfache Motoransteuerung, die relativ langsam und weniger genau sein muss, dann können kostengünstigere Bürstenmotoren zum Einsatz kommen. Darüber hinaus gibt es auch Roboter, bei denen man beide Antriebslösungen findet.

Wie sich Schalt- und Leistungsverluste reduzieren lassen, erfahren Sie auf der nächsten Seite.

Schalt- und Leitungsverluste reduzieren

Eine Möglichkeit, die Lebensdauer von Batterien in Robotern zu erhöhen, besteht in der Effizienzsteigerung der Antriebe, also Leistungsverluste reduzieren. In Antrieben stehen dabei sowohl Leitungs- als auch Schaltverluste im Fokus. Infineon hat daher kontinuierlich die Figure-of-Merit (FoM) für jede neue MOSFET-Generation reduziert. Die FoM ist das Produkt aus dem Einschalt-Widerstand RDS(ON) und der Gate-Ladung (Kapazität) des MOSFETs und spiegelt so die beiden Verlustarten wider.

Abhängig von der Art der Ansteuerung sind verschiedene Verluste zu betrachten. Bei synchroner Gleichrichtung werden die Low-Side-MOSFETs eingeschaltet, wenn der Strom im Freilauf durch ihre Body-Dioden läuft. Damit lassen sich die Leitungsverluste der Body-Diode (PLoss = IF × VF) signifikant reduzieren, da Infineon den Einschaltwiderstand mit jeder neuen Generation senkte. Trotzdem ist die Body-Diode immer noch für einen Großteil der Verluste verantwortlich. Um diesen Aspekt zu adressieren, hat Infineon MOSFETs mit integrierter Schottky-Diode entwickelt, wodurch sich die Durchlassspannung reduzierte, was dann wiederum zu verringerten Verlusten bei der Diode führte. Hierbei handelt es sich um die Optimos-FD-Komponenten.

Bild 2: Darstellung der Leistungsverluste mit Leitungs- (Cond) und Schaltverlusten (SW-) auf der High-Side (HS) und Low-Side (LS) eines MOSFETs. Auch die Verluste der Body-Diode (D) sind dargestellt. Die Leitungsverluste auf der Low-Side der Body-Diode dominieren und können mit LSI-MOSFETs reduziert werden.

Bild 2: Darstellung der Leistungsverluste mit Leitungs- (Cond) und Schaltverlusten (SW-) auf der High-Side (HS) und Low-Side (LS) eines MOSFETs. Auch die Verluste der Body-Diode (D) sind dargestellt. Die Leitungsverluste auf der Low-Side der Body-Diode dominieren und können mit LSI-MOSFETs reduziert werden. infineon

Bild 2 zeigt die Leistungsverluste gemessen an einem 3-Phasen-Wechselrichter mit Block-Kommutierung und PWM-Ansteuerung (6-stufig) mit synchronisierter Gleichrichtung. Die Versorgungsspannung beträgt 18 V, der betrachtete MOSFET ist ein BSC010N04 in LS- oder LSI-Version.

Das Diagramm zeigt, dass sowohl die Leitungs- als auch die Schaltverluste (SW-) auf der High- als auch Low-Side der MOSFETs eine Rolle spielen. Dabei lassen sich drei Erkenntnisse ableiten:

  • Schaltverluste auf der Low-Side können vernachlässigt werden.
  • Leitungsverluste auf der Low-Side sind der dominierende Anteil der Verluste.
  • Die LSI-Version (Fast Diode) der MOSFETs mit integrierter Schottky-Diode bietet um etwa 25 Prozent geringere Verluste, die allerdings von den Systembedingungen wie der Stromstärke abhängen.

Die Schaltverluste hängen eng mit der Schaltfrequenz zusammen. Typische Frequenzen für Wechselrichter in der Robotik liegen bei 10 bis 40 kHz. Je höher die Schaltfrequenz liegt, desto höher fallen die Schaltverluste aus. Die Optimos-Lösungen von Infineon mit extrem geringem Einschaltwiderstand und Gate-Ladung reduzieren beide Arten von Verlusten. Allerdings sind Verluste grundsätzlich unvermeidbar und resultieren in Wärme bei den Leistungsschaltern. Daher kommt dem Thermomanagement in Antrieben eine wichtige Rolle zu, speziell wenn man an die hohen Leistungsdichten in Roboter-Armen denkt.

Infineons DirectFET-Gehäuse (Bild 3) bieten eine doppelseitige Kühlung mit direkter Verbindung zwischen dem Silizium-Chip und dem Metallgehäuse, das selbst an der Unterseite mit dem PCB verbunden ist. Somit ergibt sich ein minimierter thermischer Widerstand zur Umgebung. Die Wärmeverteilung erfolgt effizient über Chip-Gehäuse auf die Leiterplatte und auch über das Gehäuse an der Oberseite. Für kritische Anwendungen kann zudem ein Kühlkörper zum Einsatz kommen. Aufgrund der Low-Profile-Ausführung ist das Gehäuse auch für platzkritische Applikationen geeignet. In Bild 3 wird der thermische Widerstand von DirectFET- und D2PAK-Gehäusen verglichen, dabei ist dieser bei DirectFET nur etwa halb so groß – 8,1° C/W im Vergleich zu 16,8° C/W.

Lösungen für schnell schaltende Antriebe finden Sie auf der folgenden Seite.

Bild 3: DirectFET-Gehäuse ermöglichen ein thermisch optimiertes Design für hochdichte Antriebe. Hier der Vergleich der thermischen Widerstände zwischen DirectFET- und D2PAK-Gehäusen.

Bild 3: DirectFET-Gehäuse ermöglichen ein thermisch optimiertes Design für hochdichte Antriebe. Hier der Vergleich der thermischen Widerstände zwischen DirectFET- und D2PAK-Gehäusen. Infineon

Lösungen für schnell schaltende Antriebe

Für Entwickler bieten GaN-Bauelemente einige Vorteile. Merkmale wie sehr geringe Einschaltwiderstände ermöglichen geringere Leitungsverluste als bei Silizium-Alternativen, geringere Kapazitäten führen zu reduzierten Schaltverlusten und ein verbessertes Reverse-Recovery-Verhalten für die Body-Diode macht GaN-Bauelemente auch zur einer Lösung für schnell schaltende Leistungs-Applikationen.

Eine höhere Schaltfrequenz kann die Leistungsfähigkeit des Antriebs verbessern, indem beispielsweise die Drehmoment-Welligkeit reduziert wird. In anderen Anwendungen wie Stromversorgungen kann die Technik dafür sorgen, die Größe und damit die Kosten magnetischer Komponenten zu reduzieren.

Erhöht der Entwickler die Schaltfrequenz, muss er auch die Leistung des Controllers entsprechend anpassen. So muss die PWM-Auflösung für die gesamte Regelschleife die erforderliche Genauigkeit liefern. Für diese eher anspruchsvollen Anwendungen mit steigenden Frequenzen bietet Infineon beispielsweise die Mikrocontroller der XMC4100-Familie mit hochauflösenden PWM-Modulen. Für Regelungen, die den Duty Cycle per Taktzyklus berechnen, muss auch die Rechenleistung mit höheren Schaltfrequenzen ansteigen. Infineon liefert hierfür ein breites Spektrum an Controllern mit unterschiedlicher Leistungsfähigkeit, von der XMC1000-Familie mit dem ARM-Cortex-M0 und 32 MHz bis zur XMC4000-Familie mit dem ARM-Cortex-M4F und 144 MHz. Die AURIX-Mikrocontroller können auch Anwendungen mit noch höherer Performance und hoher funktionaler Sicherheit abdecken. Letztlich resultiert eine höhere Frequenz für die Regelschleife in einer verbesserten Motordynamik und einer präziseren Steuerung.

Bild 4: Normalisierte Ausführungszeit für Kosinus- und Divisions-Funktionen mit einer ARM® Cortex™-M0-CPU ohne Mathematik-Coprozessor (Standard) und mit einem XMC1300 mit integriertem Mathematik-Coprozessor und Divisions-Einheit.

Bild 4: Normalisierte Ausführungszeit für Kosinus- und Divisions-Funktionen mit einer ARM Cortex-M0-CPU ohne Mathematik-Coprozessor (Standard) und mit einem XMC1300 mit integriertem Mathematik-Coprozessor und Divisions-Einheit. Infineon

Das Controller-Portfolio von Infineon bietet darüber hinaus auch spezielle Mathematik-Coprozessoren, speziell für die Berechnungen in Motorsteuerungen. Mit dem Coprozessor lässt sich die Ausführzeit der Regelstrecke mit Mikrocontroller der XMC1000-Familie gegenüber Standard-Implementierungen reduzieren. Bild 4 zeigt einen entsprechenden Vergleich für die Ausführung von Kosinus- und Divisions-Funktionen, wie sie oft in Motorsteuerungs-Algorithmen wie der feldorientierten Regelung (FOC) Verwendung finden.

Fazit

Mit jeder neuen Robotergeneration optimieren Entwickler alle Design-Parameter. Dabei stehen für die Feinabstimmung unterschiedliche Halbleiterlösungen zur Auswahl. Technische Parameter wie die Schaltfrequenz und der thermische Widerstand für das Endprodukt definieren die Anforderungen für die Antriebe. Für ein effizientes System müssen die Verluste (Schalt- und Leitungsverluste) minimiert und das Thermomanagement optimiert werden.

MOSFETs mit integrierter Schottky-Diode können die Durchlass-Spannung und damit die Verluste in der Diode minimieren. Darüber hinaus können Designer die Vorteile von neuen Gehäuse-Technologien wie DirectFET für ein optimiertes Thermomanagement nutzen. Neue Wide-Band-Gap-Lösungen wie GaN-Bauelemente ermöglichen Antriebe mit hohen Schaltfrequenzen, und das bei hoher Genauigkeit und kompakten Abmessungen.

Pablo Yelamos Ruiz

Infineon

Walter Paul Kirsch

Infineon

(prm)

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