深入了解机器人系统设计的工作原理

　　事实上，机器人的使用在稳定增长。虽然有些反对者认为，自动化将导致人们失业，但迄今为止的所有证据表明，机器人技术可以提高生产率、安全性和成本效益，并且实际上会创造新的就业机会。到今年年底，全球部署的工业机器人数量预计将上升到约 260 万台。

　　国际机器人联合会 （IFR） 去年公布的数据显示，全球平均每 10，000 名员工安装了 74 台工业机器人。这些数字还显示，在实测生产率不断提高的国家，此平均值明显更高。例如，德国、新加坡和韩国每 10，000 名员工安装的机器人最多，分别为 309 台、488 台和 631 台。

　　此外，以德国的汽车行业为例，随着机器人自动化的增长，员工数量也在同步增加。ZEW（欧洲经济研究中心）与乌特勒支大学合作发表的一项研究，证实了自动化程度提高对就业数量的积极影响。由此可以推测，自动化程度提高导致生产成本降低，进而拉低市场价格，使产品对消费者更具吸引力并增加了需求。而需求的增加可带动就业增长。

　　此外，工业和制造业并不是机器人产生影响的唯一领域。这种影响日益扩展到工厂之外，例如提高在线购物的交付效率，以及让学生对 STEM（科学、技术、工程和数学）更感兴趣等。

　　为了开发最智能和最先进的机器人系统，需要采用创新的模拟和嵌入式技术。为了帮助深入了解机器人系统设计的工作原理，Texas Instruments （TI） 提供了学习工具包，以帮助学生们填补当前工程课程的空白。下面讨论 TI 目前提供的一些工具：

　　工业机器人

　　TIDA-01600 - 智能制动控制与诊断参考设计，适用于伺服驱动器和机器人：该 TI 参考设计（图 1）提供双通道输出信号来控制外部制动闸，以便在伺服驱动器中实现符合 IEC EN 61800-5-2 标准的安全制动控制功能。在功能上，当制动工作线圈电源切断时，制动闸锁定；当施加电压时，制动闸松开。为实现这种操作，须启用/禁用为线圈供电的智能电子负载开关。该参考设计还有诊断功能，用于检测各种故障以确保安全操作。为生成制动控制信号并执行诊断，该设计使用 C2000 Launchpad。

 

 

　　图 1：Texas Instruments 的 TIDA-01600 伺服驱动器和机器人智能制动参考设计。（图片来源：Texas Instruments）

　　LMZ14201TZ-ADJ/NOPB - SIMPLE SWITCHER 电源模块，可实现高输出电压：TI 的 LMZ1420x 系列电源模块具有集成屏蔽式电感器、简单的 PCB 布局，以及使用外部软启动和精密使能的灵活启动顺序。这些电源模块提供涌流保护、输入 UVLO 和输出短路保护。由于模块的效率高，因此能使系统发热量减少。该系列电源模块均有单个裸焊盘和标准引脚布局，便于安装和制造。

　　ISO7842：这是一款增强型 4 通道 2/2 数字隔离器（已获得 VDE、CSA、CQC 和 TUV 认证），具有 8000-VPK 隔离电压。ISO7842 隔离器可隔离 CMOS 或 LVCMOS 数字 I/O，同时在低功耗条件下，具有很高的电磁抗扰度和低辐射性能。每个隔离通道都有一个逻辑输入和输出缓冲器，并通过由二氧化硅 （SiO2） 材料组成的绝缘栅进行隔离。

　　TPS7B6933QDBVRQ1：TPS7B69xx-Q1 器件是低压差线性稳压器，针对高达 40 V VI 操作而设计。TPS7B6933QDBVRQ1 器件在轻负载时的静态电流为 15 μA（典型值），因此适用于备用微控制器单元系统，尤其是在汽车应用中。这些器件集成短路和过流保护，工作温度范围为 -40°C 至 +125°C。这些特性使 TPS7B6925-Q1、TPS7B6933-Q1 和 TPS7B6950-Q1 非常适合用于各种汽车电源应用。

　　TPS27S100APWPR：TI 的 TPS27S100x 智能高压侧开关是单通道、全保护式高压侧开关，集成了 NMOS 和充电泵。TPS27S100APWPR 具有全面诊断和高精度电流监控功能，可实现对负载的智能控制。它还有可调限流功能，可以大大提高系统可靠性。凭借精确电流监控和可调限流功能，该器件有别于目前市场上的类似器件。

　　ULN2003APWR：这款 TI 器件是一种高电流晶体管阵列。ULN2003APWR 由七个 NPN 达林顿复合晶体管对组成，每对均具有高电压输出和共阴极箝位二极管，可切换感性负载。该器件中每个达林顿复合晶体管对的集电极额定电流为 500 mA。这些达林顿复合晶体管对可以并联，以支持更高的电流要求。部分示例应用包括灯驱动器、显示驱动器（LED 和气体放电）、逻辑缓冲器、锤子驱动器、线路驱动器和继电器驱动器。

　　TVS3300DRVR：TVS3300 可分流高达 35 A 的 IEC 61000-4-5 故障电流，保护系统免受高功率瞬变或雷击影响；还能满足常见的工业信号线 EMC 要求，可耐受通过 42 Ω 阻抗耦合的高达 1 kV IEC 61000-4-5 开路电压。该器件使用独特的反馈机制，确保系统暴露电压低于 40 V，从而在故障期间实现精确稳定的箝位。通过这种严格的电压调节，设计人员能够自信地选择电压容差较低的系统元器件，从而降低整体系统成本和复杂性，且不损害稳健性。

　　物流和服务机器人

　　采用 IO-Link 的超声波距离传感器参考设计 - TI 参考设计：该设计（图 2）采用超声波距离传感器，由于具有优化的布局和高集成度，它能很好地安装在 M12 外壳中。该器件的 IO-Link 接口设计用于与系统控制进行通信，因此可支持工业 4.0。超声波传感器用于检测和/或测量物体距离，与物体的颜色、透明度或表面特征无关。该器件能够在工厂和加工厂等恶劣的工业环境中工作。

 

 

　　图 2：Texas Instruments 的 TIDA-01386 参考设计，针对采用 IO-Link 的超声波距离传感器。（图片来源：Texas Instruments）

　　电源和 EtherCAT® 共用一条电缆的 EtherCAT P® 参考设计 - TI 参考设计：本参考设计展示了电源耦合在 EtherCAT P® 供电装置电路中的物理实现方法。此设计符合 EtherCAT P 官方实施指南中的所有要求，具有连续限流、涌流限制和反极性保护等特性。

　　PLC 模拟输入模块浪涌保护参考设计 - TI 参考设计：本设计旨在展示用于工厂自动化和控制的 TI 33 V 保护器件（如前面讨论过的 TVS3300）的保护功能。本设计具有测量 EMI 应力之前和之后的保护器件特性（即泄漏和箝位电压）所需的精度。

　　TVS3300DRV-EVM：TI 的 TVS3300DRV-EVM 可帮助设计人员评估 TVS3300（之前讨论过）的操作和性能；后者是一款精密箝位器件，可在瞬态过压事件期间，保持超低且稳定的箝位电压。利用 TI 的这种精密浪涌技术，无论浪涌电流幅度如何，TVS3300 箝位电压的变化都非常小。它还能对浪涌作出快速响应，从而在箝位发生时限制过冲电压。TVS3300DRV-EVM 评估模块包含两套螺纹端子接头，用于各种连接器配置的通用在线测试。此外，该板还包含两个方便测试的香蕉插头输入端口，以及四个可轻松连接示波器的 50 Ω SMA 连接器。

　　LM5166DRCT： 该器件是一款易于使用的紧凑型 3 V 至 65 V 超低 IQ 同步降压转换器，可在宽输入电压和负载电流范围内提供高效率。它集成了高压侧和低压侧功率 MOSFET，在 3.3 V 或 5 V 恒定输出电压下或者在可调输出电压下，输出电流可达 500 mA。该转换器设计在简化实施的同时，提供了优化目标应用性能的选项。设计人员可以选择 LM5166DRCT 脉冲频率调制 （PFM） 模式选项，以获得最佳的轻负载效率，或获得恒定导通时间 （COT） 控制，以实现几乎恒定的工作频率。必须注意的是，两种控制方案都不需要回路补偿，即可提供出色的线路和负载瞬态响应以及短脉冲宽度调制 （PWM） 导通时间，从而实现很大降压转换比。

　　PGA460TPWRQ1： TI PGA460-Q1 是一款高度集成的片上系统超声波变送器驱动器和信号调节器，具有先进的 DSP 内核。该器件含有互补的低压侧驱动器对，驱动的变送器可以是使用一个升压变压器的基于变压器的拓扑结构，或使用外部高压侧 FET 的直接驱动型拓扑结构。该器件能够接收和调节反射的超声回波信号，从而可靠地检测物体。为此，它使用了一个模拟前端 （AFE），该前端由低噪声放大器和反馈到 ADC 的可编程时变增益级组成。经 ADC 数字化的信号随后在 DSP 内核中处理，然后使用时变阈值计算近场和远场物体检测。

　　MSP430FR5959IRHAR： MSP430 超低功耗 （ULP） FRAM 平台结合了嵌入式 FRAM 和超低功耗系统架构，能够在更低的能耗预算条件下提升性能。TI 之所以在这些器件中使用 FRAM 技术，是因为它能以更低的总体功耗将 SRAM 的速度、灵活性和耐久性与闪存的稳定性和可靠性集于一体。MSP430 ULP FRAM 产品组合包括一组不同的器件，整合了 FRAM、ULP 16 位 MSP430 CPU 以及针对各种不同应用的智能外设。ULP 架构具有七种低功耗模式并分别进行了优化，以使各种大功耗应用实现更长的电池寿命。

　　TIOL111： 该系列收发器具有 IO-Link 接口，可用于工业级的双向点对点通信。当通过三线接口连接到 IO-Link 主机时，TIOL111 用作通信的完整物理层。在这种情况下，主机可以启动与远程节点的通信并交换数据。这些器件能够承受 IEC 61000-4-5 标准规定的高达 1.2 kV （500 Ω） 的浪涌电压，而且集成了反极性保护功能。

　　10.8-V/15-W、》90% 效率、2.4-cm2 功率级参考设计，适用于有刷直流伺服驱动器 - TI 参考设计： 这款 15 W 功率级参考设计（图 3）的尺寸仅为 12 mm x 20 mm，旨在驱动和控制由 3 至 6 节锂离子电池供电的有刷直流 （BDC） 电机的位置。该设计提供高效率解决方案，并且经过优化，外形尺寸非常小，可轻松安装到电机外壳中，而且支持精确的电机位置控制。此外，该参考设计还能在没有任何位置反馈的情况下高速驱动电机，并能快速准确地检测电流，从而实现高品质扭矩控制。最后，板载 MCU 提供 UART 连接，支持通过任何外部控制器进行控制。

 

 

　　图 3： Texas Instruments 的 TIDA-01588 功率级参考设计，适用于有刷直流伺服驱动器。（图片来源：Texas Instruments）

　　用于 PLC 模拟输入的 IEPE 振动传感器接口参考设计 - TI 参考设计： 振动检测是工业状态监测的关键组成部分，也是预测性维护必不可少的部分。工业环境中最常用的振动传感器是集成电子压电 （IEPE） 传感器。该参考设计（图 4）的核心是一个适用于 IEPE 传感器接口的完整模拟前端。该设计证明，对 IEPE 传感器数据的低功耗、灵活、高分辨率、高速转换可通过一个小尺寸方案实现。

 

 

　　图 4：Texas Instruments 用于 PLC 模拟输入的 TIDA-01471 振动传感器接口参考设计。（图片来源：Texas Instruments）

　　MSP430FR2433IRGER：这是 TI 基于 FRAM 的超低功耗 MSP430FRx 微控制器系列，功耗最低，集成了各种外设，支持广泛的低功耗和便携式应用。这些 MCU 非常适合 MCU 主要以待机模式运行的应用。此外，基于 FRAM 的 MSP430FRx MCU 系列最近增加了可扩展数据记录和安全功能的选项。MSP43FR2433 采用小型 VQFN 封装 （4 mm × 4 mm），是小尺寸工业传感器的理想选择，而且除超低功耗外，还结合了各种集成外设。

　　TPS70933DRVR：TI 的 TPS709xx 系列线性稳压器具有超低静态电流特性，非常适合功耗敏感型应用。这些器件使用精密带隙和误差放大器，在工作温度范围内的精度为 2%。静态电流低至 1 μA，因此这些器件是空闲状态功耗极低的电池供电且始终通电应用的理想解决方案。该系列器件还有额外的安全特性，包括热关断、限流和反向电流保护。

　　DRV8870DDAR：TI 的 DRV8870 是一款 3.6 A 有刷直流电机驱动器，可用于工业设备、电器、打印机和其他小型机器等应用。两个逻辑输入控制四个 N 沟道 MOSFET H 桥电机驱动器，进而实现双向电机控制，峰值电流为 3.6 A。为了控制电机速度，可以使用可选的电流衰减模式对输入进行脉冲宽度调制。当两个输入均设置为低电平时，器件进入低功耗休眠模式。DRV8870 还集成了基于 VREF 模拟输入和引脚 ISEN 电压的电流调节功能，该电压来自电机电流从中流过的外部检测电阻。该器件能将电流限制在已知水平，从而大大降低系统功率要求以及维持电机电压稳定所需的大容量电容，尤其是在启动和失速情况下。

　　ESD122DMXR：这是 TI 的一款双向 TVS ESD 保护二极管阵列，针对 USB Type-C™ 和 HDMI 2.0 电路保护而设计，其额定 ESD 冲击消散值达到 IEC 61000-4-2 规定的最高水平（17 kV 接触放电、17 kV 气隙放电）。ESD122 每通道的 IO 电容很低，引脚布局适合于对称差分高速信号路由，故其非常适于保护高达 10 Gbps 的高速接口，应用包括第 2 代 USB 3.1 和 HDMI 2.0 等。该器件的低动态电阻和低箝位电压确保提供对瞬变事件的进一步系统级保护。此外，ESD122 是 USB Type-C Tx/Rx 线路的理想 ESD 解决方案。由于 USB Type-C 连接器具有两层结构，因此使用四通道 ESD 器件时需要 VIA，这会降低信号完整性。但是，使用四个 ESD122（双通道）器件会将 VIA 数量降至最少，并简化电路板布局。

　　TLV9061IDPWR：TLV9061、TLV9062 和 TLV9064 分别是单、双、四通道低压（1.8 V 至 5.5 V）运算放大器（运放），均具有轨至轨输入和输出摆幅能力。这些器件为低压、小尺寸和高容性负载驱动应用提供极具性价比的解决方案。虽然 TLV906x 容性负载驱动为 100 pF，但阻性开环输出阻抗使得在更高容性负载情况下更易于稳定。如前所述，这些运算放大器专用于低压工作（1.8 V 至 5.5 V），且性能规格类似于 TI 的 TLVx316 和 OPAx316 器件。

　　TVS3300DRVR：请参阅上面“工业机器人”部分中的说明。

　　IWR1642：该器件基于调频连续波 （FMCW） 雷达技术，是一款集成单芯片毫米波传感器，能够在 76 至 81 GHz 频段工作，最高提供 4 GHz 连续线性调频。该解决方案采用 TI 的低功耗 45 nm RFCMOS 工艺制造，能够在超小的外形尺寸内实现无与伦比的集成度。IWR1642 是工业应用中低功耗、自监控、超高精度雷达系统的理想解决方案，如安防监控、工厂自动化、物料搬运、交通监控、楼宇自动化和无人机。

　　总结

　　当今的工业技术不仅需要最智能和最先进的机器人系统，而且需要创新的模拟和嵌入式技术。为了支持这种需求，TI 提供了各种解决方案和参考设计，可以加快甚至简化开发工作。