利用 48V 机器人技术：提高工业自动化的效率和功率

对电气系统效率和成本效益的需求正在推动 48V 系统在各行业的采用。这些更高电压的系统为传统 12V 或 24V 架构提供了更优化的替代方案，特别是在高功率传输至关重要的情况下。工业自动化和电信利用 48V 为电机、执行器和其他大功率设备供电。

使用48V系统的优点包括：

• 驱动更大的负载： 与难以满足现代电源要求的 12V 系统不同

• 较低的电流： 更高的电压将电流需求降低四倍

• 减少功率损耗： 更低的电流意味着更少的功率损耗、更少的热量消散和更高的效率；工作电压较高

• 更高的功率密度： 集成 48V 解决方案可实现更高的功率密度空间，从而在清洁能源系统中实现更远的行驶里程和更低的能量损失

• 更轻的布线： 更细的电缆可以降低成本并减少重量和空间。

配电系统的历史

6V配电系统成为早期汽车点火和照明的实用标准，很大程度上受到当时电池广泛使用的影响。其简单性和易用性使其成为受欢迎的选择。尽管 24V 系统最初进行了试验（例如，在 1912 年的凯迪拉克汽车上配备了电动启动器），但 6V 系统很快就在大多数汽车电气功能中占据了主导地位。

随着汽车技术的进步，对收音机、加热器以及后来的电动车窗等电气配件的需求开始增长。这给电气系统带来了更大的压力，凸显了 6V 设置的局限性。 12V 系统具有一个关键优势：对于相同的功率输出，仅需要一半的电流，从而降低了过热风险，并允许使用更轻、更易于管理的接线。

可靠的 12V 铅酸电池和交流发电机的开发进一步支持了这一转变。多年来，随着这些组件变得更容易生产且更具成本效益，12V 系统成为新标准。这导致了兼容电气部件的设计和广泛采用，包括在更高电压下更有效运行的照明和电机。

传统系统的挣扎

AMT49100 三相 BLDC 栅极驱动器。 （图片来源：Allegro）

传统的 12V 系统无法满足现代电力需求，而传统的 12V 系统目前是电力传输的支柱。考虑到功率损耗和电缆厚度等因素，12V 系统的局限性就变得显而易见。

随着功率需求的增加，12V 系统内的电流也会以线性方式增加 (P =V * I)。这会导致从电源到负载的任何接线都会产生更高的功率损耗（Ploss =I2 * R）。

这些功率损耗表现为不必要的热量和降低的系统效率。此外，管理更高的电流需要更粗更重的电缆，这会增加系统设计的重量和成本。

工业自动化设备

这些 48V 系统越来越多地用于工业自动化和机器人领域，与低压系统相比，可提供更高的功率和更高的安全性。这包括电机、传感器和栅极驱动器等组件，旨在满足工业应用的更高电压和功率需求。

这些系统中的电流较低，减少了热量的产生和潜在的火灾危险。与更高电压的系统相比，48V 系统需要较少的绝缘，这可能是紧凑设计的一个因素。由于它们低于 60V 安全限值，因此通常被视为 SELV（安全超低电压），这意味着它们被设计为可以安全地直接接触非屏蔽设备。

这些系统通过减少能量损失、实现更快的控制、实现更小、更轻的设备、提高灵活性和改进热管理来提高效率和精度。

高效率的 48V 解决方案

ACS37220 低电阻电流传感器。 （图片来源：Allegro）

Allegro 提供广泛的传感器和电源 IC 产品，可用于各种机器人应用的 48 V 系统设计。 Allegro 的 48 V 解决方案减少了功率损耗，这意味着轻度混合动力汽车的燃油经济性得到切实提高，显着延长了所有电动汽车的续航里程，并提高了太阳能逆变器的能量转换效率。

Allegro 的电机和栅极驱动器为汽车和工业自动化中使用的 48V 电机和执行器提供精确、高效的控制，从而提高生产率和可靠性。其集成电流传感器 IC 支持高压应用，而数字位置传感器提供稳健性和可靠性以补充电机驱动器。

自主移动机器人 (AMR) 在动态环境中导航以进行物流和检查，要求精确的运动、强大的电池管理和可靠的障碍物检测。 Allegro 的集成电机驱动器、用于定位和负载感应的磁传感器以及高效的电源管理 IC 增强了 AMR 性能，优化能源使用并确保不同环境下的操作安全。

协作机器人 (cobot) 与人类安全协作，需要精确的运动、先进的安全功能 (SIL-2/3) 以及用于铰接关节的高效动力。 Allegro 的 48V 栅极驱动器、高分辨率位置传感器和精确电流传感器可实现强大的关节性能、可靠的制动和优化的电源管理，从而实现可靠的人机协作。

人形机器人旨在实现类似人类的运动和交互，需要复杂的驱动、动态平衡和复杂的感知。 Allegro 先进的伺服电机控制、多功能多轴位置传感和高效的电源管理技术是人形机器人众多关节所需的复杂机械结构和苛刻性能的基础。

为什么停在 48V？

ACSEVB-EZ7-37220-100B3 ACS37220 电流传感器评估板（左）。适用于 AHV85111 隔离栅极驱动器的 APEK85111KNH-02-T-MH 评估板（右）。 （图片来源：Allegro）

这一限制背后的主要因素是必须满足的安全标准。 UL 和 NFPA 等组织将低于 60 V 的电压归类为 SELV，认为人类接触非屏蔽设备时可以安全。在 48V 以上运行的系统需要更强大的组件和工程来确保足够的绝缘和隔离，这增加了总体成本和复杂性。

尽管 48V 系统可能具有成本效益，但由于需要专门的组件和接线，更高电压的系统通常会涉及更大的初始费用。它们的设计往往更加复杂，并且实施成本可能更高，因为专用零件要么更昂贵，要么需要更复杂的制造工艺。

推动人工智能革命

提供低延迟的人工智能响应需要大量的计算能力，这显着增加了数据中心的能源需求。为了提高效率并降低冷却要求，数据中心正在从 12V 电源系统过渡到 48V 电源系统。

电源设计的创新支持了这一转变，未来的发展旨在提高电源性能和密度。因此，数据中心需要配备高性能服务器、先进的冷却系统和强大的电源基础设施，以有效管理工作负载。

数据中心运营商越来越多地采用液体冷却、可再生能源和服务器虚拟化等节能技术，以减少碳足迹并降低运营成本。

结论

提高效率和降低冷却要求的需求推动了从 12V 到 48V 系统的转变。在工业自动化中，与较低电压选项相比，这些系统可提供更高的功率和更高的安全性。

电机、传感器和栅极驱动器等组件专为 48V 系统设计，重点关注安全性、功率输出、移动性和成本节约。凭借广泛的 48V 产品，Allegro 提供的解决方案可实现更高的集成度，并节省空间和能源，让您能够专注于您的应用。

Rich Miron 是 DigiKey（明尼苏达州 Thief River Falls）的高级技术内容开发人员。如需了解更多信息，请访问此处。