Robotica: ultima generazione

Il ricorso crescente ai robot è una realtà ormai assodata. Anche se alcuni detrattori sostengono che l'automazione porterà alla perdita di posti di lavoro, finora tutte le prove indicano invece che la robotica migliora la produttività, la sicurezza, i costi e che, di fatto, crea nuovi posti di lavoro. Si prevede che entro la fine dell'anno il numero dei robot industriali in funzione in tutto il mondo salirà a circa 2,6 milioni di unità.

Dai dati della International Federation of Robotics (IFR) pubblicati lo scorso anno emerge una media globale di 74 robot industriali installati ogni 10.000 dipendenti. I numeri hanno mostrano anche che la media era decisamente più alta nei paesi in cui la produttività misurata era maggiore. Ad esempio, la Germania, Singapore e la Repubblica di Corea sono i paesi con il maggior numero di robot installati ogni 10.000 dipendenti, rispettivamente con 309, 488 e 631 unità.

Inoltre, nel settore automotive tedesco, ad esempio, l'aumento dell'automazione robotica è stato accompagnato da un contemporaneo aumento del numero di dipendenti. Questo effetto positivo sul numero di posti di lavoro dovuto alla maggiore automazione è stato confermato da uno studio pubblicato dal ZEW (Centro per la ricerca economica europea), in collaborazione con l'Università di Utrecht. Da ciò si può dedurre che l'abbassamento dei costi di produzione derivante dall'aumento dell'automazione porta a una riduzione dei prezzi di mercato che rende i prodotti più attraenti per i consumatori e incrementa la domanda. Questo aumento della domanda stimola a sua volta la crescita dell'occupazione.

Inoltre, l'industria pesante e il settore manifatturiero non sono le uniche aree che risentono positivamente dell'impatto dei robot. I progressi si allargano sempre più anche fuori dalle fabbriche, ad esempio aumentano l'efficienza delle consegne nello shopping online o stimolano l'entusiasmo degli studenti nei confronti delle discipline tecnico-scientifiche (STEM = scienza, tecnologia, ingegneria e matematica).

Per sviluppare sistemi robotici molto intelligenti e sofisticati, servono tecnologie analogiche ed embedded innovative. Per agevolare la comprensione di come funzionano i progetti di sistemi robotici, Texas Instruments (TI) offre kit di apprendimento che aiutano gli studenti a colmare le lacune degli attuali programmi di ingegneria. Di seguito vengono presi in esame alcuni degli strumenti di TI attualmente disponibili:

Robot industriali

TIDA-01600 - Progetto di riferimento e diagnostica per il controllo intelligente dei freni per servocomandi e robotica: questo progetto di riferimento di TI (Figura 1) fornisce segnali di uscita a due canali per controllare un freno di stazionamento esterno e implementare la funzionalità di controllo sicuro del freno nei servocomandi secondo IEC EN 61800-5-2. Dal punto di vista funzionale, il freno di stazionamento viene bloccato quando la bobina che lo aziona interrompe l'alimentazione e viene rilasciato quando viene applicata tensione. Per rendere possibili queste azioni, gli interruttori di carico elettronici intelligenti che alimentano la bobina vengono abilitati/disabilitati. In questo progetto di riferimento sono incluse anche caratteristiche diagnostiche per rilevare diversi tipi di guasti e garantire così un funzionamento sicuro. Per generare i segnali di controllo del freno ed eseguire la diagnostica, il progetto utilizza il LaunchPad C2000.

Figura 1: Immagine del progetto di riferimento dei freni intelligenti per servocomandi e robotica TIDA-01600 di Texas Instruments. (Immagine per gentile concessione di Texas Instruments)

LMZ14201TZ-ADJ/NOPB - Modulo di alimentazione SIMPLE SWITCHER per tensione di uscita elevata: i moduli di alimentazione serie LMZ1420x di TI sono dotati di un induttore schermato integrato, un layout della PCB semplice e un sequenziamento flessibile dell'avvio che utilizzano l'avvio graduale esterno e l'abilitazione di precisione. Questi moduli di alimentazione proteggono da correnti di inserzione, UVLO in ingresso e cortocircuito sull'uscita. La ridotta generazione di calore del sistema è dovuta alla loro elevata efficienza. Ogni modulo di alimentazione di questa serie ha un'unica piazzola esposta e una piedinatura standard per facilitare il montaggio e la produzione.

ISO7842: questo isolatore digitale 2/2 a 4 canali rinforzato (certificato secondo VDE, CSA, CQC e TUV) ha una tensione di isolamento di 8000 VPK. L'isolatore ISO7842 isola gli I/O digitali CMOS o LVCMOS fornendo al tempo stesso un'immunità elettromagnetica elevata e basse emissioni in presenza di un basso consumo energetico. Ogni canale di isolamento ha un buffer di logica di ingresso e uscita separato da una barriera di isolamento al biossido di silicio (SiO₂).

TPS7B6933QDBVRQ1: i dispositivi TPS7B69xx-Q1 sono regolatori lineari a bassa caduta di tensione, progettati per funzionare fino a 40 VIN. Il dispositivo TPS7B6933QDBVRQ1 ha una corrente di quiescenza di 15 μA (tipica) a basso carico che lo rende adatto per i sistemi di unità a microcontroller in standby, specie nelle applicazioni automotive. Questi dispositivi sono dotati di protezione integrata da cortocircuito e sovracorrente e hanno un intervallo di temperatura di funzionamento tra -40 °C e +125 °C. Tali caratteristiche fanno di TPS7B6925-Q1, TPS7B6933-Q1 e TPS7B6950-Q1 dei prodotti particolarmente idonei per varie applicazioni di alimentazione per il settore automotive.

TPS27S100APWPR: gli interruttori intelligenti high-side TPS27S100x di TI sono interruttori high-side a canale singolo completamente protetti, con NMOS integrato e una pompa di carica. TPS27S100APWPR offre diagnostica completa e monitoraggio estremamente accurato della corrente per il controllo intelligente del carico. È anche presente una funzione di limitazione della corrente regolabile che può migliorare notevolmente l'affidabilità del sistema. Le funzioni di monitoraggio accurato della corrente e di limitazione della corrente regolabile distinguono questo dispositivo dai dispositivi simili attualmente sul mercato.

ULN2003APWR: questo dispositivo di TI è un array di transistor ad alta corrente. ULN2003APWR è costituito da sette coppie Darlington NPN, ognuna dotata di uscite ad alta tensione con diodi di clamp a catodo comune per la commutazione di carichi induttivi. Ogni coppia Darlington di questo dispositivo ha una corrente nominale del collettore di 500 mA. Queste coppie Darlington possono essere installate in parallelo per supportare requisiti di corrente più elevati. Le applicazioni di esempio includono driver di lampade, driver di display (LED e a scarica di gas), buffer di logica, martelli a percussione, driver di linea e driver di relè.

TVS3300DRVR: TVS3300 protegge i sistemi da transitori di corrente elevata o da fulmini con uno shunt fino a 35 A della corrente di guasto IEC 61000-4-5 e fornisce una soluzione al requisito EMC della linea di segnale industriale comune di reggere fino a una tensione a circuito aperto di 1 kV IEC 61000-4 -5 accoppiata tramite un'impedenza di 42 Ω. Questo dispositivo assicura un clamping piatto e preciso durante un guasto utilizzando un meccanismo di retroazione esclusivo che assicura un'esposizione del sistema inferiore a 40 V. La rigida regolazione della tensione offre ai progettisti la possibilità di scegliere con sicurezza componenti del sistema con tolleranze di tensione inferiori, riducendo i costi totali e la complessità senza sacrificare la robustezza.

Logistica e robot di servizio

Progetto di riferimento per sensore di distanza a ultrasuoni con IO-Link - Progetto di riferimento di TI: questo progetto (Figura 2), dotato di un sensore di distanza a ultrasuoni, entra in un alloggiamento M12 grazie al suo layout ottimizzato e all'alto livello di integrazione. Un'interfaccia IO-Link progettata per la comunicazione con il controllo del sistema rende il dispositivo pronto per Industry 4.0. I sensori a ultrasuoni vengono utilizzati per rilevare e/o misurare le distanze degli oggetti indipendentemente dal loro colore, dalla loro trasparenza o dalle caratteristiche della loro superficie. Questo dispositivo è idoneo per ambienti industriali difficili come fabbriche e impianti di processo.

Figura 2: Progetto di riferimento TIDA-01386 di Texas Instruments per un sensore a ultrasuoni della distanza con IO-Link. (Immagine per gentile concessione di Texas Instruments)

Cavo EtherCAT P® One per alimentazione e progetto di riferimento per EtherCAT® - Progetto di riferimento di TI: in questo progetto di riferimento viene mostrata la coppia di alimentazione nel circuito di un'implementazione fisica del dispositivo di alimentazione EtherCAT P®. Questo progetto di riferimento soddisfa tutti i requisiti della guida di implementazione ufficiale di EtherCAT P, comprese funzionalità come limite di corrente continua, limite di corrente di spunto e protezione da polarità inversa.

Progetto di riferimento per protezione contro i picchi transitori per il modulo di ingresso analogico del PLC - Progetto di riferimento di TI: questo progetto si prefigge di mostrare le capacità di protezione dei dispositivi di protezione a 33 V di TI (come TVS3300 illustrato in precedenza) progettati per l'automazione e il controllo delle fabbriche. Questo progetto ha la precisione richiesta per misurare il comportamento del dispositivo di protezione prima e dopo uno stress EMI rispetto a perdite e tensione di tenuta all'impulso.

TVS3300DRV-EVM: TVS3300DRV-EVM di TI aiuta i progettisti a valutare il funzionamento e le prestazioni di TVS3300 (illustrato in precedenza), un clamp di precisione che mantiene la tensione di tenuta all'impulso ultra-bassa e piatta durante gli eventi di sovratensione transitori. Grazie a questa tecnologia di precisione di TI per picchi transitori, la tensione di tenuta all'impulso di TVS3300 presenta cambiamenti minimi indipendentemente dall'ampiezza della corrente di picco transitorio. Anche la risposta ai picchi transitori è rapida, limitando la tensione di sovraelongazione quando si verifica il clamping. Nel modulo di valutazione TVS3300DRV-EVM sono incluse due serie di basette con morsetti a vite per test in linea per uso generale di varie configurazioni di connettore. Per facilitare i test, la scheda comprende inoltre due porte di ingresso per spina a banana e quattro connettori SMA da 50 Ω che semplificano il collegamento a un oscilloscopio.

LM5166DRCT: questo dispositivo è un convertitore buck sincrono con IQ ultrabassa da 3 a 65 V, compatto e facile da usare. Vanta un'alta efficienza negli ampi intervalli di corrente di carico e di tensione di ingresso. I MOSFET di potenza high-side e low-side integrati permettono di erogare fino a 500 mA di corrente di uscita a tensioni di uscita fisse di 3,3 o 5 V o a un'uscita regolabile. Il progetto di questo convertitore semplifica l'implementazione e allo stesso tempo offre opzioni per ottimizzare le prestazioni dell'applicazione di destinazione. L'opzione di modalità PFM (modulazione della frequenza di impulso) di LM5166DRCT può essere selezionata per ottenere un controllo ottimale dell'efficienza a basso carico o del tempo di servizio costante (COT) per una frequenza operativa quasi costante. È importante notare che nessuno schema di controllo richiede la compensazione dell'anello per poter fornire una risposta eccellente al transitorio linea e carico e una modulazione della larghezza di impulso (PWM) per grandi rapporti di conversione step-down.

PGA460TPWRQ1: PGA460-Q1 di TI ha un core DSP avanzato in questo driver trasduttore a ultrasuoni su chip altamente integrato e un condizionatore del segnale. Il dispositivo include una coppia di driver low-side aggiuntivi in grado di pilotare un trasduttore in una topologia basata su trasformatore mediante un trasformatore step-up oppure in una topologia a comando diretto mediante FET high-side esterni. Questo dispositivo è in grado di ricevere e condizionare il segnale dell'eco a ultrasuoni riflesso per il rilevamento affidabile degli oggetti. A questo fine viene utilizzato un front-end analogico (AFE) composto da un amplificatore a basso rumore seguito da uno stadio di guadagno programmabile variabile nel tempo che alimenta un ADC. Il segnale digitalizzato dall'ADC viene quindi elaborato nel core DSP. Il rilevamento di oggetti sia campo vicino che nel campo lontano viene poi calcolato utilizzando soglie variabili nel tempo.

MSP430FR5959IRHAR: la piattaforma FeRAM a bassissimo consumo (ULP) MSP430 combina FeRAM embedded e un'architettura del sistema a bassissimo consumo che consente di aumentare le prestazioni e abbassare i consumi energetici. In questi dispositivi TI utilizza la tecnologia FeRAM, combinando la velocità, flessibilità e resistenza della SRAM con la stabilità e l'affidabilità della flash, ma con un assorbimento di energia molto minore. Il portafoglio FeRAM MSP430 ULP è costituito da un insieme diversificato di dispositivi caratterizzati da FeRAM, CPU ULP a 16 bit MSP430 e periferiche intelligenti specifiche per varie applicazioni. L'architettura ULP offre sette modalità a bassa potenza, ottimizzate per prolungare la durata della batteria in applicazioni sensibili ai requisiti energetici.

TIOL111: questa famiglia di transceiver implementa l'interfaccia IO-Link per la comunicazione bidirezionale industriale punto-punto. Quando è collegato a un master IO-Link tramite un'interfaccia a tre fili, TIOL111 funge da strato fisico completo per la comunicazione. In questo caso, il master può avviare la comunicazione e scambiare dati con il nodo remoto. Questi dispositivi sono in grado di sopportare fino a 1,2 kV (500 Ω) di picco transitorio IEC 61000-4-5 e sono dotati di protezione integrata dalla polarità inversa.

Progetto di riferimento con stadio di potenza da 10,8 V/15 W, efficienza >90%, di 2,4 cmq per servocomandi in c.c. a spazzole - Progetto di riferimento di TI: questo progetto di riferimento con stadio di potenza di 15 W (Figura 3) misura appena 12x20 mm. È stato concepito per pilotare e controllare la posizione di un motore in c.c. a spazzole (BDC) alimentato da una batteria Li-Ion da tre a sei celle. Rappresenta una soluzione altamente efficiente ed è ottimizzato con un fattore di forma molto piccolo che può essere facilmente inserito nella cassa di un motore. Supporta inoltre un controllo preciso della posizione del motore. Questo progetto di riferimento è anche in grado di pilotare un motore ad alta velocità senza alcuna retroazione sulla posizione e presenta un rilevamento della corrente rapido e accurato per un controllo di precisione della coppia. Infine, l'MCU su scheda offre la connettività UART, permettendo il controllo con un qualsiasi controller esterno.

Figura 3: Progetto di riferimento TIDA-01588 di Texas Instruments per uno stadio di potenza per un servocomando in c.c. a spazzole. (Immagine per gentile concessione di Texas Instruments)

Progetto di riferimento di un'interfaccia sensore di vibrazioni IEPE per l'ingresso analogico del PLC - Progetto di riferimento di TI: il rilevamento delle vibrazioni è una componente critica nel monitoraggio delle condizioni industriali ed è indispensabile per la manutenzione predittiva. Il sensore di vibrazioni più comune utilizzato nell'ambiente industriale è quello piezoelettrico elettronico integrato (IEPE). Il cuore di questo progetto di riferimento (Figura 4) è rappresentato da un front-end analogico completo per un'interfaccia sensore IEPE. Questo progetto dimostra la conversione a basso consumo, flessibile e ad alta risoluzione e alta velocità dei dati del sensore IEPE, che è possibile ottenere in un'implementazione di dimensioni ridotte.

Figura 4: Progetto di riferimento di un'interfaccia sensore di vibrazioni TIDA-01471 di Texas Instruments per ingressi analogici del PLC (Immagine per gentile concessione di Texas Instruments)

MSP430FR2433IRGER: questa famiglia di microcontroller MSP430FRx a bassissimo consumo basati su FeRAM di TI offre il consumo energetico più basso e una grande varietà di periferiche integrate per un'ampia gamma di applicazioni portatili e a basso consumo. Questi MCU sono perfetti per le applicazioni in cui operano principalmente in modalità standby. Inoltre, la famiglia di MCU basata su FeRAM MSP430FRx di recente ha aggiunto opzioni per estese capacità di registrazione e sicurezza dei dati. MSP43FR2433 è inserito in un piccolo contenitore VQFN (4×4 mm), ideale per sensori industriali con fattore di forma compatto, ed è combinato con diverse periferiche integrate a complemento del suo bassissimo consumo energetico.

TPS70933DRVR: la serie TPS709xx di regolatori lineari di TI è caratterizzata da una corrente di quiescenza estremamente bassa, ideale per applicazioni con particolari requisiti di consumo energetico. Grazie a un intervallo di banda di precisione e a un amplificatore di errore, questi dispositivi hanno una precisione del due percento rispetto all'intervallo della temperatura di funzionamento. La bassa corrente di quiescenza di 1 µA ne fa delle soluzioni perfette per applicazioni alimentate a batteria e sempre attive con una dissipazione di potenza molto bassa quando sono in stato di inattività. Questa famiglia di dispositivi presenta altre funzionalità di sicurezza, tra cui protezioni per arresto termico, limite di corrente e inversione di corrente.

DRV8870DDAR: DRV8870 di TI è un driver per motore in c.c. a spazzole da 3,6 A che può essere utilizzato in applicazioni come apparecchiature industriali, elettrodomestici, stampanti e altre macchine di piccole dimensioni. I due ingressi logici controllano il driver per motori a ponte H basati su MOSFET, a quattro canali N, che può controllare i motori in modo bidirezionale con una corrente di picco di 3,6 A. Per controllare la velocità del motore, gli ingressi possono essere modulati in ampiezza di impulso, utilizzando modalità selezionabili di decadimento della corrente. Quando entrambi gli ingressi sono impostati bassi, i dispositivi entrano in modalità di sospensione a basso consumo. DRV8870 è anche dotato di regolazione integrata della corrente, basata sull'ingresso analogico VREF e sulla tensione ISEN del pin che proviene da un resistore di rilevamento esterno attraverso il quale scorre la corrente del motore. La capacità del dispositivo di limitare la corrente a un livello noto riduce in modo significativo i requisiti di alimentazione del sistema e i condensatori extra necessari per mantenere stabile la tensione del motore, soprattutto nelle condizioni di avvio e di stallo.

ESD122DMXR: questo array di diodi di protezione ESD TVS bidirezionale di TI è progettato per la protezione del circuito USB Type-C™ e HDMI 2.0 e per dissipare le scariche ESD da contatto al livello massimo specificato in IEC 61000-4-2 (17 kV a contatto, 17 kV in aria). ESD122 offre una bassa capacità IO per canale e una piedinatura adatta per l'instradamento del segnale ad alta velocità differenziale simmetrico. È quindi ideale per la protezione di interfacce ad alta velocità fino a 10 Gbps in applicazioni come USB 3.1 Gen2 e HDMI 2.0. Un'ulteriore protezione a livello di sistema contro gli eventi transitori è assicurata dalla bassa resistenza dinamica del dispositivo e dalla bassa tensione di tenuta all'impulso. Inoltre, ESD122 è una soluzione ESD perfetta per linee Tx/Rx USB Type-C. Dato che il connettore USB Type-C ha due strati, l'utilizzo di dispositivi ESD a 4 canali richiederebbe dei fori di vias che deteriorano l'integrità del segnale. L'uso di quattro dispositivi ESD122 (a 2 canali) riduce però al minimo il numero di fori di vias e semplifica il layout della scheda.

TLV9061IDPWR: TLV9061, TLV9062 e TLV9064 sono amplificatori operazionali a uno, due e quattro uscite a bassa tensione (1,8 V ~ 5,5 V) con capacità di oscillazione in ingresso e uscita rail-to-rail. Questi dispositivi offrono soluzioni economicamente vantaggiose per applicazioni che richiedono bassa tensione, ingombro ridotto e pilotaggio di carichi capacitivi elevati. Anche se il pilotaggio di carichi capacitivi di TLV906x è di 100 pF, l'impedenza di uscita a circuito aperto resistivo facilita la stabilizzazione con carichi capacitivi maggiori. Come osservato in precedenza, questi amplificatori operazionali sono progettati espressamente per il funzionamento a bassa tensione (1,8 ~ 5,5 V) con specifiche di prestazioni simili ai dispositivi TLVx316 e OPAx316 di TI.

TVS3300DRVR: vedere la descrizione nella sezione "Robot industriali" sopra.

IWR1642: questo dispositivo, basato sulla tecnologia radar a onda continua modulata in frequenza (FMCW), è un sensore a onde millimetriche (mmWave) integrato a chip singolo in grado di funzionare nella banda da 76 a 81 GHz con un chirp continuo fino a 4 GHz. Realizzata sulla base del processo di TI RFCMOS a 45 nm a basso consumo, questa soluzione consente livelli di integrazione senza precedenti con un fattore di forma estremamente ridotto. Fra le soluzioni ideali per IWR1642 vi sono sistemi radar a basso consumo, autocontrollati ed estremamente accurati in applicazioni industriali come sorveglianza degli edifici, automazione industriale, movimentazione dei materiali, monitoraggio del traffico, automazione degli edifici e droni.

Conclusione

Le odierne tecnologie industriali richiedono sistemi robot estremamente intelligenti e sofisticati, oltre a tecnologie analogiche ed embedded innovative. Per supportarle, TI offre un'ampia varietà di soluzioni e progetti di riferimento che possono accelerare e addirittura semplificare lo sviluppo.