次世代のロボティクス

著者 Rich Miron

Digi-Key Electronics の提供

ロボットの利用は着実に増えています。オートメーションが進むと人間の仕事が減ると苦言を呈する人もいますが、ロボティクスは生産性、安全性、費用効果を高め、しかも実際には新しい仕事を創出することをあらゆるデータが示しています。今年末までに、世界中で導入されている産業ロボットの数は約260万台まで増えると予想されています。

昨年公表された国際ロボット連盟(IFR)のデータでは、世界平均で従業員1万人あたり74の産業ロボットが導入されています。また、これらのデータは、測定された生産性が向上している国々でこの平均値が著しく高いことを示しています。たとえば、従業員1万人あたりのロボット設置数が最も高いのはドイツ、シンガポール、および韓国で、それぞれ309、488、631となっています。

さらに、たとえばドイツの自動車セクターでは、ロボティックオートメーションの増加と並行して従業員の数も増えています。このような、オートメーションの増加が雇用数に及ぼすポジティブな影響は、ZEW(欧州経済研究センター)がユトレヒト大学と共同で発表した研究によって確認されています。つまり、オートメーションの増加により製造コストが削減された結果、市場価格が下がって消費者にとって製品がより魅力的になるため、需要の増加につながるのです。このように需要が増えると、さらに多くの雇用が創出されます。

さらに、ロボットが影響を与える分野は、産業と製造だけではありません。ロボットは、工場の外でも大きな前進を見せています。たとえば、オンラインショッピングの配送を効率化したり、学生のSTEM(サイエンス、テクノロジ、エンジニアリング、数学)に対する意欲を高めたりしています。

最もインテリジェントで高度なロボットシステムを開発するためには、革新的なアナログおよび組み込み技術が必要です。ロボティックシステム設計の仕組みをさらに理解しやすいように、Texas Instruments(TI)は、学生が現在のエンジニアリングカリキュラムのギャップを埋めることができるラーニングキットを提供しています。以下の項で、現在利用可能ないくつかのTIツールについて説明します。

産業用ロボット

TIDA-01600 - サーボドライブおよびロボティクス向けのスマートブレーキ制御および診断リファレンス設計: このTIリファレンス設計(図1)は、外部の保持ブレーキを制御する2チャンネルの出力信号を供給することにより、IEC EN 61800-5-2に従ったサーボドライブに安全なブレーキ制御機能を実現します。機能的には、保持ブレーキはブレーキ操作コイルからの電源が切れるとラッチ状態になり、コイルに電圧が印加されるとラッチ解除されます。コイルに電力を供給するスマート電子負荷スイッチの有効化/無効化を切り替えることにより、この動作を実現します。このリファレンス設計にはさまざまな故障を検出するための診断機能も組み込まれていて、安全な動作を確保します。この設計では、C2000 LaunchPadを使用してブレーキ制御信号を生成し、診断機能を実行します。

Texas InstrumentsのTIDA-01600サーボドライブおよびロボティクス向けスマートブレーキリファレンス設計の画像

図1: Texas InstrumentsのTIDA-01600サーボドライブおよびロボティクス向けスマートブレーキリファレンス設計。(画像提供:Texas Instruments)

LMZ14201TZ-ADJ/NOPB - 高出力電圧向けSIMPLE SWITCHER電源モジュール: TI LMZ1420xシリーズの電源モジュールは、内蔵のシールド型インダクタ、シンプルなPCBレイアウト、および外部ソフトスタートと高精度イネーブルによる柔軟なスタートアップシーケンシングを備えています。これらの電源モジュールには、突入電流と入力UVLOおよび出力短絡に対する保護機能があります。その高い効率性によって、システムの熱発生が抑制されます。このシリーズの電源モジュールはすべて、単一の露出パッドと標準ピン配列によって簡単に取り付けと製造を行えます。

ISO7842: 8000-VPKの絶縁電圧を持つ4チャンネル2/2デジタルアイソレータ(VDE、CSA、CQC、およびTUV認定取得)。ISO7842アイソレータは、CMOSまたはLVCMOSデジタルI/Oを絶縁するとともに、高い電磁界イミュニティと低放射を低消費電力で提供します。各絶縁チャンネルは、二酸化シリコン(SiO2)材料製の絶縁バリアによって分離された論理入力および出力バッファを備えています。

TPS7B6933QDBVRQ1TPS7B69xx-Q1は、最大40VのVI動作向けに設計された低ドロップアウトリニアレギュレータです。TPS7B6933QDBVRQ1デバイスは、軽負荷時の静止電流が15µA(標準)であるため、特に車載用アプリケーションのスタンバイマイクロコントローラユニットシステムに最適です。これらのデバイスには短絡および過電流保護機能が内蔵されており、動作温度範囲は–40°C~+125°Cです。このような特長を備えているTPS7B6925-Q1TPS7B6933-Q1、およびTPS7B6950-Q1は、さまざまな車載用電源アプリケーションでの使用に最適です。

TPS27S100APWPR: TIのTPS27S100xスマートハイサイドスイッチは、シングルチャンネルの完全に保護されたハイサイドスイッチで、NMOSおよびチャージポンプが内蔵されています。TPS27S100APWPRは、包括的な診断機能と高精度の電流監視機能によって、インテリジェントな負荷制御が可能です。また、調節可能な電流制限機能により、システム全体の信頼性を大幅に向上させることができます。高精度の電流監視と調節可能な電流制限機能は、市場の類似製品からの差別化を実現しています。

ULN2003APWR: このTIデバイスは高電流のトランジスタアレイです。ULN2003APWRは、7組のNPNダーリントンペアで構成され、導性負荷のスイッチング用にコモンカソードのクランプダイオードを使用して高電圧出力を提供します。このデバイスの各ダーリントンペアのコレクタ電流定格は500mAです。これらのダーリントンペアを並列使用して、より高い電流要件に対応できます。アプリケーションの例としては、ランプドライバ、ディスプレイドライバ(LEDおよび気体放電)、ロジックバッファ、ハンマードライバ、リレードライバなどがあります。

TVS3300DRVR: TVS3300は、最大35AのIEC 61000-4-5フォールト電流を確実にシャントして、システムを高電力過渡変動や落雷から保護します。一般的な産業用信号ラインのEMC要件向けのソリューションを提供し、42Ωのインピーダンスを通じたカップリングにより、最大1kVのIEC 61000-4-5開回路電圧に耐えることができます。TVS3300は、独自のフィードバックメカニズムの採用により、フォールト時に高精度のフラットクランピングを実現し、システムがさらされる電圧を40V未満に抑えます。この緊密な電圧レギュレーションにより、設計者は電圧許容差の少ないシステム部品を安心して選択でき、堅牢性を犠牲にせずに総合的なシステムのコストと複雑さを軽減することができます。

ロジスティクスおよびサービスロボット

IO-Linkリファレンス設計による超音波距離センサ - TIリファレンス設計: この設計(図2)は、高度な統合と最適化されたレイアウトによりM12ハウジングに適合する超音波距離センサを備えています。システム制御機能との通信向けのIO-Linkインターフェースを備えており、Industry 4.0に対応します。超音波センサの目的は物体の色、透過度、表面特性を問わずに対象物までの距離を検知、測定することです。超音波センサは工場や加工プラントなどの過酷な産業環境でも動作可能です。

Texas Instrumentsが提供するTIDA-01386リファレンス設計の画像

図2: Texas InstrumentsのIO-Link付き超音波距離センサ向けTIDA-01386リファレンス設計(画像提供:Texas Instruments)

EtherCAT P®(1本のケーブルで給電とEtherCAT®通信に対応)のリファレンス設計 - TIリファレンス設計:このリファレンス設計には、EtherCAT P®電力供給デバイスの物理実装における回路での電源カップリングが示されています。公式EtherCAT P実装ガイドの全要件を満たしており、連続電流制限、突入電流制限、および逆極性保護機能を搭載しています。

PLCアナログ入力モジュール用のサージ保護リファレンス設計 - TIリファレンス設計: この設計は、ファクトリオートメーションおよび制御向けの、TI製33V保護デバイス(前出のTVS3300など)の保護機能を示すためのものです。この設計は、リークおよびクランピング電圧に関して、EMIストレスの前後で保護デバイスの動作を測定するための必須精度を備えています。

TVS3300DRV-EVM: TI製TVS3300DRV-EVMを使用して、TVS3300(前出)の動作および性能を効果的に評価できます。過渡的な過電圧変動の発生時に、極めて低いフラットなクランピング電圧を維持する高精度クランプです。TIのこのような高精度のサージ技術により、サージ電流の振幅にかかわらず、TVS3300のクランピング電圧の変化を最小限に抑えます。また、クランピンク発生時に、サージに迅速に反応してオーバーシュート電圧を制限します。TVS3300DRV-EVM評価モジュールでさまざまなコネクタ構成の汎用インラインテストを行うために、2セットのネジ端子ヘッダが付属しています。また、2つのバナナプラグ入力ポートが付属しているため簡単にテストできます。さらに、4つの50Ω SMAコネクタが基板上にあるため、オシロスコープに簡単に接続できます。

LM5166DRCT: このデバイスは小型で使いやすい、3V~65Vの超低IQ同期降圧コンバータです。広範囲の入力電圧と負荷電流にわたって高い効率を維持します。統合されたハイサイドおよびローサイドMOSFETで、最大500mAの出力電流を3.3Vまたは5Vの固定出力電圧で、あるいは調節可能出力で提供することができます。このコンバータ設計では、実装を簡素化すると同時に対象用途の性能を最適化できるオプションが提供されます。軽負荷時の効率を最適化するにはパルス周波数変調(PFM)モードを、ほぼ一定の周波数で動作するためにはコンスタントオンタイム(COT)制御方式を使用できます。いずれの制御方式にもループ補償は必要なく、非常に優れたラインおよび負荷過渡応答と、大きいステップダウン変換率に応じた短いパルス幅変調(PWM)をオンタイムに実現します。

PGA460TPWRQ1: TIのPGA460-Q1は、高度なDSPコアをこの高度に統合されたシステムオンチップ超音波トランスデューサドライバおよび信号コンディショナに搭載しています。このデバイスは、昇圧トランスを使用するトランスベースのトポロジ、または外付けのハイサイドFETを使用する直接駆動トポロジでトランスデューサを駆動できるコンプリメンタリローサイドドライバペアを有しています。このデバイスは、反射された超音波エコー信号を受信してコンディショニングし、信頼性の高い対象物検出を実現します。このために、低ノイズのアンプと、ADCへ信号を供給する後続のプログラム可能な時変ゲイン段から構成されるアナログフロントエンド(AFE)が使用されています。ADCからのデジタル化された信号は、DSPコアで処理され、経時的に変化する閾値を使用して近傍場および遠方場の対象物検出が計算されます。

MSP430FR5959IRHAR: MSP430超低電力(ULP)FRAMプラットフォームは、組み込みFRAMと、包括的な超低電力システムアーキテクチャを組み合わせることで、より低いエネルギーバジェットで性能を増大することを可能にします。これらのデバイスには、フラッシュの安定性と信頼性をSRAMの速度、柔軟性、耐久性とより低い消費電力で組み合わせることができるFRAM技術が使用されています。 MSP430 ULP FRAM製品ラインナップは、FRAM、ULP 16ビットMSP430 CPU、およびさまざまなアプリケーションを対象としたインテリジェントなペリフェラルを特長とするデバイスの多様なセットで構成されます。ULPアーキテクチャには7種類の低電力モードがあり、エネルギーが課題になるさまざまなアプリケーションでの電池寿命を延ばすようにそれぞれが最適化されています。

TIOL111: このファミリのトランシーバは、産業用双方向、ポイントツーポイント通信用にIO-Linkインターフェースを実装しています。デバイスが3線式インターフェースを通じてIO-Linkマスターに接続されているときに、TIOL111は通信の完全な物理層として機能します。この場合、マスターはリモートノードとの通信を開始してデータを交換できます。これらのデバイスの保護機能には、最大1.2kV(500Ω)のIEC 61000-4-5サージへの耐性、および内蔵の逆極性保護があります。

ブラシ付きDCサーボドライブ向けの10.8V/15W、>90%の効率、2.4cm2、パワー段リファレンス設計 - TIリファレンス設計: この15Wパワー段リファレンス設計(図3)の寸法は、わずか12mm x 20mmです。このリファレンス設計の目的は、3~6個のセルLiイオン電池で動作するブラシ付きDC(BDC)モータを駆動するとともに、その位置を制御することです。高効率ソリューションを提供するこの設計は、モータケースに容易に収まる極めて小さなフォームファクタで最適化され、正確なモータの位置を制御できます。さらに、このリファレンス設計は、位置フィードバックなしにモータを高速で駆動でき、質の高いトルク制御のためのすばやく正確な電流センシングを示しています。最後に、オンボードMCUはUARTコネクティビティを提供し、外部コントローラを使って制御できます。

Texas Instrumentsが提供するTIDA-01588リファレンス設計の画像

図3: Texas Instrumentsのブラシ付きDCサーボドライブ向けパワー段向けTIDA-01588リファレンス設計。(画像提供:Texas Instruments)

PLCアナログ入力リファレンス設計向けIEPE振動センサインターフェース - TIリファレンス設計:産業用の状況監視の重要な部品で、予知保全と振動感知に不可欠です。内蔵の電子圧電性(IEPE)センサは、産業環境で使用される最も一般的な振動センサです。このリファレンス設計の心臓部(図4)は、IEPEセンサインターフェース用の完全なアナログフロントエンドです。この設計は、柔軟な高分解能かつ高速な変換を、低い消費電力と小さな占有面積で実装する方法を示しています。

Texas InstrumentsのTIDA-01471振動センサインターフェースリファレンス設計の画像

図4: Texas InstrumentsのPLCアナログ入力向けTIDA-01471振動センサインターフェースリファレンス設計。(画像提供: Texas Instruments)

MSP430FR2433IRGER: TIのこの極めて消費電力の低い、MSP430FRx FRAMベースのマイクロコントローラファミリは、広範な低電力およびポータブルアプリケーション向けに、極めて低い消費電力および各種の豊富な統合型ペリフェラルを提供します。これらのMCUは、MCUが主にスタンバイモードで動作するアプリケーションに最適です。最近、このMSP430FRx FRAMベースのMCUファミリに、拡張データロギングおよびセキュリティ機能向けのオプションがさらに加わりました。MSP43FR2433は、小型のVQFNパッケージ(4mm × 4mm)に収納されており、スモールフォームファクタ産業センサに最適です。また、超低消費電力を補完する広範な統合型ペリフェラルと組み合わされています。

TPS70933DRVR: TIのリニアレギュレータのTPS709xxシリーズは、超低静止電流を特長としており、低消費電力が重要なアプリケーションに最適です。これらのデバイスは、高精度バンドギャップおよび誤差アンプを採用することにより、全動作温度範囲において2%の精度を実現します。わずか1µAの静止電流により、これらのデバイスは、非常に小さなアイドル状態消費電力を必要とする電池駆動、常時オンのアプリケーション向けに最適なソリューションとなります。このファミリのデバイスには、サーマルシャットダウン、電流制限、逆電流保護などの追加の安全機能が搭載されています。

DRV8870DDAR: TIのDRV8870は、3.6Aブラシ付きDCモータドライバで、産業用装置、機器、プリンタ、およびその他の小型の機械などのアプリケーションで使用できます。2つの論理入力で4つのNチャンネルMOSFET Hブリッジモータドライバを制御して、ピーク電流3.6Aでモータを双方向に制御できます。選択可能な電流減衰モードを使用して入力をパルス幅変調することで、モータの速度を制御できます。両方の入力が低に設定されると、デバイスは低電力スリープモードになります。また、DRV8870は、VREFアナログ入力に基づく統合型電流レギュレーションと、モータ電流が流れる外部のセンス抵抗から印加されるピンISEN電圧も特長としています。電流を既知のレベルに制限できることで、特にモータの起動や失速状態向けに安定したモータ電圧を維持するのに必要なシステム電力要件およびバルク静電容量を大幅に削減できます。

ESD122DMXR: TIのこの双方向TVS ESD保護ダイオードアレイは、USB Type-C™およびHDMI 2.0回路保護向けに設計されており、IEC 61000-4-2で規定された最大レベルでの接触ESDストライク(接触17kV、エアギャップ17kV)を放散できるよう定格が規定されています。ESD122は、チャンネルごとのIO静電容量が低く、対称型の差動高速信号ルーティングに適したピン配列であるため、USB 3.1 Gen2およびHDMI 2.0などの最大10Gbpsの高速インターフェースを保護するのに最適です。デバイスの低ダイナミック抵抗および低クランプ電圧により、過渡事象からのシステムレベルのさらなる保護が確保されます。さらに、ESD122はUSB Type-CのTx/Rxライン用の最適なESDソリューションです。USB Type-Cコネクタには2つのレイヤがあるため、4チャンネルのESDデバイスを使用するとビアが必要になり、信号の完全性が低下します。しかし、4つのESD122(2チャンネル)デバイスを使用することで、ビアの数を最小限にし、基板のレイアウトを簡素化できます。

TLV9061IDPWRTLV9061TLV9062、およびTLV9064には、それぞれシングル、デュアル、クワッドの低電圧(1.8V~5.5V)オペアンプで、レールツーレールの入力および出力振幅機能があります。これらのデバイスは、低電圧、小さなフットプリント、高い容量性負荷の駆動が必要なアプリケーション向けのコスト効率に優れたソリューションです。TLV906xの容量性負荷駆動能力は100pFですが、抵抗性オープンループ出力インピーダンスにより、高い容量性の負荷でも簡単に安定できます。これらのオペアンプは前述のように低電圧(1.8V~5.5V)で動作し、TIのTLVx316およびOPAx316デバイスと同様の性能仕様を満たすよう、特別に設計されています。

TVS3300DRVR: 上の「産業用ロボット」セクションの説明を参照してください。

IWR1642: このデバイスは、周波数変調連続波(FMCW)レーダ技術に基づいており、最大4GHzの連続チャープにより76GHz~81GHz帯域で動作する統合シングルチップミリ波センサです。TIの低電力45nm RFCMOSプロセスで構築されたこのソリューションにより、極めて小さなフォームファクタでかつてないレベルの統合が可能になります。IWR1642での最適なソリューションには、産業用アプリケーションの低電力、自己監視、超高精度レーダシステムが含まれます。たとえば、監視、ファクトリオートメーション、マテリアルハンドリング、トラフィック監視、ビルオートメーション、およびドローンなどです。

結論

今日の産業技術では、最もインテリジェントで高度なロボットシステムとともに革新的なアナログおよび組み込み技術を必要としています。これに対応するため、TIは、開発の加速化および簡素化を支援するさまざまなソリューションおよびリファレンス設計を提供しています。

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著者について

Rich Miron

Digi-Key Electronicsのシニアテクニカルコンテンツ開発者であるRich Miron氏は、記事、ブログ、製品トレーニングモジュールの作成と編集に主に責任を持つ技術コンテンツグループに2007年から参加しています。Digi-Keyに加わる前は、原子力潜水艦の計装制御システムをテストし、認定していました。Richはノースダコタ州立大学ファーゴ校の電気電子工学の学位を取得しています。

出版者について

Digi-Key Electronics

ミネソタ州シーフリバーフォールズに拠点を置くDigi-Key Electronicsは、試作および設計段階、量産段階のいずれにおいても、電子部品を卓越したサービスとともにグローバルに提供し、Digi-Keyでは、750社以上の一流メーカーから提供される600万点以上の製品を取り扱っている。