Robotica, de nieuwste generatie

Het is een feit dat het gebruik van robots gestaag toeneemt. Alhoewel tegenstanders zeggen dat de automatisering zal leiden tot het verlies van banen voor mensen, wijst alles er tot nu toe op dat robotica zorgt voor een verbetering van de productiviteit, veiligheid en kosteneffectiviteit en juist nieuwe banen creëert. Tegen het einde van dit jaar zal het aantal industriële robots wereldwijd naar verwachting tot ongeveer 2,6 miljoen eenheden zijn gestegen.

Uit de cijfers die de International Federation of Robotics (IFR) van vorig jaar publiceerde, bleek dat er wereldwijd gemiddeld 74 industriële robots zijn geïnstalleerd per 10.000 werknemers. De cijfers maakten ook duidelijk dat dit gemiddelde aanzienlijk hoger ligt in landen waar een verhoging in de productiviteit werd gemeten. Duitsland, Singapore en de Republiek Korea hebben bijvoorbeeld de grootste aantallen robots per 10.000 werknemers, met cijfers van respectievelijk 309, 488 en 631.

Daarnaast was er, bijvoorbeeld in de automotive sector in Duitsland parallel hieraan een stijging van het aantal werknemers die hand in hand gaat met de toename van de robotica-automatisering. Dit positieve effect op het aantal banen als gevolg van toegenomen automatisering werd bevestigd door een studie die gepubliceerd is door het ZEW (Centrum voor Europees Economisch Onderzoek), in samenwerking met de Universiteit van Utrecht. Hieruit kan worden afgeleid dat de lagere productiekosten als gevolg van verhoogde automatisering tot lagere marktprijzen leiden, waardoor de producten aantrekkelijker worden voor consumenten en de vraag dus toeneemt. Deze stijgende vraag leidt op zijn beurt tot banengroei.

Bovendien zijn industrie en productie niet de enige sectoren waar robots impact hebben. Ze beleven ook buiten de fabrieksvloer een grote opmars, bijvoorbeeld om de aflevering van in online winkelen aangeschafte artikelen efficiënter te maken of de betrokkenheid van studenten bij STEM-vakken te stimuleren (STEM staat voor science, technology, engineering, math).

Voor de meest intelligente en geavanceerde robotsystemen zijn innovatieve analoge en embedded technologieën vereist. Om te helpen een beter begrip te krijgen van hoe robotsysteemontwerpen werken, biedt Texas Instruments (TI) leerpakketten die studenten helpen een gat in de huidige engineering-curricula te vullen. Hieronder bespreken we enkele tools van TI die momenteel beschikbaar zijn:

Industriële robots

TIDA-01600 - Referentie-ontwerp slimme rembesturing en diagnostiek voor servoaandrijvingen en robotica: dit referentie-ontwerp van TI (Afbeelding 1) levert tweekanaals uitgangssignalen om een externe houdrem te besturen, om veilige rembesturingsfunctionaliteit in servoaandrijvingen te implementeren, zoals voorgeschreven door IEC EN 61800-5-2. Functioneel gezien wordt de houdrem vergrendeld wanneer de stroom naar de bedieningsspoel van de rem wordt onderbroken en ontgrendeld wanneer spanning wordt aangelegd. Om dit te bereiken, worden de slimme elektronische laadschakelaars, die voeding leveren aan de spoel, ingeschakeld/uitgeschakeld. In dit referentie-ontwerp zijn ook diagnosefuncties opgenomen, om verschillende storingen te detecteren en zo een veilige werking te garanderen. Om de rembesturingssignalen te genereren en de diagnosefuncties uit te voeren, gebruikt het ontwerp de C2000 Launchpad.

Afbeelding 1: TIDA-01600 referentie-ontwerp slimme rem voor servoaandrijving en robotica van Texas Instruments (Bron afbeelding: Texas Instruments)

LMZ14201TZ-ADJ/NOPB - SIMPLE SWITCHER voedingsmodule voor hoge uitgangsspanning: de voedingsmodules van de TI LMZ1420x-serie zijn voorzien van een geïntegreerde afgeschermde inductor, een eenvoudige PCB-lay-out en een flexibele opstartvolgorde die gebruikt maakt van externe softstart en precisievrijgave. Deze voedingsmodules bieden bescherming tegen inschakelstromen en ingangs-UVLO en bescherming tegen uitgangskortsluiting. De hoge efficiëntie van deze modules resulteert in een lagere warmteontwikkeling van het systeem. Elk model van deze serie van voedingsmodules heeft een enkele blootliggende pad en een standaard pin-out voor gemakkelijke montage en fabricage.

ISO7842: dit is een versterkte 4-kanaals 2/2 digitale isolator (gecertificeerd in overeenstemming met VDE, CSA, CQC en TUV) die een isolatiespanning van 8000-VPK heeft. De ISO7842 isolator isoleert digitale I/O's van CMOS of LVCMOS en biedt tegelijkertijd een hoge elektromagnetische immuniteit en lage emissies bij een laag stroomverbruik. Elk isolatiekanaal heeft een logische ingangs- en uitgangsbuffer, gescheiden door een isolatiebarrière die uit siliciumdioxide (SiO₂) materiaal bestaat.

TPS7B6933QDBVRQ1: de TPS7B69xx-Q1-apparaten zijn lineaire regelaars met lage uitval, ontworpen voor maximaal 40 V VI bewerkingen. De TPS7B6933QDBVRQ1 heeft een (typische) ruststroom van 15 µA bij lichte belasting, wat hem geschikt maakt voor systemen met standby microcontroller-unit, met name in automotive-toepassingen. Deze apparaten hebben een geïntegreerde beveiliging tegen kortsluiting en overstroom en een bedrijfstemperatuurbereik van -40 °C tot + 125 °C. Deze eigenschappen maken de TPS7B6925-Q1, TPS7B6933-Q1 en TPS7B6950-Q1 bijzonder geschikt voor gebruik in verschillende voedingstoepassingen in de automotive sector.

TPS27S100APWPR: de TPS27S100x slimme high-side schakelaars van TI zijn eenkanaals, volledig beveiligde, high-side schakelaars met geïntegreerde NMOS en een laadpomp. De TPS27S100APWPR beschikt over volledige diagnostiek en zeer nauwkeurige stroombewaking voor een slimme regeling van de belasting. Er is ook een instelbare stroombegrenzingsfunctie die de systeembetrouwbaarheid enorm kan verbeteren. De accurate stroombewaking en instelbare stroombegrenzing onderscheiden dit apparaat van gelijksoortige producten die momenteel op de markt zijn.

ULN2003APWR: dit apparaat van TI is een hoge-stroom transistor-array. De ULN2003APWR bestaat uit zeven NPN Darlington-paren die elk voorzien zijn van hoogspanningsuitgangen met klemdiodes met gemeenschappelijke kathode voor het schakelen van inductieve belastingen. Elk afzonderlijk Darlington-paar in dit apparaat heeft een nominale collectorstroom van 500 mA. Deze Darlington-paren kunnen parallel worden geschakeld om hogere stroomvereisten te ondersteunen. Voorbeeldtoepassingen zijn lamp-drivers, display-drivers (led en gasontlading), logische buffers, hamer-drivers, lijn-drivers en relais-drivers.

TVS3300DRVR: de TVS3300 beschermt systemen tegen hoge stroompieken of blikseminslag door tot 35 A van IEC 61000-4-5 foutstroom te shunten en biedt een oplossing voor de aan gemeenschappelijke industriële signaallijnen gestelde EMC-vereiste om te overleven bij een open circuitspanning van maximaal 1 kV IEC 61000-4-5 gekoppeld via een impedantie van 42 Ω. Dit apparaat verzekert een nauwkeurige, vlakke klemming tijdens een fout met behulp van een uniek feedbackmechanisme dat een systeemblootstelling lager dan 40 V garandeert. Door deze strakke spanningsregeling kunnen ontwerpers met een gerust hart kiezen voor systeemcomponenten met lagere spanningstoleranties, om de totale systeemkosten en -complexiteit te beperken zonder dat dit ten koste gaat van de robuustheid.

Logistiek- en servicerobots

Referentie-ontwerp ultrasone afstandssensor met IO-Link - TI referentie-ontwerp: dit ontwerp (Afbeelding 2) betreft een ultrasone afstandssensor die dankzij de geoptimaliseerde lay-out en het hoge niveau van integratie in een M12-behuizing past. Met zijn IO-Link interface, ontworpen voor communicatie met de systeembesturing, is dit apparaat reeds compatibel met Industry 4.0. Ultrasone sensors wordt gebruikt voor het detecteren en/of meten van objecten op afstand, ongeacht hun kleur, transparantie of oppervlaktekarakteristieken. Dit apparaat kan functioneren in industriële omgevingen met zware werkomstandigheden, zoals fabrieken en procesinstallaties.

Afbeelding 2: TIDA-01386 referentie-ontwerp voor een ultrasone afstandssensor met IO-Link. (Bron afbeelding: Texas Instruments)

EtherCAT P® één kabel voor voeding en EtherCAT® referentie-ontwerp - TI referentie-ontwerp: in dit referentie-ontwerp wordt het vermogenskoppel in de circuits van een fysieke implementatie van een EtherCAT P® stroombronapparaat getoond. Dit referentie-ontwerp voldoet aan alle vereisten van de officiële EtherCAT P implementatiehandleiding, inclusief functies zoals continue stroombegrenzing, inschakelstroombegrenzing en beveiliging tegen omgekeerde polariteit.

Referentie-ontwerp voor overspanningsbeveiliging voor analoge ingangsmodule PLC - TI referentie-ontwerp: het doel van dit ontwerp is het beschermingsvermogen van de 33-V beveiligingsinrichtingen van TI voor fabrieksautomatisering en besturing te laten zien (bijvoorbeeld de eerder besproken TVS3300). Dit ontwerp beschikt over de nauwkeurigheid die vereist is om het gedrag van beveiligingsinrichtingen voor en na belasting door EMI (elektromagnetische interferentie) te meten voor wat lekkage en klemspanning betreft.

TVS3300DRV-EVM: de TVS3300DRV-EVM van TI helpt ontwerpers bij het evalueren van de werking en prestaties van de TVS3300 (eerder besproken), een precisieklem die ultra-lage en vlakke klemspanning behoudt bij transiënte overspanningen. Met deze precisietechnologie voor spanningspieken van TI vertoont de klemspanning van de TVS3300 minimale veranderingen, ongeacht de piekstroomamplitude. Ook biedt het apparaat een snelle respons op spanningspieken en beperkt het de overshoot-spanning wanneer klemming optreedt. Er zijn twee sets van schroefklemstiftlijsten inbegrepen voor algemeen in-line testen van verschillende connectorconfiguraties in de TVS3300DRV-EVM evaluatiemodule. Bovendien zijn twee ingangspoorten voor banaanstekkers inbegrepen, voor gemakkelijk testen, en zitten er ook vier 50 Ω SMA connectors op het bord om aansluiting om een oscilloscoop te vereenvoudigen.

LM5166DRCT: dit is een compacte, gemakkelijk te gebruiken 3 V tot 65 V, ultra-lage IQ synchrone buck converter. Dit apparaat biedt een hoge efficiëntie over een breed ingangsspannings- en belastingstroombereik. De geïntegreerde high-side en low-side vermogens-MOSFET's maken het mogelijk om tot 500 mA uitgangsstroom te leveren op een vaste uitgangsspanning van 3,3 V of 5 V, of op een regelbare uitgang. Dit converterontwerp vereenvoudigt de implementatie en biedt tegelijkertijd opties voor het optimaliseren van de prestaties van de doeltoepassing. De optie voor pulsfrequentiemodulatiemodus (PFM) van de LM5166DRCT kan worden geselecteerd om optimale efficiëntie bij lichte belasting te verkrijgen of een constante regeling van de inschakeltijd (constant on-time - COT) voor een vrijwel constante werkingsfrequentie Het is belangrijk om op te merken dat geen van de besturingsschema's luscompensatie nodig heeft om in staat te zijn om een uitstekende respons op lijn- en belastingstransiënten te bieden en een korte pulsbreedtemodulatie (PWM) inschakeltijd voor grote step-down omzettingsverhoudingen.

PGA460TPWRQ1: de PGA460-Q1 van TI is voorzien van een geavanceerde DSP-core in deze in hoge mate geïntegreerde system-on-chip ultrasone transducer-driver en signaalconditioner. Het apparaat bevat een complementair low-side driverpaar waarmee het een transducer kan aansturen in ofwel een op een transformator gebaseerde topologie met behulp van een step-up transformator ofwel in een topologie met directe aandrijving met behulp van externe high-side FET's. Dit apparaat is in staat om het gereflecteerde ultrasone echosignaal te ontvangen en te conditioneren, voor betrouwbare objectdetectie. Om dit te doen wordt een analoge front-end (AFE), bestaande uit een versterker met lage ruis gevolgd door een programmeerbare in de tijd variërende versterkingstrap gebruikt die naar een ADC gaat. Het gedigitaliseerde signaal van de ADC wordt vervolgens verwerkt in de DSP-core. Vervolgens worden zowel nabije-veld als verre-veld objectdetectie berekend met behulp van in de tijd variërende drempels.

MSP430FR5959IRHAR: het MSP430 ultra-low-power (ULP) FRAM platform combineert embedded FRAM en een systeemarchitectuur met ultralaag vermogen om hogere prestaties te verkrijgen bij lagere energiebudgetten. TI gebruikt in deze apparaten FRAM-technologie omdat het de snelheid, de flexibiliteit en het uithoudingsvermogen van SRAM combineert met de stabiliteit en betrouwbaarheid van flash, bij een veel lager vermogen. De MSP430 ULP FRAM-portfolio beschikt over een gevarieerde set van apparaten waaronder FRAM, de ULP 16-bits MSP430 CPU en intelligente randapparatuur voor uiteenlopende toepassingen. De ULP-architectuur heeft zeven modi met laag vermogen, elk geoptimaliseerd om een langere levensduur van de batterijen te verkrijgen voor toepassingen waar het energiebeheer een kritieke factor is.

TIOL111: deze familie van transceivers is uitgerust met een IO-Link interface voor industriële bidirectionele, point-to-point communicatie. De TIOL111 werkt als een complete fysieke laag voor communicatie wanneer hij via een driedraads interface wordt verbonden met een IO-Link master. In dit geval kan de master de communicatie initiëren en gegevens uitwisselen met de externe node. Deze apparaten beschikken over verschillende beveiligingsfuncties, onder meer het vermogen om maximaal 1,2 kV (500 Ω) van de door IEC 61000-4-5 voorgeschreven piekspanning te weerstaan en een geïntegreerde beveiliging tegen omgekeerde polariteit.

10,8-V/15-W, >90% efficiëntie, 2,4-cm2, referentie-ontwerp vermogenstrap voor servoaandrijving DC-borstelmotor - TI referentie-ontwerp: dit referentie-ontwerp van een vermogenstrap van 15 W (Afbeelding 3) meet slechts 12 mm x 20 mm. Dit referentie-ontwerp is bedoeld voor het aansturen en regelen van de positie van een DC-borstelmotor (BDC) die op een Li-ion batterij met drie tot zes cellen werkt. Dit ontwerp biedt een uitermate efficiënte oplossing en is geoptimaliseerd met een zeer kleine vormfactor die gemakkelijk in een motorhuis past en precieze regeling van de motorpositie ondersteunt. Dit referentie-ontwerp is bovendien ook in staat om een motor op hoge snelheid aan te sturen zonder enige positie-feedback en biedt snelle en accurate stroomdetectie voor hoogwaardige koppelregeling. Tot slot biedt de MCU op de kaart UART-connectiviteit, zodat regeling met een externe controller mogelijk is.

Afbeelding 3: TIDA-01588 referentie-ontwerp van Texas Instruments voor een vermogenstrap voor een DC-borstelmotor servoaandrijving. (Bron afbeelding: Texas Instruments)

Referentie-ontwerp IEPE-trillingssensorinterface voor analoge PLC-ingangen - TI referentie-ontwerp: trillingsdetectie is een kritiek component voor bewaking in industriële omgevingen en een noodzaak voor predictief onderhoud. De meest voorkomende trillingssensor die in de industriële omgevingen wordt gebruikt, is de geïntegreerde elektronische piëzo-elektrische (IEPE) sensor. Het hart van dit referentie-ontwerp (Afbeelding 4) is een geheel analoog front-end voor een IEPE-sensorinterface. Dit ontwerp demonstreert dat in een implementatie met kleine voetafdruk een flexibele omzetting van IEPE-sensorgegevens met laag vermogen, hoge resolutie en hoge snelheid mogelijk is.

Afbeelding 4: TIDA-01471 referentie-ontwerp interface trillingssensor voor analoge PLC-ingangen. (Bron afbeelding: Texas Instruments)

MSP430FR2433IRGER: deze op ultralaag vermogen werkende MSP430FRx FRAM-gebaseerde microcontrollerfamilie van TI biedt het laagste stroomverbruik en een grote verscheidenheid aan geïntegreerde randapparatuur voor een breed scala aan draagbare laagvermogen-toepassingen. Deze MCU's zijn perfect voor toepassingen waarbij de MCU primair in standby-modus werkt. Bovendien werden onlangs opties voor uitgebreide datalogging en beveiligingsmogelijkheden aan de de MSP430FRx FRAM-gebaseerde MCU-familie toegevoegd. De MSP43FR2433 zit in een klein VQFN-pakket (4 mm × 4 mm), ideaal voor industriële sensors met kleine vormfactor, en is gecombineerd met een verscheidenheid aan geïntegreerde randapparatuur om zijn ultra-lage stroomverbruik te complementeren.

TPS70933DRVR: de TPS709xx-serie van lineaire regelaars van TI bieden een ultra-lage ruststroom, ideaal voor stroom-gevoelige toepassingen. Deze apparaten hebben een nauwkeurigheid van twee procent over het bedrijfstemperatuurbereik dankzij het gebruik van een precisieversterker voor band-gaps en fouten. De lage ruststroom van 1 µA maakt deze apparaten tot perfecte oplossingen voor toepassingen die op batterijen werken en altijd ingeschakeld zijn, met zeer weinig vermogensdissipatie in inactieve toestand. Deze familie van apparaten beschikt over aanvullende veiligheidsfuncties, zoals thermische uitschakeling, stroombegrenzing en sperstroombeveiliging.

DRV8870DDAR: de DRV8870 van TI is een 3,6 A DC-borstelmotordriver die kan worden gebruikt voor toepassingen als industriële apparatuur, huishoudelijke apparaten, printers en andere kleine machines. De twee logische ingangen besturen de vier N-kanaal MOSFET H-bridge motordriver die motors bidirectioneel kan aansturen met een piekstroom van 3,6 A. Om het motortoerental te regelen kunnen de ingangen pulsbreedtegemoduleerd zijn, met behulp van selecteerbare stroomvervalmodi. Wanneer beide ingangen laag zijn ingesteld, gaan de apparaten naar een slaapstand met laag stroomverbruik. De DRV8870 beschikt ook over geïntegreerde stroomregeling die is gebaseerd op de analoge ingang VREF en de ISEN-spanning van de pen, die afkomstig is van een externe meetweerstand waar de motorstroom doorheen stroomt. Het vermogen van het apparaat om de stroom te begrenzen tot een bekend niveau zorgt voor een significante verlaging van de vermogensvereisten van het systeem en de bulkcapaciteit die nodig is om de motorspanning stabiel te houden, met name bij het opstarten of bij afslaan van de motor.

ESD122DMXR: deze bidirectionele TVS ESD beschermingsdiode-array van TI is ontworpen voor USB Type-C™ en HDMI 2.0 circuitbeveiliging en is is ingesteld voor dissipatie van ESD-pieken bij contact op het gespecificeerde maximumniveau dat is aangegeven in IEC 61000-4-2 (17 kV contact, 17 kV luchtspleet). De ESD122 biedt een lage IO-capaciteit per kanaal en heeft pin-out die geschikt is voor symmetrische differentiële hoge-snelheid signaalroutering, waardoor hij ideaal is voor de beveiligingsvereisten van high-speed interfaces van maximaal 10 Gbps in toepassingen zoals USB 3.1 Gen2 en HDMI 2.0. Verdere bescherming op systeemniveau tegen transiënten wordt verzekerd door de lage dynamische weerstand en de lage klemspanning van het apparaat. Daarnaast is de ESD122 een perfecte ESD-oplossing USB type-C Tx/Rx lijnen. Aangezien de USB type-C connector twee lagen heeft, zou gebruik van 4-kanaals ESD-apparaten VIA's vereisen, waardoor de signaalintegriteit achteruitgaat. Het gebruik van vier ESD122 (2-kanaals) apparaten zou het aantal VIA's tot het minimum beperken en de lay-out van de printplaat vereenvoudigen.

TLV9061IDPWR: de TLV9061, TLV9062 en TLV9064 zijn respectievelijk enkele, dubbele en viervoudige op lage spanning (1,8 V tot 5,5 V) werkende operationele versterkers (opamps) met rail-to-rail ingangs- en uitgangs-schommelingcapaciteiten. Deze apparaten bieden uitermate kosteneffectieve oplossingen op lage spanning en hoge capaciteit werkende belastingaansturingstoepassingen met kleine voetafdruk. Alhoewel de TLV906x capacitieve belastingaansturing 100 pF is, maakt de resistieve open-loop uitgangsimpedantie het stabiliseren bij hogere capacitieve belastingen eenvoudiger. Deze opamps zijn, zoals eerder gezegd, specifiek ontworpen om op lage spanning te werken (1,8 V tot 5,5 V), en hebben prestatiespecificaties die sterke gelijkenis vertonen met die van de TLVx316 en OPAx316 van TI.

TVS3300DRVR: zie de beschrijving in de paragraaf “Industriële robots” hierboven.

IWR1642: dit apparaat, gebaseerd op frequentie-gemoduleerde continue golf (FMCW) radartechnologie, is een geïntegreerde single-chip mmWave-sensor die in de 76 tot 81 GHz-band kan werken met maximaal 4 GHz continue chirp. Deze oplossing, gebouwd met het low-power 45 nm RFCMOS proces van TI, maakt ongekende niveaus van integratie mogelijk met een extreem kleine vormfactor. Oplossingen die ideaal zijn voor de IWR1642 zijn onder meer op laag vermogen werkende, zelf-bewaakte, ultra-accurate radarsystemen in industriële toepassingen als bewaking, fabrieksautomatisering, materiaalhantering, verkeerscontrole, automatisering in gebouwen en drones.

Conclusie

De huidige industriële technologieën vereisen de allerintelligentste en geavanceerde robotsystemen, samen met innovatieve analoge en embedded technologieën. Daarom biedt TI een grote verscheidenheid aan oplossingen en referentie-ontwerpen die de ontwikkeling kan versnellen en zelfs vereenvoudigen.