为产线中的协作机器人和 AGV 选择合适的电源

自动化制造越来越依赖协作机器人 (cobot) 与自动导引车 (AGV) ，来提升生产效率并降低产品一致性波动。协作机器人在紧邻人类工人的区域工作，通常比传统工业机器人更轻、更小，搬运负载更轻、运行速度更慢、施加的接触力也更低。AGV 则在厂区内移动，负责物料与小件货物的转运。两者在供电方面各有其独特挑战。

协作机器人通常由 AC/DC 电源供电，电源必须跟得上其动态功率需求——这类需求会随负载重量、运动速度与轨迹复杂度而变化。AGV 以电池为动力，需要快速充电以减少停机时间，这就要求充电站具备足够功率来实现快充。

两类应用都需要可靠、高效且拥有相应认证的电源方案。

本文将剖析工业制造自动化中，协作机器人与 AGV 设计人员面临的典型供电难题，并介绍 Advanced Energy 的解决方案，重点说明该方案如何帮助设计人员满足这些要求。

协作机器人和 AGV 的电源要求

协作机器人与 AGV 电源的关键要求包括：小体积、高可靠性、大功率输出，以及针对短路、过载、过压、过温等状况的完备保护机制。它们还必须满足电磁兼容性(EMC) 要求，以尽量减少对其他设备的干扰，并符合针对用户和周围设备的基本电气和物理安全规定。

协作机器人的电源必须应对高度变化的功率需求，因为其功耗随机械臂所搬运负载的重量、动作的复杂程度以及所需的变化率而波动。此外，协作机器人可能需要同时驱动多个关节电机，这就要求电源具备较高的最大功率容量。由于协作机器人内部空间极为有限，电源必须尽可能小巧，这意味着需要高功率密度。工业和工厂自动化环境 7×24 小时连续运转，对可靠性要求极高，需要长平均故障间隔时间 (MTBF)。同时，大幅波动的功率负载还要求电源的控制环路动态特性在负载变化和频繁出现的环境恶劣条件下始终保持稳定。

AGV 自主完成物料和货物的运输，无需人工监管。借助传感器和视觉系统，AGV 能减少人为失误，提升效率与安全性，降低工伤事故风险。AGV 通常以电池供电，因此需要快速且不显眼的充电站，以最大限度减少中断和停机。

在创新与市场窗口期决定成败的当下，协作机器人和 AGV 的设计团队往往缺乏资源去自行设计并实现一套成本可控的合适电源方案。他们真正需要的，是一整套有专业技术支撑、经过验证的可靠电源产品组合，从而让自己把精力集中在应用差异化上，而非电源开发上。

Advanced Energy LCM1500 系列电源

协作机器人和 AGV 的设计人员可选用 Advanced Energy 的 LCM1500 系列（图 1）AC/DC 电源，以满足制造自动化对性能、可靠性、效率和安全性方面的全部要求。LCM1500 凭借其前沿电路设计（含数字反馈控制）、精挑细选的元器件以及自动化生产制程，打造出了高性能、低成本的电源产品。该产品线还提供多种选项和自定义配置能力。

图 1：LCM1500 电源配置示例，展示了端子块（左）和插片（右）输出连接。（图片来源：Advanced Energy）

LCM1500 的标准输出电压为 12 V、15 V、24 V、28 V、36 V 和 48 V，覆盖各类制造自动化应用场景。例如，协作机器人普遍采用 48 V 供电来构建公共 DC 电源总线，再分别分配至各可动关节的独立电机。LCM1500 的输出电压可在 ±10% 范围内调节，设定点精度达 0.5%。LCM1500 封装于 2.5 × 5.2 × 10 英寸 (in.) 的外壳内，适用于机箱安装方式；在 1,500 W 输出功率下，其体积功率密度达到 12 W/in³。

如此高的功率密度需要强制风冷。LCM1500 通过安装在电源后面板上的双路“智能风扇”实现散热，风扇转速由软件动态调节以匹配实际冷却需求。前面板开有冲孔进风口以保证气流通过，其余外壳壁面为实体封闭结构。这些电源采用 2.5 英寸的高度，使其非常适合安装于 2U 机架外壳内。

较高输出电压版本配备重载端子块用于输出连接；而 12 V 和 15 V 版本因输出电流可达 100 安培 (A) 及以上，改用了插片式触头。

LCM1500 系列电源额定工作温度范围为 -40 至 70°C，其中 50°C 以上输出功率呈线性降额，到 +70°C 时限制为满功率的 50%（图 2）。

图 2：所示为 LCM1500 系列电源的温度降额曲线。（图片来源：Advanced Energy）

根据 Bellcore 332 第 6 版规范（环境温度为 +25°C 至 +40°C，满载条件下），该系列电源的 MTBF 超过 300,000 小时。根据实测性能数据，在正常工作条件下，该系列产品的 MTBF 可超过 500,000 小时。

这些电源的输入电压范围为 90 V_AC 至 264 V_AC，电源频率为 47 Hz 至 440 Hz。其输入功率因数通常为 0.99，输入浪涌电流限制在 25 A。

得益于数字反馈控制，总电压调整率（含线损、负载变化、温漂和预热效应）控制在 2% 以内。这些电源可以共享输出电流，最多可将 10 个电源并联以提升总输出功率。

需关注的保护功能

LCM1500 系列电源具有多重保护功能，这对于协作机器人这类应用尤为必要——当某个关节电机卡滞时可能从电源汲取过大电流。关键保护功能如下：

• 过压保护 (OVP)：输出端出现过压时关闭电源。可防止电源故障期间 AGV 电池过充，并通过 AC 输入断电-上电循环清除故障。
• 过流保护 (OCP)：内置限流电路，在过载或短路情况下限制电流。过载清除约 20 秒 (s) 后，OCP 自动尝试恢复。
• 短路保护 (SCP)：输出端对地或对另一输出端短路时保护所有输出。与 OCP 一样，短路消除 20 s 后自动恢复输出。
• 过温保护 (OTP)：满载工况下环境温度超过 +55°C 时关闭电源；温度回落至安全值后 OTP 自动清除。
• AC 输入线路上设有 30 A 保险丝，为内置式，不可由用户自行更换。

前面板上设有两个状态 LED，分别指示 AC 电源接入状态 (ACOK) 和 DC 输出的工作状态，或者指示正常运行 (DCOK) 或关断模式 (FAIL)（图 3）。

图 3：LCM1500 前面板视图显示了状态 LED 指示灯的位置和主要连接。（图片来源：Advanced Energy，由 Art Pini 修改）

电源正常时两个 LED 亮起绿灯；故障时熄灭。图中同时标示了前面板上主要的输入、输出及控制连接器。

PMBus 简化了电源管理

行业标准 PMBus 是一种基于 I²C 的通信协议，专用于电源管理，兼容各类电源管理产品，包括 AC/DC 电源，。LCM1500 系列通过信号连接器引出了 I²C 接口端口，可通过 PMBus 命令对电源进行监视与控制，包括开关机、状态监测、输出电压设定等。远程控制功能对机器人设备的交互式管控尤为实用——例如在协作机器人闲置时将电源切入待机模式以降低能耗。

标准认证

LCM1500 系列符合工业自动化应用的电气安全、EMC 和国际法规要求，包括 IEC/EN/UL 62368-1 和相关标准认证（图 4）。

图 4： 所示为 LCM1500 的安全、EMC、工业、医疗及国际法规认证与审批汇总。（图片来源：Advanced Energy Industries）

LCM1500 系列的设计同时保证符合 FCC 第 15 部分、CISPR 32、EN55022 以及 EN61000 (IEC 61000) 相关条款的抗扰度要求，确保了在有多个射频源与接收器必须共存的工厂环境中，能够满足电磁兼容性 (EMC) 要求。

LCM1500 电源选项和配置

LCM1500 提供多种配置版本，便于设计人员根据具体应用要求选型。

LCM1500Q-T-4：1,500 W，标称输出 24 V，最大电流 67 A。可选内置 5 V 待机电源总线，可为辅助电路提供最高 2 A 电流，待机电源通过 20 针控制连接器提供。

LCM1500W-T-B：1,500 W 前端电源，单路 48 V 输出，最大电流 33 A。包含两个选项：反向气流和恒流模式。反向气流选项颠覆了标准的后进前出气流模式，改为从前面板进风、经后置风扇排出；恒流模式通过改变电压使输出电流维持在固定水平。

LCM1500Q-T-5：1,500 W，24 V，最大 67 A，同样带 5 V 待机电源选项，并在所有电路板上加涂了三防漆。

三防漆可以帮助电路板抵御工业环境中的湿气和颗粒物污染。

结语

协作机器人与 AGV 设计人员需要的是可靠的电源方案，这些电源需具备高功率输出，且采用紧凑、符合工厂环境要求的外形尺寸。Advanced Energy 的 LCM1500 系列电源以 1,500 W 输出为基础，配合宽范围的输出电压与丰富的可选特性，正是制造环境中协作机器人和 AGV 系统所需的理想电源之选。