Robotique, nouvelle génération

L'augmentation continue de l'utilisation des robots est indéniable. Si quelques contestataires affirment que l'automatisation entraînera la perte des emplois humains, tout indique jusqu'à maintenant que la robotique améliore la productivité, la sécurité, la rentabilité et crée même de nouveaux emplois. D'ici à la fin de cette année, le nombre de robots industriels déployés dans le monde augmentera pour atteindre environ 2,6 millions d'unités, selon les prévisions.

Les chiffres publiés l'année dernière par la Fédération internationale de robotique (IFR) ont révélé que la moyenne globale de robots industriels installés était de 74 pour 10 000 employés. Ces chiffres ont également indiqué que cette moyenne était considérablement supérieure dans les pays démontrant une augmentation de la productivité mesurée. Par exemple, l'Allemagne, Singapour et la République de Corée affichent le plus grand nombre de robots installés pour 10 000 employés avec des chiffres respectifs de 309, 488 et 631.

En outre, le secteur automobile allemand, par exemple, a affiché une augmentation du nombre d'employés parallèlement à la croissance de l'automatisation robotique. Cet effet positif sur le nombre d'emplois résultant d'une automatisation accrue a été confirmé par l'étude publiée par le ZEW (Centre pour la recherche économique européenne) en partenariat avec l'université d'Utrecht. On peut en déduire que la réduction des coûts de production résultant de l'automatisation accrue fait baisser les prix du marché, ce qui rend les produits plus attrayants pour les consommateurs et augmente la demande. Et cette augmentation de la demande encourage la création d'emplois.

Par ailleurs, l'industrie et la fabrication ne sont pas les seuls domaines concernés par les robots. Ces derniers connaissent une évolution croissante en dehors des usines, notamment en augmentant les rendements des achats en ligne en ce qui concerne les livraisons ou en suscitant l'enthousiasme des étudiants pour les matières STEM (sciences, technologies, ingénierie et mathématiques).

Le développement des systèmes robotiques les plus intelligents et sophistiqués nécessite des technologies analogiques et embarquées innovantes. Pour une meilleure compréhension du fonctionnement des conceptions des systèmes robotiques, Texas Instruments (TI) propose des kits d'apprentissage permettant aux étudiants de combler les lacunes des programmes d'ingénierie actuels. Cet article traite de quelques outils de TI actuellement disponibles :

Robots industriels

TIDA-01600 - Conception de référence de diagnostic et de commande de freinage intelligent pour les servocommandes et la robotique : cette conception de référence de TI (Figure 1) fournit des signaux de sortie à deux canaux pour commander un frein de maintien externe afin d'implémenter une fonctionnalité de commande sécurisée du freinage dans les servocommandes, conformément à la norme CEI EN 61800-5-2. Fonctionnellement, le frein de maintien se verrouille lorsque l'alimentation de la bobine d'actionnement du frein est coupée et se desserre lors de l'application d'une tension. Pour ce faire, les commutateurs de charge électroniques intelligents alimentant la bobine sont activés/désactivés. Les fonctionnalités de diagnostic sont également incluses dans cette conception de référence pour la détection de différents défauts afin de garantir un fonctionnement sécurisé. Pour générer les signaux de commande de freinage et exécuter les diagnostics, la conception utilise la plateforme Launchpad C2000.

Figure 1 : Conception de référence de freinage intelligent pour les servocommandes et la robotique TIDA-01600 de Texas Instruments. (Source de l'image : Texas Instruments)

LMZ14201TZ-ADJ/NOPB - Module d'alimentation SIMPLE SWITCHER pour haute tension de sortie : les modules d'alimentation série LMZ1420x de TI présentent une inductance blindée intégrée, une configuration de carte à circuit imprimé simple et un séquençage de démarrage flexible utilisant un démarrage progressif et une activation de précision. Ces modules d'alimentation fournissent une protection contre les courants d'appel, un verrouillage en cas de sous-tension en entrée et une protection contre les courts-circuits en sortie. La génération de chaleur système réduite résulte de leur haut rendement. Les modules d'alimentation de cette série ont chacun un plot exposé simple et un brochage standard pour faciliter le montage et la fabrication.

ISO7842 : il s'agit d'un isolateur numérique 2/2 à 4 canaux renforcé (certifié VDE, CSA, CQC et TUV) et doté d'une tension d'isolement de 8000 VPK. L'isolateur ISO7842 isole les E/S numériques CMOS ou LVCMOS, tout en fournissant une haute immunité électromagnétique et de faibles émissions à basse consommation énergétique. Chaque canal d'isolement présente un tampon d'entrée et de sortie logique séparé par une barrière galvanique en dioxyde de silicium (SiO₂).

TPS7B6933QDBVRQ1 : les dispositifs TPS7B69xx-Q1 sont des régulateurs linéaires à faible chute de tension conçus pour un fonctionnement à une tension d'entrée jusqu'à 40 V. Avec un courant de repos de 15 µA (typique) à faible charge, le TPS7B6933QDBVRQ1 est idéal pour les systèmes d'unité de microcontrôleur en veille, en particulier dans les applications automobiles. Ces dispositifs présentent une protection intégrée contre les courts-circuits et la surintensité, ainsi qu'une plage de températures de fonctionnement de -40°C à +125°C. Grâce à ces fonctionnalités, les dispositifs TPS7B6925-Q1, TPS7B6933-Q1 et TPS7B6950-Q1 sont tout à fait adaptés à de nombreuses applications d'alimentations automobiles.

TPS27S100APWPR : les commutateurs haut potentiel intelligents TPS27S100x de TI sont des commutateurs haut potentiel à canal simple et entièrement protégés, avec pompe à charge et NMOS intégrés. Les dispositifs TPS27S100APWPR présentent des fonctions complètes de diagnostic et de surveillance du courant haute précision permettant le contrôle intelligent de la charge. Ils incluent également une fonction de limitation de courant ajustable permettant de considérablement améliorer la fiabilité du système. Les fonctionnalités de surveillance précise du courant et de limitation du courant ajustable différencient ces dispositifs des modèles similaires disponibles sur le marché.

ULN2003APWR : ce dispositif de TI est une matrice de transistors à fort courant. L'ULN2003APWR consiste en sept paires Darlington NPN, chacune dotée de sorties haute tension avec des diodes de fixation à cathode commune pour commuter les charges inductives. Chaque paire Darlington du dispositif présente un courant nominal collecteur de 500 mA. Ces paires Darlington peuvent être montées en parallèle pour prendre en charge des exigences de courant plus élevées. Parmi les applications d'exemple figurent les circuits d'attaque de lampe, les circuits d'attaque d'affichage (LED et éclateur à gaz), les tampons logiques, les circuits d'attaque de ligne et les circuits d'attaque de relais.

TVS3300DRVR : le TVS3300 offre aux systèmes une protection contre les transitoires haute puissance ou la foudre en dérivant jusqu'à 35 A de courant de défaut selon CEI 61000-4-5, et fournit une solution aux exigences CEM de lignes de signaux industriels courantes pour supporter une tension de circuit ouvert pouvant atteindre 1 kV (CEI 61000-4-5), couplée à une impédance de 42 Ω. Ce dispositif garantit une fixation de niveau uniforme précise en cas de défaut, grâce à un mécanisme de rétroaction unique assurant une exposition système inférieure à 40 V. Cette régulation de tension stricte offre aux concepteurs la possibilité de choisir en toute confiance des composants système avec des tolérances de tensions inférieures, ce qui diminue la complexité et les coûts globaux du système, sans affecter la robustesse.

Logistique et robots de service

Conception de référence de capteur de distance ultrasonique avec IO-Link - Conception de référence de TI : cette conception (Figure 2) comprenant un capteur de distance ultrasonique peut s'intégrer dans un logement M12, grâce à sa configuration optimisée et à son haut niveau d'intégration. Avec son interface IO-Link conçue pour communiquer avec la commande du système, ce dispositif est prêt pour l'Industrie 4.0. Les capteurs ultrasoniques servent à détecter et/ou mesurer des objets à distance, indépendamment de leurs caractéristiques de couleur, de transparence ou de surface. Ce dispositif peut fonctionner dans des environnements industriels difficiles comme les usines et les centrales de traitement.

Figure 2 : Conception de référence TIDA-01386 de Texas Instruments pour un capteur de distance ultrasonique avec IO-Link. (Source de l'image : Texas Instruments)

Conception de référence EtherCAT P® - Un seul câble pour l'alimentation et EtherCAT® - Conception de référence de TI : cette conception de référence illustre le couple de puissance dans les circuits de l'implémentation physique d'un dispositif d'alimentation EtherCAT P®. Cette conception de référence répond à toutes les exigences du guide d'implémentation officiel EtherCAT P, notamment les fonctionnalités comme la limite de courant continu, la limite de courant d'appel et la protection contre la polarité inverse.

Conception de référence de protection contre les surtensions pour un module d'entrée analogique PLC - Conception de référence de TI : cette conception est conçue pour illustrer les capacités de protection des dispositifs 33-V de TI (comme le TVS3300 mentionné précédemment), qui sont conçus pour l'automatisation et le contrôle industriels. Cette conception offre la précision requise pour mesurer le comportement du dispositif de protection avant et après un pic d'interférences électromagnétiques en termes de fuite et de tension de blocage.

TVS3300DRV-EVM : le TVS3300DRV-EVM de TI permet aux concepteurs d'évaluer le fonctionnement et les performances du TVS3300 (mentionné précédemment), un fixateur de niveau de précision maintenant une tension de blocage ultrabasse et plate durant les événements de surtension transitoire. Avec cette technologie de surtension de précision de TI, la tension de blocage du TVS330 affiche des variations minimes, indépendamment de l'amplitude du courant de pointe. Le dispositif présente également une réponse rapide aux surtensions, ce qui limite le dépassement en cas de blocage. Deux jeux d'embases à borne à vis sont inclus pour les tests en ligne à usage général des différentes configurations de connecteurs du module d'évaluation TVS3300DRV-EVM. En outre, deux ports d'entrée de fiche banane sont inclus pour simplifier les tests, et quatre connecteurs SMA de 50 Ω sont également sur la carte pour simplifier la connexion à un oscilloscope.

LM5166DRCT : ce dispositif est un convertisseur abaisseur synchrone compact, facile à utiliser, de 3 V à 65 V, à courant de repos (IQ) ultrafaible. Il présente un haut rendement sur de vastes plages de tensions d'entrée et de courants de charge. Les MOSFET de puissance haut potentiel et bas potentiel intégrés permettent de fournir jusqu'à 500 mA de courant de sortie à des tensions de sortie fixes de 3,3 V ou 5 V, ou à une sortie ajustable. La conception de ce convertisseur simplifie l'implémentation, tout en fournissant des options d'optimisation des performances des applications cibles. L'option de mode de modulation de fréquence d'impulsions (PFM) du LM5166DRCT peut être sélectionnée pour obtenir un rendement optimal à faible charge ou un contrôle à temps constant (COT) pour une fréquence de fonctionnement quasi constante. Il est important de noter que ni l'un ni l'autre des schémas de commande n'exige une compensation de boucle pour pouvoir fournir une excellente réponse transitoire de ligne et de charge et une courte modulation de largeur d'impulsion (PWM) à temps passant pour les grands rapports de conversion descendante.

PGA460TPWRQ1 : le PGA460-Q1 de TI est un conditionneur de signal et un circuit d'attaque de transducteur ultrasonique à système sur puce hautement intégré, doté d'un cœur DSP avancé. Le dispositif inclut une paire de circuits d'attaque bas potentiel complémentaire lui permettant de commander un transducteur dans une topologie basée sur un transformateur à l'aide d'un transformateur élévateur ou dans une topologie à commande directe en utilisant des FET haut potentiel externes. Ce dispositif peut recevoir et mettre en forme le signal d'écho ultrasonique réfléchi pour une détection d'objets fiable. Pour ce faire, un circuit d'entrée analogique (AFE) comprenant un amplificateur à faible bruit suivi d'un étage de gain programmable variable dans le temps alimentant un CAN est utilisé. Le signal numérisé du CAN est ensuite traité dans le cœur DSP. La détection d'objets en champ proche et en champ lointain est ensuite calculée à l'aide de seuils variables dans le temps.

MSP430FR5959IRHAR : la plateforme FRAM ultrabasse consommation (ULP) MSP430 combine une architecture système ultrabasse consommation et une FRAM embarquée pour permettre des performances accrues avec des budgets énergétiques inférieurs. TI utilise la technologie FRAM dans ces dispositifs, car elle allie la vitesse, la flexibilité et l'endurance d'une mémoire SRAM à la stabilité et à la fiabilité de la mémoire Flash, et ce, avec une consommation bien inférieure. Le portefeuille ULP FRAM MSP430 est constitué d'un jeu diversifié de dispositifs dotés de mémoire FRAM, d'un processeur ULP MSP430 16 bits et de périphériques intelligents pour de nombreuses applications. L'architecture ULP présente sept modes basse consommation, tous optimisés pour étendre la durée de vie des batteries dans de nombreuses applications soumises à des contraintes d'énergie.

TIOL111 : cette gamme d'émetteurs-récepteurs présente une interface IO-Link pour les communications industrielles bidirectionnelles point-à-point. Le TIOL111 agit en tant que couche physique complète pour la communication, une fois connecté à un maître IO-Link via une interface à trois fils. Dans ce cas, le maître peut initier la communication et échanger des données avec le nœud distant. Les fonctionnalités de protection de ces dispositifs incluent la capacité à supporter une surtension de 1,2 kV (500 Ω) conformément à CEI 61000-4-5 et une protection intégrée contre la polarité inverse.

Conception de référence d'un étage de puissance de 2,4 cm2, 10,8 V/15 W, à rendement > 90 % pour servocommande CC à balais - Conception de référence de TI : cette conception de référence d'étage de puissance de 15 W (Figure 3) mesure seulement 12 mm x 20 mm. Cette conception de référence est conçue pour commander et contrôler la position d'un moteur CC à balais (BDC) fonctionnant avec une batterie Li-ion à trois ou à six cellules. Offrant une solution à haut rendement, cette conception est optimisée grâce à un format très compact pouvant facilement s'intégrer dans un carter moteur et pouvant également prendre en charge un contrôle précis de la position du moteur. En outre, cette conception de référence peut aussi commander un moteur à haute vitesse, sans aucun retour de position, et elle démontre une détection de courant rapide et précise pour un contrôle de couple de qualité. Enfin, le microcontrôleur intégré fournit une connectivité UART, ce qui permet la contrôlabilité avec un contrôleur externe.

Figure 3 : Conception de référence TIDA-01588 de Texas Instruments pour un étage de puissance de servocommande CC à balais. (Source de l'image : Texas Instruments)

Conception de référence d'une interface de capteur de vibrations IEPE pour une entrée analogique PLC - Conception de référence de TI : la détection des vibrations est un composant essentiel dans la surveillance de conditions industrielles et une nécessité dans la maintenance préventive. Le capteur piézoélectrique électronique intégré (IEPE) constitue le type de capteurs de vibrations le plus courant utilisé en environnement industriel. Le cœur de cette conception de référence (Figure 4) est un circuit d'entrée analogique complet pour une interface de capteur IEPE. Cette conception démontre la conversion haute vitesse, basse consommation et haute résolution flexible des données d'un capteur IEPE, possible dans une implémentation à empreinte compacte.

Figure 4 : Conception de référence d'une interface de capteur de vibrations TIDA-01471 de Texas Instruments pour entrées analogiques PLC. (Source de l'image : Texas Instruments)

MSP430FR2433IRGER : la gamme de microcontrôleurs basés FRAM MSP430FRx de TI offre la consommation énergétique la plus faible et de nombreux périphériques intégrés pour une vaste gamme d'applications portables et basse consommation. Ces microcontrôleurs conviennent parfaitement aux applications dans lesquelles le microcontrôleur fonctionne principalement en mode veille. De plus, la gamme de microcontrôleurs basés FRAM MSP430FRx a récemment été dotée d'options supplémentaires pour des capacités étendues d'enregistrement et de sécurité des données. Le MSP43FR2433 est fourni dans un boîtier VQFN compact (4 mm x 4 mm), idéal pour les petits capteurs industriels. Il est combiné à des périphériques intégrés diversifiés, en complément de sa consommation ultrabasse.

TPS70933DRVR : la série TPS709xx de régulateurs linéaires de TI présente un courant de repos ultrafaible, idéal pour les applications nécessitant un contrôle de la consommation d'énergie. Ces dispositifs présentent une précision de 2 % sur la plage de températures de fonctionnement en utilisant un amplificateur d'erreur et de bande interdite de précision. Avec un faible courant de repos de 1 µA, ces dispositifs sont parfaitement adaptés aux applications alimentées par batterie et à fonctionnement continu, qui nécessitent très peu de dissipation de puissance à l'état inactif. Cette gamme de dispositifs fournit des fonctionnalités de sécurité supplémentaires, notamment une protection contre le blocage thermique, la limitation de courant et le courant inverse.

DRV8870DDAR : le DRV8870 de TI est un variateur moteur CC à balais de 3,6 A pouvant être utilisé dans les applications telles que les équipements industriels, les appareils électroménagers, les imprimantes et d'autres machines de petite taille. Deux entrées logiques contrôlent le variateur moteur à pont en H doté de quatre MOSFET à canal N pouvant commander les moteurs de manière bidirectionnelle avec un courant de crête de 3,6 A. Pour contrôler la vitesse du moteur, les entrées peuvent être de type PWM, avec des modes de décroissance du courant sélectionnables. Les dispositifs passent en mode veille basse consommation lorsque les deux entrées sont à l'état bas. Le DRV8870 présente également une régulation de courant intégrée, basée sur l'entrée analogique VREF et la tension sur la broche ISEN, résultant d'une résistance de détection externe à travers laquelle le courant moteur circule. La capacité du dispositif à limiter le courant à un niveau connu réduit considérablement les exigences de puissance du système et la capacité totale requise pour maintenir une tension moteur stable, notamment au démarrage et en cas de calage.

ESD122DMXR : cette matrice de diodes de protection DES TVS bidirectionnelles de TI est conçue pour la protection des circuits USB Type-C™ et HDMI 2.0, et elle est répertoriée pour dissiper les pointes de décharges électrostatiques (DES) de contact au niveau maximum spécifié dans la norme CEI 61000-4-2 (17 kV contact, 17 kV entrefer). Avec une faible capacité E/S par canal et un brochage adapté au routage des signaux haute vitesse différentiels symétriques, l'ESD122 est idéal pour la protection des interfaces haute vitesse jusqu'à 10 Gbps dans les applications comme USB 3.1 Gen2 et HDMI 2.0. La faible résistance dynamique et la basse tension de blocage du dispositif garantissent une meilleure protection niveau système contre les événements transitoires. De plus, l'ESD122 constitue une solution DES idéale pour les lignes Tx/Rx USB Type-C. Étant donné que le connecteur USB Type-C est doté de deux couches, l'utilisation de dispositifs DES à 4 canaux nécessite des traversées, qui dégradent l'intégrité du signal. Cependant, l'utilisation de quatre dispositifs ESD122 (2 canaux) devrait limiter le nombre de traversées et simplifier la configuration de carte.

TLV9061IDPWR : les dispositifs TLV9061, TLV9062 et TLV9064 sont des amplificateurs opérationnels basse tension (1,8 V à 5,5 V), simples, doubles et quadruples, avec des capacités d'excursion d'entrée et de sortie rail-à-rail. Ces dispositifs fournissent des solutions très rentables pour les applications de commande de charge capacitive élevée, basse tension et à empreinte compacte. Même si la commande de charge capacitive du TLV906x est de 100 pF, l'impédance de sortie résistive en boucle ouverte simplifie la stabilisation avec des charges capacitives plus élevées. Comme indiqué précédemment, ces amplificateurs opérationnels sont conçus spécialement pour un fonctionnement basse tension (1,8 V à 5,5 V), avec des spécifications de performances similaires à celles des dispositifs TLVx316 et OPAx316 de TI.

TVS3300DRVR : consultez la description dans la section « Robots industriels » ci-dessus.

IWR1642 : basé la une technologie radar à onde continue modulée en fréquence (FMCW), ce dispositif est un capteur à ondes millimétriques monopuce intégré pouvant fonctionner dans la bande de 76 à 81 GHz avec jusqu'à 4 GHz de chirp continu. Conçue avec le processus RFCMOS 45 nm basse consommation de TI, cette solution permet des niveaux d'intégration inégalés dans un facteur de forme extrêmement compact. Les solutions idéales pour l'IWR1642 incluent les systèmes radars basse consommation à auto-surveillance ultra-haute précision dans les applications industrielles telles que la surveillance, l'automatisation industrielle, la manutention, la surveillance du trafic, l'immotique et les drones.

Conclusion

Les technologies industrielles actuelles exigent les systèmes robotiques les plus intelligents et les plus sophistiqués, ainsi que des technologies embarquées et analogiques innovantes. À cet effet, TI propose un vaste choix de solutions et de conceptions de référence pouvant accélérer, voire simplifier le développement.