48V 로봇 공학 활용:산업 자동화의 효율성 및 성능 향상

전기 시스템의 효율성과 비용 효율성에 대한 요구로 인해 산업 전반에 걸쳐 48V 시스템이 채택되고 있습니다. 이러한 고전압 시스템은 특히 고전력 공급이 필수적인 경우 기존 12V 또는 24V 아키텍처에 대한 최적의 대안을 제공합니다. 산업 자동화 및 통신에서는 48V를 활용하여 모터, 액추에이터 및 기타 고전력 장비에 전력을 공급합니다.

48V 시스템을 사용하면 다음과 같은 장점이 있습니다.

• 더 큰 로드 유도: 최신 전력 요구 사항을 충족하는 데 어려움을 겪는 12V 시스템과 달리

• 낮은 전류: 전압이 높아지면 전류 요구 사항이 4배 감소합니다.

• 전력 손실 감소: 전류가 낮다는 것은 전력 손실이 적고, 방출되는 열이 적으며, 효율성이 높다는 것을 의미합니다. 더 높은 전압에서 작동

• 더 높은 전력 밀도: 통합 48V 솔루션은 더 높은 전력 밀도 공간을 가능하게 하여 청정 에너지 시스템에서 더 넓은 주행 거리와 더 낮은 에너지 손실을 가능하게 합니다.

• 더 가벼운 케이블 연결: 케이블이 얇아지면 비용이 절감되고 무게와 공간이 줄어듭니다.

배전시스템의 역사

6V 전원 분배 시스템은 당시 배터리의 광범위한 사용에 큰 영향을 받아 초기 자동차의 점화 및 조명을 위한 실용적인 표준이 되었습니다. 단순성과 사용 용이성으로 인해 인기 있는 선택이 되었습니다. 예를 들어 전기 스타터가 장착된 1912년 Cadillac에서 처음에는 24V 시스템이 시험되었지만 대부분의 자동차 전기 기능에서 6V 시스템이 빠르게 우위를 차지했습니다.

자동차 기술이 발전함에 따라 라디오, 히터, 파워 윈도우 등 전기 액세서리에 대한 수요가 증가하기 시작했습니다. 이는 전기 시스템에 더 큰 부담을 가해 6V 설정의 한계를 강조했습니다. 12V 시스템은 중요한 이점을 제공했습니다. 동일한 전력 출력에 대해 전류가 절반만 필요하므로 과열 위험이 줄어들고 더 가볍고 관리하기 쉬운 배선을 사용할 수 있습니다.

신뢰할 수 있는 12V 납산 배터리 및 교류 발전기의 개발은 이러한 전환을 더욱 뒷받침했습니다. 이러한 구성 요소가 수년에 걸쳐 생산하기가 더 쉬워지고 비용 효율성이 높아지면서 12V 시스템이 새로운 표준이 되었습니다. 이로 인해 더 높은 전압에서 더 효율적으로 작동하는 조명 및 모터를 비롯한 호환 가능한 전기 부품이 설계되고 널리 채택되었습니다.

전통 시스템의 투쟁

AMT49100 3상 BLDC 게이트 드라이버. (이미지 :알레그로)

현재 전력 공급의 중심이 되는 기존의 12V 시스템으로는 현대의 전력 수요를 충족할 수 없습니다. 전력 손실 및 케이블 두께와 같은 요소를 고려하면 12V 시스템의 한계가 명확해집니다.

전력 수요가 증가함에 따라 12V 시스템 내 전류도 선형 방식으로 증가합니다(P =V * I). 이로 인해 공급 소스에서 부하까지의 배선을 따라 더 높은 전력 손실이 발생합니다(Ploss =I2 * R).

이러한 전력 손실은 원치 않는 열과 시스템 효율성 저하로 나타납니다. 또한 더 높은 전류를 관리하려면 더 두껍고 무거운 케이블이 필요하므로 시스템 설계에 무게와 비용이 추가됩니다.

산업 자동화 장비

이러한 48V 시스템은 산업 자동화 및 로봇 공학에서 점점 더 많이 사용되고 있으며, 저전압 시스템에 비해 더 높은 전력과 향상된 안전성을 제공합니다. 여기에는 산업 응용 분야의 더 높은 전압 및 전력 수요를 처리하도록 설계된 모터, 센서, 게이트 드라이버와 같은 구성 요소가 포함됩니다.

이러한 시스템에 존재하는 낮은 전류는 열 발생과 잠재적인 화재 위험을 줄입니다. 고전압 시스템에 비해 48V 시스템은 절연이 덜 필요하므로 소형 설계의 한 요소가 될 수 있습니다. 60V 안전 한계 아래로 떨어지기 때문에 종종 SELV(안전 초저전압)로 간주됩니다. 즉, 차폐되지 않은 장비와 직접 접촉해도 안전하도록 설계되었습니다.

이러한 시스템은 에너지 손실을 줄이고 보다 빠른 제어를 가능하게 하며 더 작고 가벼운 장비, 향상된 민첩성 및 개선된 열 관리를 가능하게 하여 향상된 효율성과 정밀도를 제공합니다.

고효율 48V 솔루션

ACS37220 저저항 전류 센서. (이미지 :알레그로)

Allegro는 수많은 로봇 응용 분야에서 48V 시스템 설계에 사용할 수 있는 광범위한 센서 및 전력 IC 제품을 제공합니다. Allegro의 48V 솔루션을 통해 전력 손실이 감소하면 마일드 하이브리드의 연비가 눈에 띄게 증가하여 모든 전기 자동차의 주행 거리가 크게 확장되고 태양광 인버터의 에너지 변환 효율성이 향상됩니다.

Allegro의 모터 및 게이트 드라이버는 자동차 및 산업 자동화에 사용되는 48V 모터 및 액추에이터를 정확하고 효율적으로 제어하여 생산성과 신뢰성을 향상시킵니다. 통합 전류 센서 IC는 고전압 애플리케이션을 지원하는 반면, 디지털 위치 센서는 모터 드라이버를 보완하는 견고성과 신뢰성을 제공합니다.

자율 모바일 로봇(AMR)은 정확한 동작, 강력한 배터리 관리 및 안정적인 장애물 감지를 요구하면서 물류 및 검사를 위한 동적 환경을 탐색합니다. Allegro의 통합 모터 드라이버, 위치 지정 및 부하 감지용 자기 센서, 효율적인 전력 관리 IC는 AMR 성능을 향상시키고 에너지 사용을 최적화하며 다양한 설정에서 작동 안전을 보장합니다.

협동 로봇(cobot)은 인간과 안전하게 작업하므로 정확한 동작, 고급 안전 기능(SIL-2/3) 및 다관절 관절을 위한 효율적인 전력이 필요합니다. Allegro의 48V 게이트 드라이버, 고해상도 위치 센서 및 정확한 전류 센서는 안정적인 인간-로봇 협업을 위한 강력한 조인트 성능, 신뢰할 수 있는 제동 및 최적화된 전력 관리를 지원합니다.

휴머노이드 로봇은 정교한 작동, 동적 균형 및 복잡한 인식을 요구하는 인간과 유사한 동작 및 상호 작용을 목표로 합니다. Allegro의 고급 서보 모터 제어, 다용도 다축 위치 감지 및 효율적인 전력 관리 기술은 휴머노이드 로봇의 수많은 관절에 필요한 복잡한 기계 및 까다로운 성능의 기본입니다.

왜 48V에서 멈추나요?

ACSEVB-EZ7-37220-100B3 ACS37220 전류 센서용 평가 보드(왼쪽). AHV85111 절연 게이트 드라이버용 APEK85111KNH-02-T-MH 평가 보드(오른쪽). (이미지 :알레그로)

이 제한의 주요 요인은 충족되어야 하는 안전 표준이었습니다. UL 및 NFPA와 같은 조직에서는 60V 미만의 전압을 SELV로 분류하여 차폐되지 않은 장비와 사람이 접촉해도 안전하다고 간주합니다. 48V 이상에서 작동하는 시스템에는 적절한 절연과 절연을 보장하기 위해 더욱 견고한 구성 요소와 엔지니어링이 필요했으며, 이로 인해 전반적인 비용과 복잡성이 증가했습니다.

48V 시스템은 비용 효율적일 수 있지만, 고전압 시스템에는 특수 구성 요소 및 배선이 필요하기 때문에 초기 비용이 더 많이 드는 경우가 많습니다. 특수 부품의 가격이 더 비싸거나 더 복잡한 제조 공정이 필요하기 때문에 설계가 더 복잡해지고 구현 비용도 더 많이 들 수 있었습니다.

인공지능 혁명의 동력

지연 시간이 짧은 AI 응답을 제공하려면 상당한 컴퓨팅 성능이 필요하며, 이는 데이터 센터 에너지 수요를 크게 증가시킵니다. 효율성을 높이고 냉각 요구 사항을 줄이기 위해 데이터 센터는 12V에서 48V 전원 시스템으로 전환하고 있습니다.

전원 공급 장치 설계의 혁신은 전원 공급 장치 성능과 밀도 향상을 목표로 하는 향후 개발을 통해 이러한 변화를 지원합니다. 결과적으로, 데이터 센터에는 워크로드를 효과적으로 관리하기 위해 고성능 서버, 고급 냉각 시스템 및 강력한 전력 인프라를 갖추고 있어야 합니다.

데이터 센터 운영자는 탄소 배출량을 줄이고 운영 비용을 낮추기 위해 액체 냉각, 재생 가능 에너지원, 서버 가상화 등 에너지 효율적인 기술을 점점 더 많이 채택하고 있습니다.

결론

12V에서 48V 시스템으로의 전환은 효율성 향상과 냉각 요구 사항 감소에 대한 요구로 인해 이루어졌습니다. 산업 자동화에서 이러한 시스템은 저전압 옵션에 비해 더 높은 전력과 향상된 안전성을 제공합니다.

모터, 센서 및 게이트 드라이버와 같은 구성 요소는 안전, 전력 출력, 이동성 및 비용 절감에 중점을 두고 48V 시스템용으로 특별히 설계되었습니다. 다양한 48V 제품을 통해 Allegro는 더 높은 통합은 물론 공간 및 에너지 절약이 가능한 솔루션을 제공하므로 사용자는 애플리케이션에 집중할 수 있습니다.

Rich Miron은 DigiKey(미네소타주 Thief River Falls)의 수석 기술 콘텐츠 개발자입니다. 자세한 내용을 보려면 여기를 방문하세요.  .