Nästa generation robotteknik

Det är ett faktum att användningen av robotar ökar stadigt. Det finns visserligen en del motståndare som fruktar att automatiseringen kommer att innebära färre jobb för människor, men allt pekar så här långt att robotteknik i själva verket ökar produktiviteten, säkerheten och kostnadseffektiviteten medan den också skapar fler jobb. I slutet av det här året förutspås antalet industrirobotar som används globalt stiga till cirka 2,6 miljoner enheter.

IFT (International Federation of Robotics) publicerade förra året siffror som visade att det runtom i världen fanns i genomsnitt 74 industrirobotar installerade per 10 000 anställda. Siffrorna visade även att detta genomsnitt var märkbart högre i länder där också en ökande produktivitet kunde uppmätas. Som exempel hade Tyskland, Singapore och Sydkorea flest installerade robotar per 10 000 anställda med siffror på 309, 488 respektive 631.

Dessutom ökade till exempel samtidigt antalet anställda inom fordonssektorn i Tyskland parallellt med automatiseringen med robotteknik. Denna positiva effekt på antalet jobb tack vare en ökad automatisering bekräftas i en undersökning som publicerats av ZEW (Center for European Economic Research), i samarbete med universitetet i Utrecht. Med detta som utgångspunkt kan man förmoda att de reducerade produktionskostnader som uppstår vid ökad automatisering trycker ner marknadspriserna, vilket gör produkterna mer attraktiva för konsumenter och skapar en ökad efterfrågan. Denna ökade efterfrågan stimulerar jobbtillväxten.

Dessutom är industri och tillverkning inte de enda områden som påverkas av robotar. De gör alltfler inbrytningar utanför fabrikerna, och kan till exempel öka effektiviteten i leveranser inom onlinehandeln eller skapa större intresse för naturvetenskap, teknologi, ingenjörsvetenskap och matematik bland framtidens studenter.

För att utveckla intelligenta och sofistikerade robotsystem i toppklass krävs innovativa analoga och inbäddade tekniker. För att förstå mer på djupet hur system med robotteknik konstrueras, erbjuder Texas Instruments (TI) utbildningspaket som kompletterar dagens ingenjörsutbildningar. Nedan diskuterar vi en del av de verktyg från TI som är tillgängliga:

Industrirobotar

TIDA-01600 – Referensdesign för smart bromsstyrning och diagnostik för servodrivning och robotteknik: Denna referensdesign från TI (bild 1) innehåller tvåkanaliga utgångssignaler för styrning av en extern jämviktsbromsning vid implementering av säker bromsstyrning i servodrivning enligt IEC EN 61800-5-2. Jämviktsbromsningen fungerar så att den spärras när strömmen från bromsens magnetspole bryts, och frisläpps när spänningen slås till. Detta uppnås genom att de smarta elektroniska omkopplingsdonen som ger ström till spolen aktiveras/inaktiveras. Diagnostiska funktioner ingår också denna referensdesign för att detektera fel och därigenom säkerställa säker drift. För generering av bromsstyrningssignalerna och genomförande av diagnostiken används C2000 Launchpad.

Bild 1: Texas Instruments referensdesign TIDA-01600 – smart bromsstyrning för servodrivning och robotteknik (Bildkälla: Texas Instruments)

LMZ14201TZ-ADJ/NOPB – SIMPLE SWITCHER kraftmodul för hög utspänning: TI LMZ1420x-serien innehåller kraftmoduler med en integrerad avskärmad induktor, enkel PCB-layout och en flexibel startsekvens med extern mjukvarustart och precisionsaktivering. Kraftmodulerna tillhandahåller skydd mot inkopplingsström samt ingångs-UVLO och korslutningsskydd för utgångar. Systemets reducerade värmealstring är en följd av den höga effektiviteteten. I denna serie med kraftmoduler är varje modul utrustad med en exponerad dämpare och standardstift för enklare montering och tillverkning.

ISO7842: En förstärkt 4-kanalig 2/2 digital isolator (certifierad i enlighet med VDE, CSA, CQC och TUV) som har en 8000-VPK isoleringsspänning. ISO7842-isolatorn isolerar CMOS eller LVCMOS digitala I/O-gränssnitt och ger samtidigt en hög grad av elektromagnetisk immunitet och låga utsläpp vid låg effektförbrukning. Varje kanal med isolering har en logisk ingångs- och utgångsbuffert som separeras med en isolerande barriär bestående av ett silikon-dioxidmaterial (SiO₂).

TPS7B6933QDBVRQ1: TPS7B69xx-Q1-enheterna är linjära regulatorer med lågt bortfall avsedda för VI-drift upp till till 40 V. TPS7B6933QDBVRQ1-enheten har en 15 µA (typisk) vilström vid låg last vilket gör den väl lämpad för system med standby-mikrokontroller, i synnerhet fordonstillämpningar. Dessa enheter har integrerat skydd mot kortslutning och överström, och ett arbetstemperaturområde från -40 °C till +125 °C. Dessa funktioner gör TPS7B6925-Q1, TPS7B6933-Q1 och TPS7B6950-Q1 lämpliga för olika strömförsörjningstillämpningar inom fordonsbranschen.

TPS27S100APWPR: TPS27S100x Smart High-Side-strömställarna från TI är fullständigt skyddade enkanalsströmställare för högspänningssidan med integrerad NMOS och laddningspump. TPS27S100APWPR har fullständig diagnostik och effektövervakning med hög precision, vilket möjliggör en intelligent styrning av lasten. Det finns också en justerbar funktion för effektbegränsning, med vars hjälp system kan bli betydligt mer tillförlitliga. Både effektövervakningen och den inställningsbara effektbegränsningen är funktioner som gör att den här enheten sticker ut jämfört med konkurrenterna på marknaden.

ULN2003APWR: Denna TI-enhet är en högeffekts transistormatris. ULN2003APWR består av sju NPN Darlington-par där varje par har högspänningsutgångar med gemensamma katodklämdioder för växling av induktiva laster. Varje enskilt Darlington-par i den här enheten är klassificerade för kollektorström på 500 mA. Dessa Darlington-par kan parallellkopplas för att ge stöd till högre krav på effekt. Några exempel på tillämpningar är lampdrivare, displaydrivare (LED och gasurladdning), logikbuffertar, hammardrivare, linjedrivare och relädrivare.

TVS3300DRVR: TVS3300 skyddar system mot högspänning från transientspänningar eller åsknedslag genom att förbileda upp till 35 A av läckströmmen enligt IEC 61000-4-5, och skapar en lösning för det vanliga EMC-kravet på att signallinjer ska klara upp till 1 kV tomgångsspänning enligt IEC 61000-4-5 vid koppling genom en 42 Ω-impedans. Enheten säkerställer en precis, plan förregling vid fel med hjälp av en unik feedbackmekanism som ser till att systemet inte exponeras för mer än 40 V. Denna restriktiva spänningsreglering gör att konstruktören tryggt kan välja systemkomponenter med lägre spänningstoleranser, vilket i sin tur minskar totalkostnaderna och komplexiteten i systemet utan att göra det mindre tåligt.

Logistik- och servicerobotar

Referensdesign för ultraljudsavståndssensor med IO-länk – TI:s referensdesign: Denna design (bild 2) har en ultraljudsavståndssensor som ryms i ett M12-hölje tack vare den optimerade layouten och höga graden av integration. Med sitt IO-länksgränssnitt designat för kommunikation med systemkontrollen, är denna enhet Industry 4.0-förberedd. Ultraljudssensorer används för att detektera och/eller mäta avståndsobjekt oavsett deras färg, transparens eller ytegenskaper. Enheten fungerar i tuffa industrimiljöer, till exempel fabriker och processanläggningar.

Bild 2: Texas Instruments referensdesign TIDA-01386 – för avståndsultraljudssensor med IO-länk. (Bildkälla: Texas Instruments)

Referensdesign EtherCAT P® – en kabel för ström och EtherCAT® – TI:s referensdesign: Strömkopplingen på kretskortet i en EtherCAT P® -strömkälla visas fysiskt implementerad i den här referensdesignen. Denna referensdesign uppfyller alla krav i den officiella EtherCAT P- implementeringsguiden, inklusive kraven på funktioner såsom kontinuerlig effektbegränsning, begränsning av inkopplingsström och skydd mot omvänd polaritet.

Överspänningsskydd – referensdesign för PLC-analog ingångsmodul – TI:s referensdesign: Syftet med denna design är att visa de skyddande egenskaperna i TI:s 33-V-enheter (till exempel TVS3300 som diskuterats tidigare) avsedda för fabriksautomatisering och styrning. Denna design har den precision som krävs för att mäta beteendet i skyddsenheten före och efter att den utsatts för en EMI-påfrestning i form av läckage och förreglingsspänning.

TVS3300DRV-EVM: TVS3300DRV-EVM från TI hjälper konstruktörer att utvärdera drift och prestation för TVS3300 (se ovan), som är en precisionsklämma som håller spänningen ultralåg med en plan förregling under övertransientspänningar. Tack vare denna precisionsteknik från TI uppvisar TVS3300 minimala förändringar i spänningen vid förreglingen oavsett strömvågens amplitud. Tekniken reagerar också snabbt på strömvågor och begränsar översvängningsspänningen när förreglingen äger rum. Två uppsättningar skruvplintshuvuden ingår för generell testning med olika anslutningskonfigurationer i utvärderingsmodulen TVS3300DRV-EVM. Det finns dessutom två ingångsportar för banankontakter för enklare testning, och det finns även fyra SMA-kontakter på 50 Ω på kortet för smidig anslutning till oscilloskop.

LM5166DRCT: Denna enhet är en kompakt och lättanvänd 3 V till 65 V, ultralåg IQ-synkron buckomvandlare. Den har hög effektivitet över ett brett intervall med ingångsspänning och lastström. Integrerade MOSFET:ar på högspännings- och lågspänningssidan gör att upp till 500 mA utgångsström kan levereras med fast utgångsspänning på 3,3 respektive 5 V, eller med justerbar utmatning. Denna omvandlare har en design som gör implementeringen enklare genom att erbjuda alternativa sätt att optimera måltillämpningens prestanda. LM5166DRCT har ett alternativ för driftfrekvensmodulering (PFM) som kan väljas för att uppnå optimal effektivitet vid lätt last eller en COT-kontroll (constant on-time) för driftfrekvenser som är nära nog konstanta. Det är viktigt att notera att oavsett kontrollschema krävs ingen loopkompensering för att ge utmärkta svarstider för transientspänningar på linje- och lastsidan och kort pulsbreddmodulering (PWM) direkt i scenarier med stora nedtransformeringsförhållanden.

PGA460TPWRQ1: TI:s PGA460-Q1 har en avancerad DSP-kärna i detta högintegrerade system med ultraljudsomvandlare monterat på kretsen och signalkonditionerare. Enheten har ett kompletterande drivarpar på lågspänningssidan som gör att den kan driva en transduktor i en tranformatorbaserad topologi med hjälp av en upptransformerinngstransformator eller en topologi med direktdrivning och användning av externa FET:ar på högspänningssidan. Denna enhet har möjlighet att ta emot och konditionera den reflekterade ultraljudsekosignalen för tillförlitlig objektdetektering. Detta görs genom att en analog front-end-enhet (AFE) bestående av en förstärkare för låg brusnivå med ett efterföljande programmerbart tidsvarierande förstärkarsteg för matning till en ADC används. Den digitaliserade signalen från ADC:n behandlas sedan i DSP-kärnan. Såväl närfälts- som avståndsfältsdetektering av objekt beräknas sedan med hjälp av tidsvarierande gränsvärden.

MSP430FR5959IRHAR: MSP430 ultra-low-power (ULP) FRAM-plattformen består av en kombination av inbäddad FRAM och en ultralågseffektsarkitektur för ökade prestanda med lägre energibudgetar. TI använder FRAM-tekniken i dessa enheter eftersom den kombinerar den hastighet, flexibilitet och uthållighet som utmärker SRAM med den stabilitet och tillförlitlighet som kännetecknar flash-enheter till mycket lägre energiförbrukning. I MSP430 ULP FRAM-porföljen finns ett varierat ubud av enheter med FRAM som ULP 16-bitars MSP430 CPU och intelligent kringutrustning framtagen för specifika tillämpningar. ULP-arkitekturen har sju lågspänningslägen, där varje läge optimerats för att ge längre batteritid i olika tillämpningar där energiförbrukning är en viktig faktor.

TIOL111: I denna familj med sändtagare finns ett IO-länksgränssnitt för dubbelriktad punkt-till-punktkommunikation i industritillämpningar. TIOL111 fungerar som ett komplett fysiskt lager för kommunikation vid anslutning till en IO-länksmaster genom ett tretrådigt gränssnitt. I det här fallet kan mastern initiera kommunikation och utbyta data med fjärrnoden. Dessa enheter har ett skydd med kapacitet att motstå upp till 1,2 kV (500 Ω) överspänning enligt IEC 61000-4-5 och integrerat skydd mot omvänd polaritet.

Referensdesign för 10,8-V/15-W, >90% effektivitet, 2,4-cm2 effektsteg för växelströms servomotor med borstar - TI:s referensdesign: Denna referensdesign för effektsteget 15 W (bild 3) är inte större än 12 mm x 20 mm. Denna referensdesign är avsedd för drivning och styrning av positionen för en DC (BDC)-motor med borstar som drivs av ett tre- till sexcelligt litiumjonbatteri. Denna design skapar en högeffektiv lösning och är optimerad med mycket liten formfaktor som är lätt att passa in i motorhöljet, och som också ger stöd för en exakt motorpositionsstyrning. Denna referensdesign kan dessutom driva en motor i hög fart utan någon positionsfeedback och har en snabb och korrekt strömavkänning för varvtalsreglering. MCU på kortet ger slutligen anslutningskapacitet för UART vilket gör att den kan störas med valfri extern styrenhet.

Bild 3: Texas Instruments referensdesign TIDA-01588 för ett effektsteg i en DC-servomotor med borstar. (Bildkälla: Texas Instruments)

Referensdesignen IEPE vibrationssensorgränssnit för analog PLC-ingång - TI:s referensdesign: Vibrationssensorer är kritiska komponenter i industriell övervakning och obligatoriska för förebyggande underhåll. Den vibrationssensor som används mest i industrimiljöer är den integrerade elektroniska piezoelektriska sensorn (IEPE). Själva centrum i den här referensdesignen (bild 4) är en helt analog front-enhet i ett IEPE-sensorgränssnitt. I denna design demonstreras hur IEPE-sensordata kan omvandlas med låg strömförbrukning, hög upplösning och höghastighetskonvertering i en implementering med litet avtryck.

Bild 4: Texas Instruments referensdesign TIDA-01471 med vibrationssensorgränssnitt för analoga PLC-ingångar. (Bildkälla: Texas Instruments)

MSP430FR2433IRGER: I denna FRAM-baserade MSP430FRx-familj med mikrostyrenheter med ultralåg effektförbrukning från TI erbjuds lägsta möjliga effektförbrukning och ett stort sortiment med integrerade perifera enheter för en mängd olika lågeffektstillämpningar och bärbara tillämpningar. Dessa MCU:er är perfekta för tillämpningar där MCU:n primärt arbetar i standbyläge. Dessutom har den MSP430FRx FRAM-baserade mikrostyrenhetsfamiljen nyligen fått fler alternativ for utökad dataloggning och nya säkerhetsfunktioner. MSP43FR2433 kommer i ett litet VQFN-paket (4 mm × 4 mm), vilket är perfekt för industrisensorer med liten formfaktor, och kan kombineras med en rad olika integrerade perifera enheter som kompletterar den ultralåga effektförbrukningen.

TPS70933DRVR: TPS709xx-serien med linjära regulatorer från TI har ultralåg vilström, vilket gör dem idealiska för tillämpningar med hög strömkänslighet. Dessa enheter levererar två procents precision över arbetstemperaturområdet eftersom de använder sig av ett precisionsbandgap och en felförstärkare. Tack vare den låga vilströmmen på 1 µA blir dessa enheter perfekta lösningar för tillämpningar som drivs med batteri och som alltid är på, med mycket liten effektförlust i inaktivt tillstånd. Denna familj med enheter har fler säkerhetsfunktioner som avstängning på grund av överhettning, effektbegränsning och bakströmsskydd.

DRV8870DDAR: TI:s DRV8870 är en 3,6 A växelströmsdrivmotor med borstar som kan användas i tillämpningar som industriutrustningar, apparater, skrivare och andra små maskiner. De två logiska ingångarna styr drivmotorn med fyra N-kanals MOSFET H-brygga dubbelriktat med en toppeffekt på 3,6 A. För styrning av motorhastighet kan ingångarna pulsbreddmoduleras, med hjälp av valbara strömfallslägen. När båda ingångarna ställs in som låga, går enheterna över i ett viloläge med låg effekt. DRV8870 har även integrerad strömreglering baserad på den analoga VREF-ingången och ISEN-spänningsstiftet, som hämtas från en extern avkänningsresistor genom vilken motoreffekten strömmar. Enhetens förmåga att begränsa effekten till en känd nivå reducerar systemets strömkrav betydligt liksom den bulkkapacitans som krävs för att upprätthålla stabil motorspänning, särskilt under start och stopp.

ESD122DMXR: Denna dubbelriktade TVS ESD-skyddsdiodmatris från TI är utformad för USB Type-C™ och HDMI 2.0-kretsskydd, och klassificerad för avledning av kontakt-ESD-stötar vid den angivna maxnivå som anges i IEC 61000-4-2 (17 kV-kontakt, 17 kV luftgap). ESD122 har låg IO-kapacitans per kanal och ett stiftschema som är lämpat för symmetrisk differentiell omledning av höghastighetssignaler. Den blir därmed perfekt för skydd av höghastighetsgränssnitt på upp till 10 Gbps i tillämpningar som USB 3.1 Gen2 och HDMI 2.0. Ytterligare skydd på systemnivå mot transientspänningar säkerställs med enhetens låga dynamiska resistans och låga förreglingsspänning. ESD122 är dessutom en perfekt ESD-lösning för USB Type-C Tx/Rx-linjer. Eftersom USB Type-C-kontakten har två lager skulle fyrkanals ESD-enheter kräva att VIA:er används, vilket försämrar signalintegriteten. Om fyra ESD122 (tvåkanals) enheter används minimeras dock antalet VIA:er och kortlayouten blir enklare.

TLV9061IDPWR: TLV9061, TLV9062 och TLV9064 är singel, dubbel och fyrdubbel respektive lågspännings (1,8 V till 5,5 V) operationsförstärkare (opförstärkare) med kapacitet för spänningssving på ingång och utgång mellan skenorna. De här enheterna utgör mycket kostnadseffektiva lösningar för tillämpningar med låg effekt, litet avtryck och högkapacitiva lastdrivare. Även om TLV906x kapacitiva lastdrivare är 100 pF, gör den resistiva utgångsimpedansen i den öppna kretsen det enklare att stabilisera med högre kapacitivitet. Dessa operationsförstärkare är specifikt utformade för lågspänningsdrift (1,8 V till 5,5 V), som tidigare nämnts, och deras prestandaspecifikationer liknar dem för TI:s TLVx316- och OPAx316-enheter.

TVS3300DRVR: Se beskrivning i avsnittet ”Industrirobotar” ovan.

IWR1642: Denna enhet är baserad på FMCW-tekniken (frekvensmodulerad kontinuerlig vågradarteknik) och är en integrerad enkrets mmWave-sensor som kan arbeta i 76 till 81 GHz-bandet med upp till 4 GHz kontinuerlig frekvensförskjutning. Denna lösning är konstruerad med TI:s 45 nm RFCMOS-process med låg effekt, och möjliggör helt nya integrationsnivåer tack vare den extremt lilla formfaktorn. Bland lösningar som passar IWR1642 kan nämnas ultranoggranna radarsystem med låg effekt och självövervakning i industritillämpningar för ändamål som bevakning, fabriksautomatisering, materialhantering, trafikövervakning, fastighetsautomatisering och drönare.

Slutsatser

Dagens industritekniker kräver både intelligenta och sofistikerade robotsystem i toppklass samt innovativa analoga och inbäddade tekniker. Som stöd för denna utveckling erbjuder TI breda lösningar och referensdesigner med vars hjälp utvecklingen kan snabbas upp och till och med förenklas.