Bausteine für die nächste Gene­ra­tion der Robotik

5th December 2018
Source: Digi-Key
Posted By : Alex Lynn
Bausteine für die nächste Gene­ra­tion der Robotik

Es besteht kein Zweifel daran, dass Roboter auf dem Vormarsch sind. Und obwohl einige Skeptiker behaupten, dass die Automatisierung dem Menschen Arbeitsplätze wegnehmen wird, deutet alles auf eine Robotik hin, die zu höherer Produktivität, Kosteneffizienz und Sicherheit beiträgt und neue Arbeitsplätze schaffen wird. Es wird prognostiziert, dass bis zum nächsten Jahr die Zahl der weltweit eingesetzten Industrieroboter auf rund 2,6 Mio. Einheiten steigen wird.*

Die im vergangenen Jahr von der International Federation of Robotics (IFR) veröffentlichten Zahlen zeigen, dass im weltweiten Durchschnitt 74 Industrieroboter pro 10.000 Mitarbeiter im Einsatz sind. Die Zahlen aus Ländern mit steigender Produktivität waren aller­dings deutlich höher. Die meisten instal­lierten Roboter pro 10.000 Mitarbeiter gibt es in Korea, Singapur und Deutschland, nämlich 631, 488 bzw. 309 Einheiten.**

Und in der deutschen Automobilindustrie, beispiels­weise, stieg die Mitarbeiterzahl parallel zum Wachstum der Roboterautomation. Der positive Effekt der Automatisierung auf die Anzahl der Arbeitsplätze wurde durch eine Studie des ZEW in Zusammenarbeit mit der Universität Utrecht bestätigt. Im Wesentlichen führen reduzierte Produktionskosten zu günstigeren Marktpreisen. Die steigende Nachfrage führt dann zu mehr Arbeitsplätzen.

Doch nicht nur in der Industrie und Produk­tion spielen Roboter eine immer wichtigere Rolle. Außerhalb von Fabriken steigern sie beispiels­weise die Effizienz der Logistik von Online-Shops oder tragen dazu bei, dass Studenten sich für MINT-Fächer begeistern.

Innovative Analog- und Embedded-Technologien ermöglichen es Ingenieuren, hochintelligente und hochanspruchsvolle Robotersysteme zu entwickeln. Die Lernkits von Texas Instruments (TI) schließen eine Lücke in bestehenden Technik-Lehrplänen und vermitteln Studenten ein tieferes Verständnis für Robotik-Design. Nachfolgend werden einige TI-Tools beschrie­ben, die bei Digi-Key erhält­lich sind.

Industrieroboter

TIDA-01600 – Referenzdesign für smarte Bremssteuerung/-diagnose in Servo-Antriebssystemen: Dieses Referenzdesign liefert ein zweikanaliges Ausgangssignal zur Ansteuerung einer externen Feststellbremse und reali­siert eine sichere Brems­steue­rung nach IEC EN 61800-5-2.

Die Feststellbremse wird beim Abschalten der Stromversorgung angezogen und beim Anlegen einer Spannung an die Spule gelöst. Dies wird durch Aktivieren/Deaktivieren der intelligenten elektro­nischen Lastschalter erreicht, die die Spule mit Strom versorgen. Das Referenzdesign beinhaltet auch Diagnose­funk­tionen zur Erkennung diverser Fehler, die einen sicheren Betrieb gewähr­leisten. Das Design nutzt das C2000 Launchpad zur Erzeugung der Bremssteuersignale und zur Durchführung der Diagnosen.

LMZ14201TZ-ADJ/NOPB: Die für Hoch­span­nungs­anwen­dungen vorge­sehenen SIMPLE-SWITCHER-Gleichspannungswandlermodule der LMZ1420x-Serie von Texas Instruments enthalten eine geschirmte Induk­tivi­tät, ver­ein­fachen das Leiter­platten­layout und unter­stützen eine flexible Startup-Sequen­zie­rung unter Verwen­dung externer Soft-Start- und Precision-Enable-Funk­tionen. Die Module sind gegen Einschalt-Überstrom, Eingangs-Unterspannung und Ausgangskurzschluss geschützt. Ihr hoher Wirkungsgrad reduziert die Wärmeentwicklung des Systems, zudem hat das Gehäuse einen niedrigen Wärmewiderstand. Die Gleichspannungswandlermodule der LMZ1420x-Serie haben auf der Unterseite ein sepa­rates, großes Pad zur Wärmeabfuhr; die standard­mäßige Pin-Belegung verein­facht die Bestückung und Produk­tion.

ISO7842: 4-Kanal-2/2-Digital-Isolator mit verstärkter Iso­lation bietet Isolations­spannung von 8000 VS. Der ISO7842 ver­fügt über VDE-, CSA-, CQC- und TÜV-Zertifikate für verstärkte Iso­lation. Der Isolator zeichnet sich durch hohe Einstrahlfestigkeit, geringe Stör­strahlung und geringen Strom­ver­brauch aus und eignet sich zur galvanischen Trennung von CMOS- oder LVCMOS-Digital-I/O-Schnitt­stellen. Jeder Isolator­kanal besitzt je einen Logik-Eingangs- und Ausgangspuffer, die durch eine Siliziumdioxid- (SiO2) Iso­lationsbarriere vonein­ander getrennt sind.

TPS7B6933QDBVRQ1: Der TPS7B69xx-Q1 ist ein Low-Dropout-Linearregler für Eingangs­spannungen bis 40 V. Der Regler verbraucht bei Leichtlast nur 15 µA (typ.) Ruhe­strom und eignet sich dadurch für Mikro­con­troller­systeme, die sich während eines Großteils der Zeit im Standby-Modus befinden, ins­beson­dere in Auto­mobilanwen­dungen.

Der TPS7B69xx-Q1 ist intern gegen Kurz­schluss und Über­strom geschützt und für den Betriebs­tem­peratur­bereich von –40°C bis +125°C spezi­fi­ziert. Dank dieser Eigen­schaften eignen sich die Regler TPS7B6925-Q1, TPS7B6933-Q1 und TPS7B6950-Q1 bestens für Auto­mobilanwen­dungen unterschiedlichster Art.

TPS27S100APWPR: Der smarte High-Side-Schalter TPS27S100x von TI ist ein einkanaliger, umfas­send geschützter High-Side-Schalter mit inte­griertem NMOS und Ladungs­pumpe. Umfas­sende Dia­gnose­funk­tionen und eine hoch­genaue Strom­über­wachung ermög­lichen eine intel­li­gente Lastregelung. Eine ein­stell­bare Strom­begren­zung erhöht die Zuver­läs­sig­keit des Gesamtsystems signi­fi­kant. Die Dia­gnose­funk­tionen liefern digitale Fehlerstatus-Informa­tionen, das IC besitzt außer­dem einen analogen Strom­über­wachungs­ausgang. Die hoch­genaue Strom­über­wachung und die ein­stell­bare Strom­begren­zung sind Allein­stellungs­merk­male dieser Schalter.

ULN2003APWR: ULN2003APWR ist ein Hochstromtransistor-Array, bestehend aus sieben NPN-Darlington-Paaren mit Hoch­span­nungs­aus­gängen und Klemmdioden mit gemein­samer Kathode, vorge­sehen zum Schalten induk­tiver Lasten. Der maxi­mal zuläs­sige Collectorstrom pro Darlington-Paar beträgt 500mA. Bei Bedarf können die Darlington-Paare zur Erhöhung des Ausgangs­stroms parallel­geschal­tet werden. Typische Anwen­dungen sind Relais­-, Hammer-, Lampen- und Bild­schirm­treiber (LED und Gasentladung), Leitungstreiber und Logik-Puffer.

TVS3300DRVR: Der Transienten-Suppressor TVS3300 gewähr­leistet eine zuver­lässige Ableitung von Stoßströmen bis 35A nach IEC 61000-4-5 und schützt Systeme vor energie­reichen Transienten, beispiels­weise infolge von Blitzeinschlägen. Das Bau­teil stellt sicher, dass Signal­leitungen in indus­triellen Anwen­dungen den dort geforderten EMV-Anfor­de­rungen nach IEC 61000-4-5 (1kV Stoß­spannung, eingekoppelt über 42Ω) genügen. Der TVS3300 basiert auf einem einzig­artigen Feedback-Mechanismus mit einer flachen Begrenzerkennlinie, der Über­span­nungen zuver­lässig auf weniger als 40V begrenzt. Die flache Begrenzerkennlinie erlaubt es Ent­wick­lern, System­bau­teile mit geringerer Über­span­nungs­festig­keit einzusetzen, ohne Kompromisse bei der Robust­heit einzugehen, dadurch sinken die System­kosten.

Logistik- und Service-Roboter

Ultraschall-Entfer­nungssensor mit IO-Link-Referenzdesign: Das Design demonstriert einen Ultra­schall-Entfer­nungs­sensor, der dank seines hohen Inte­gra­tions­grades und opti­mierten Layouts in ein M12-Gehäuse passt. Es enthält eine IO-Link-Schnitt­stelle für die Kommu­ni­ka­tion mit dem System­controller und ist dadurch für Indus­trie-4.0-Anwen­dungen vorbereitet. Ultraschall-Entfer­nungen­sensoren dienen dazu, Objekte unab­hän­gig von ihrer Farbe, Transparenz, Oberflächen­eigen­schaften oder Umge­bung zu erkennen und deren Entfer­nung zu messen. Ultraschallsensoren funkti­on­ie­ren auch in rauen Einsatzumge­bungen wie z. B. Fabriken und Verarbeitungsanlagen.

Referenzdesign EtherCAT P® für EtherCAT® und Power über dasselbe Kabel: Dieses Design demonstriert die physische Imple­men­tierung eines stromliefernden EtherCAT-P®-Geräts mit Signal­über­tra­gung und Speisung über dasselbe Kabel. Das Referenz­design erfüllt alle Anfor­de­rungen des offiziellen EtherCAT P Implementation Guide; dazu zählen Verpolungsschutz, Einschaltstrom­begrenzung und Dauerstrom­begrenzung.

Referenzdesign für einen Überspannungsschutz für analoge PLC-Eingangsmodule: Dieses Design demonstriert die über­legenen Schutz­eigen­schaften der neuen 33-V-Schutzbauteile von TI (beispiels­weise TVS3300) für Fabrik­auto­ma­ti­sie­rungs- und Steue­rungs­anwen­dungen. Es bietet die nötige Genauig­keit, um das Leckstrom- und Klemm­span­nungsverhal­ten der Schutz­bau­teile vor und nach der Beanspruchung durch Über­span­nung messen zu können.

TVS3300YZFR: Das Evaluation Module (EVM) TVS3300YZF von TI hilft Ent­wick­lern, die Funktions­weise und die Leistungs­fähig­keit des Transienten-Suppressors TVS3300 zu evaluieren. Der TVS3300 ist ein Präzi­sions-Span­nungs­begrenzer mit flacher Begrenzerkennlinie, der Über­span­nungs­transien­ten auf sehr kleine Werte begrenzt. Dank der Präzi­sions-Suppressor-Tech­no­logie von TI ist die Klemm­span­nung des TVS3300, unab­hän­gig von der Höhe des Stoßstroms, weitest­gehend konstant. Der TVS3300 spricht außer­dem sehr schnell auf die Stoß­span­nung an und begrenzt dadurch das Span­nungs­überschwingen. Das Evaluierungs­modul besitzt zwei Klemmleisten zum Inline-Testen diverser Steck­ver­binder­konfi­gu­ra­tionen. Das Modul besitzt außer­dem zwei Bananenstecker­eingänge, die das Testen erleichtern, sowie vier 50Ω-SMA-Steck­ver­binder für den einfachen Anschluss an ein Oszillo­skop zur Durch­führung der Messungen.

LM5166DRCT: Der LM5166 ist ein kompakter, einfach ein­setz­barer Synchron-Abwärts­regler für Eingangs­spannungen von 3V bis 65V, der sich durch ultra-geringen Ruhe­strom und hohen Wirkungs­grad über weite Eingangs­spannungs- und Laststrom­bereiche hinweg aus­zeich­net. Die inte­grierten High-Side- und Low-Side-Leis­tungs-MOSFETs können Ausgangs­ströme bis 500 mA liefern. Der LM5166 ist in Versionen mit fester Ausgangs­spannung (3,3V oder 5V) oder ein­stell­barer Ausgangs­spannung verfüg­bar. Der Wandler verein­facht die Implementierung und bietet zugleich Optionen zur Optimierung der Leistungs­fähig­keit der Zielanwendung. Er bietet die Wahl zwischen den Modi Puls­frequenz­modu­la­tion (PFM) für opti­malen Leichtlast-Wirkungs­grad oder Constant-on-time- (COT) Regelung für annähernd konstante Schalt­frequenz. Keiner dieser beiden Modi erfor­dert eine Regelkreis­kompen­sa­tion. Dennoch bietet der LM5166 ein hervor­ragendes Eingangs­spannungs- und Lastregel­verhal­ten und erlaubt kurze PWM-On-Zeiten für große Abwärtswandler­verhält­nisse.

PGA460TPWRQ1: Der PGA460-Q1 ist ein hoch­integrierter System-on-chip-Ultraschallsender-Treiber mit interner Signal­aufberei­tung und einem hoch­entwickelten DSP-Kern. Der Baustein enthält ein komplementäres Low-Side-Treiber­paar, das einen Ultraschallwandler wahl­weise über einen Auf­wärts­transformator oder (unter Verwen­dung externer High-Side-FETs) direkt ansteuern kann. Das System-on-chip kann das empfangene Echo­signal für eine zuver­lässige Objekt­erkennung aufberei­ten. Dies wird durch ein analoges Front-End (AFE) ermög­licht, bestehend aus einem rausch­armen Verstär­ker und einem nachgeschalteten, program­mier­baren Verstär­ker mit zeit­abhängigem Verstär­kungs­faktor, dessen Aus­gangs­sig­nal von einem A/D-Wand­ler digitalisiert wird. Das digitalisierte Signal wird vom DSP-Kern unter Anwen­dung zeit­abhängiger Schwel­len­werte verarbeitet; dadurch werden sowohl Objekte im Nahbereich als auch solche im Fernbereich zuver­lässig erkannt.

MSP430FR5959IRHAR: Die Ultra-Low-Power- (ULP) FRAM-Plattform MSP430 kombi­niert in einzig­artiger Weise ein intern­es FRAM mit einer holistischen, extrem strom­sparenden System­archi­tek­tur. Sie ermög­licht es dadurch inno­vativen Ent­wick­lern, die Leistungs­fähig­keit ihrer Produkte zu steigern und zugleich deren Strom­ver­brauch zu redu­zie­ren. Die FRAM-Tech­no­logie kombi­niert die Geschwin­dig­keit, Flexi­bi­li­tät und Langlebigkeit von SRAM mit der Stabi­li­tät und Zuver­läs­sig­keit von Flash-Speicher – und das bei wesent­lich geringerem Strom­ver­brauch.

Das MSP430 ULP FRAM-Portfolio umfasst diverse Bausteine mit FRAM, die ULP 16-bit MSP430 CPU sowie intelligente Peripherie­bausteine für die unter­schied­lichsten Anwen­dungen. Die ULP-Archi­tek­tur unter­stützt sieben verschie­dene Low-Power-Modi, die es ermög­lichen, die Batterie­lauf­zeit mobiler Geräte zu maxi­mieren.

TIOL111: Die Trans­ceiver-Familie TIOL111 von TI ist eine Imple­men­tierung der IO-Link-Schnitt­stelle für benutzer­defi­nierte Punkt-zu-Punkt-Kommu­ni­ka­tion in indus­triellen Anwen­dungen. Wenn der Baustein über eine Dreidraht-Verbin­dung an einen IO-Link-Master ange­schlossen wird, kann der Master die Kommu­ni­ka­tion mit dem Remote-Knoten initiieren und Daten mit diesem austauschen, wobei der TIOL111 für die komplette Bitüber­tra­gungs­schicht "zuständig" ist. Die Bausteine widerstehen Über­span­nungs­spitzen bis 1,2kV (500 Ω) nach IEC 61000-4-5 und sind intern gegen Verpolung geschützt.

Referenzdesign für eine 10,8-V/15-W-Leistungsstufe mit >90% Wirkungsgrad für BDC-Motoren – nur 2,4 cm2 groß: Dies ist ein Referenz­design (Abmes­sungen 12mm x 20mm) für eine 15W-Leis­tungsstufe zur Ansteue­rung und Posi­tions­steue­rung eines BDC- (brushed DC) Motors, der durch einen Li-Ionen-Akku (drei bis sechs Zellen) gespeist wird. Diese energie­effiziente Lösung benö­tigt sehr wenig Platz, lässt sich pro­blem­los im Motor unterbringen und ermög­licht eine präzise Steue­rung der Motor­posi­tion. Das Design kann den Motor auch auf hohe Geschwin­dig­keit bringen, wobei dann aller­dings keine Positionsrückmeldung stattfindet. Das Referenz­design demonstriert schnelle und genaue Strom­erfas­sung für verläss­liche Drehmoment­über­wachung; dank der inte­grierten MCU mit UART-Schnitt­stelle lässt sich der Baustein durch einen belie­bigen externen Controller steuern.

IEPE-Vibrationssensor-Schnittstelle für analoge SPS-Eingänge: Vibra­tions­erfas­sung ist für die Bewertung des Zustands indus­trieller Maschinen im Rahmen der vorbeugenden War­tung unerläss­lich. Als Vibrationssensoren werden in diesem Umfeld vorwiegend IEPE- (Integrated Electronic Piezoelectric) Sensoren einge­setzt. Dieses Design demonstriert ein voll-analoges Front-End mit Schnitt­stelle für IEPE-Sensoren – eine strom­sparende und kompakte Lösung für flexible, hoch­auflö­sende und schnelle Digita­li­sie­rung von Vibra­tionssignalen.

MSP430FR2433IRGER: Der MSP43FR2433 ist ein extrem energie­effizienter MSP430FRx FRAM-basierter Mikro­con­troller (MCU). Die extrem energie­effizienten MSP-Mikro­con­troller von TI zeichnen sich durch geringsten Strom­ver­brauch aus und bieten den perfekten Mix aus inte­grierten Peripherie­bausteinen; sie eignen sich dadurch bestens für eine Vielzahl von Anwendungen, in denen es auf mög­lichst geringen Strom­ver­brauch und lange Batterie­lauf­zeit ankommt. Diese MCUs sind ideale Lösungen für Anwen­dungen, in denen sich der Mikro­con­troller die meiste Zeit über im Standby-Modus befindet. Die neuesten Produkte dieser Familie sind die FRAM-basierten MCUs der Serie MSP430FRx mit erwei­terten Datenlogging- und Sicher­heits­funk­tionen. Der MSP43FR2433 kombi­niert das kompakte VQFN-Gehäuse (4mm × 4mm) mit zahl­reichen inte­grierten Peripherie­bausteinen und ultra-geringem Strom­ver­brauch.

TPS70933DRVR: Die Linearregler der Serie TPS709xx von TI zeichnen sich durch ultra-niedrigen Ruhe­strom aus und wurden für Anwen­dungen ent­wickelt, in denen es auf mög­lichst geringen Strom­ver­brauch ankommt. Eine hoch­genaue Band-Gap-Refe­renz und ein ebenso präziser Fehler­verstär­ker gewähr­leisten eine hohe Genauig­keit (2%) über den gesamten Tempe­ratur­bereich. Durch ihren niedrigen Ruhe­strom von nur 1 µA eignen sich diese Regler ideal für batte­rie­betrie­bene "Always-on"-Systeme, die im Ruhe­zustand mög­lichst wenig Strom verbrauchen sollen. Die Regler sind intern gegen Über­tem­pe­ra­tur, Überstrom und Rückstrom geschützt.

DRV8870DDAR: Der 3,6A-BDC- (Brushed DC) Motor­treiber DRV8870 von TI ist für Anwen­dungen in Druckern, Haushaltsgeräten, Indus­trie­aus­rüs­tung und Kleinmaschinen aller Art vorge­sehen. Der aus vier n-Kanal-MOSFETs bestehende H-Brücken-Treiber wird über zwei Logik-Eingänge gesteuert. Die MOSFETs können Motoren mit Strömen bis zu 3,6A Spitze bidirek­ti­onal ansteuern. Zur Steue­rung der Motordrehzahl können die Eingänge puls­breiten­modu­liert (PWM) werden, wobei diverse Stromabfall-Modi zur Aus­wahl stehen. Wenn beide Eingänge auf "Low" gesetzt werden, geht der Chip in einen strom­sparenden Sleep-Modus über. Der DRV8870 ver­fügt über eine interne Strom­regelung auf der Basis der analogen Eingangs­spannung VREF und der Span­nung am Pin ISEN. Diese ist pro­porti­onal zum Motorstrom durch einen externen Mess­wider­stand. Die Möglich­keit, den Strom auf einen bestimmten Wert zu begrenzen, kann die Anfor­de­rungen an die System­strom­ver­sor­gung und die zur Aufrechterhaltung einer stabilen Span­nung erfor­der­liche Lade­konden­sator-Kapa­zi­tät erheb­lich redu­zie­ren; das gilt ins­beson­dere für Motorstart- und Stau­bedingungen.

ESD122DMXR: Die ESD122 von TI ist ein bidirek­ti­onales TVS-ESD-Schutzdiodenarray zum Schutz von USB-Type-C- und HDMI-2.0-Schal­tungen. Das Bau­teil absorbiert Kontakt­entladungen bis zu der im inter­nati­onalen Stan­dard IEC 61000-4-2 spezi­fi­zierten maxi­malen Stärke (17kV Kon­takt, 17kV Luft­strecke). Das Schutzdiodenarray zeichnet sich durch geringe IO-Kapa­zi­tät pro Kanal aus; das Anschluss­­layout ist für symmetrische, diffe­ren­zielle Hoch­geschwin­dig­keits­signal­leitungen aus­ge­legt. Dadurch eignet sich das Bau­teil ideal zum Schutz von Hoch­geschwin­dig­keits­schnitt­stellen bis 10Gbit/s wie z. B. USB 3.1 Gen2 und HDMI 2.0. Der niedrige dyna­mische Wider­stand und die niedrige Klemm­span­nung gewähr­leisten einen zuver­lässigen System­schutz vor transienten Ereig­nissen. Das Schutzdiodenarray ESD122 ist zudem eine ideale ESD-Schutzlösung für die Tx/Rx-Leitungen von USB-Type-C-Schnitt­stellen. Da der USB-Type-C-Steck­ver­binder über zwei Ebenen verfügt, benö­tigen 4-Kanal-ESD-Schutz­bau­teile VIAs, die die Signal­integrität beeinträchtigen. Die Ver­wen­dung von vier (2-kanaligen) ESD122-Schutzdiodenarrays mini­miert die Anzahl der VIAs und verein­facht das Leiter­platten­layout.

TLV9061IDPWR: Die Typen TLV9061 (single), TLV9062 (dual) und TLV9064 (quad) sind einfache, doppelte bzw. vierfache Nieder­spannungs- (1,8V bis 5,5V) Operationsverstärker (Op amps) mit Rail-to-rail-Ein- und -Ausgängen. Die Bau­teile sind äußerst kosten­günstige Lösungen für Anwen­dungen mit niedriger Betriebs­spannung, die eine mög­lichst kleine Grund­fläche und die Ansteue­rung hoher kapazitiver Lasten erfor­dern. Die Operationsverstärker TLV906x können kapazitive Lasten bis 100pF treiben, wobei die resistive Open-loop-Ausgangs­impe­danz die Stabilisierung bei höherer kapazitiver Last verein­facht. Diese Operationsverstärker wurden speziell für niedrige Betriebs­spannungen (1,8V bis 5,5V) ent­wickelt. Ihre Performance-Spezi­fi­ka­tionen sind ähnlich denen der Typen OPAx316 und TLVx316.

TVS3300DRVR: Beschreibung siehe oben.

IWR1642: Der IWR1642 ist ein inte­grierter Single-Chip-Milli­meter­wellensensor auf der Basis der FMCW-Radar­tech­no­logie für den Betrieb im 76- bis 81GHz-Band mit konti­nuier­lichen Chirps mit einem Frequenzhub von bis zu 4GHz. Der Sensor wird in TIs Low-Power-45nm-RFCMOS-Prozess gefertigt; dieser ermög­licht einen bislang unerreichten Inte­gra­tions­grad und extrem kleine Abmes­sungen. Der IWR1642 ist eine ideale Lösung für strom­sparende, selbst­über­wachende, ultragenaue Radar­systeme in indus­triellen Anwen­dungen wie z. B. Gebäudeauto­ma­ti­sie­rung, Drohnen, Material­transport und Verkehrs­über­wachung.

* Abbildungen von der International Federation of Robotics (IFR)

** Abbildungen von der International Federation of Robotics (IFR)





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