차세대 로봇 공학

로봇 사용이 점차 늘어나고 있습니다. 자동화로 인해 사람이 직장을 잃게 될 것이라는 반대 의견도 있지만 지금까지의 모든 근거에 따르면 로봇 공학은 생산성, 안전성, 비용 효율성을 향상시키며 실제로 새로운 직업을 만들어내고 있습니다. 올해 말까지 전 세계에 배포되는 산업용 로봇 수는 약 260만 개로 늘어날 것으로 예상됩니다.

지난해에 공개된 IFR(International Federation of Robotics) 수치에 따르면 전 세계에서 직원 만 명당 평균적으로 산업용 로봇 74개가 설치되어 있다고 합니다. 또한 이러한 평균 수치는 측정된 생산성이 늘어나고 있는 국가에서 더 높게 나타났습니다. 예를 들어 독일, 싱가포르, 대한민국은 각각 309개, 488개, 631개로, 직원 만 명당 설치된 로봇 수가 가장 많은 국가였습니다.

또한 독일의 자동차 부문을 예로 들자면 로봇 자동화가 확산되면서 직원 수가 함께 증가했습니다. 증가한 자동화에 따른 일자리 수에 대한 이 긍정적인 영향은 Utrecht 대학과 함께 유럽 경제 연구 센터(ZEW)에서 공개한 연구로 확인되었습니다. 이를 통해, 우리는 자동화 증가로 인해 생산 비용이 감소하면서 시장 가격이 낮아졌고 이에 따라 소비자의 관심이 늘어나 수요가 증가하게 됨을 추정할 수 있습니다. 소비자의 수요 증가는 일자리 증대를 일으킵니다.

또한 로봇이 영향을 미친 분야는 산업과 제조만이 아닙니다. 로봇은 배송과 관련한 온라인 쇼핑의 효율성 향상 또는 과학, 기술, 엔지니어링 및 수학(STEM)에 관해 증폭된 학생들의 관심으로 인해 공장 외부로 활동 범위를 넓혀가고 있습니다.

가장 지능적이며 정교한 로봇 시스템을 개발하기 위해서는 혁신적인 아날로그 및 내장형 기술이 필요합니다. 로봇 시스템 설계 작동 방식을 더 심도 있게 이해할 수 있도록 TI(Texas Instruments)에서는 많은 학생이 현재 공학 커리큘럼 내의 틈을 메우는 데 도움이 되는 학습 키트를 제공하고 있습니다. 이제 현재 제공되는 TI 도구 일부에 대해 논의해 보겠습니다.

산업용 로봇

TIDA-01600 - 서보 구동 및 로봇 공학을 위한 스마트 브레이크 제어 및 진단 참조 설계: 이 TI 참조 설계(그림 1)는 IEC EN 61800-5-2에 따라 서보 구동에 안전 브레이크 제어 기능을 구현하기 위해 외부 홀딩 브레이크를 제어하는 2채널 출력 신호를 제공합니다. 기능적으로 브레이크 작동 코일에서 전력이 차단될 때 홀딩 브레이크가 잠기고 전압이 적용될 때 다시 풀립니다. 이를 위해 코일에 전력을 공급하는 스마트 전기 부하 스위치를 활성화/비활성화합니다. 이 참조 설계에는 다양한 결함을 감지하기 위한 진단 기능도 포함되어 있어 안전한 작동을 보장합니다. 브레이크 제어 신호를 생성하고 진단하기 위해 이 설계는 C2000 Launchpad를 사용합니다.

그림 1: Texas Instruments의 TIDA-01600 서보 구동 및 로봇 공학 스마트 브레이크 참조 설계. (이미지 출처: Texas Instruments)

LMZ14201TZ-ADJ/NOPB - 고출력 전압용 단순 전환기 전력 모듈: TI LMZ1420x 계열 전력 모듈에는 통합 차폐형 인덕터, 단순 PCB 레이아웃, 외부 소프트 스타트 및 정밀 활성화 단자를 사용하는 유연한 시퀀싱이 탑재되어 있습니다. 이러한 전력 모듈은 유입 전류 및 입력 UVLO로부터의 보호와 출력 단락 회로 보호를 제공합니다. 시스템 열 생성이 감소한 것은 높은 효율성으로 인한 것입니다. 이 전력 모듈 계열에는 각각 실장 및 제조 간편성을 위해 단일 노출형 패드와 표준 핀아웃이 포함되어 있습니다.

ISO7842: 8000-VPK 분리 전압을 지닌 강화형 4채널 2/2 디지털 절연기(VDE, CSA, CQC, TUV에 따라 인증됨)입니다. ISO7842 절연기는 저전력을 소비하고 높은 전자기 내성과 낮은 방출을 제공하면서 CMOS 또는 LVCMOS 디지털 I/O을 분리합니다. 각 분리 채널은 이산화규소(SiO₂) 소재의 절연 장벽으로 분리된 논리 입력 및 출력 버퍼를 가집니다.

TPS7B6933QDBVRQ1: TPS7B69xx-Q1 장치는 최대 40V VI 작동을 위해 설계된 저 드롭아웃 선형 조정기입니다. TPS7B6933QDBVRQ1 장치는 경량 부하에서 15A(통상) 정동작 전류를 나타내며 특히 자동차 응용 분야의 대기 마이크로 컨트롤러 장치 시스템에 적합합니다. 이러한 장치에는 통합 단락 및 과전류 보호 기능이 탑재되어 있으며 작동 온도 범위는 40°C ~ +125°C입니다. 이러한 기능 덕분에 TPS7B6925-Q1, TPS7B6933-Q1 및 TPS7B6950-Q1은 다양한 자동차 전원 공급 장치 응용 제품에 사용되기에 적합합니다.

TPS27S100APWPR: TI에서 제공하는 TPS27S100x 스마트 하이사이드 스위치는 NMOS 및 충전 펌프가 통합되어 있어 전체적으로 보호되는 단일 채널 하이사이드 스위치입니다. TPS27S100APWPR에는 전체 진단 및 고정확도 전류 모니터링 기능이 탑재되어 있어 부하를 지능적으로 제어할 수 있습니다. 또한 시스템 신뢰성을 대폭 향상시킬 수 있는 가변 전류 제한 기능도 갖추고 있습니다. 정확한 전류 모니터링 및 가변 전류 제한 기능으로 현재 시판 중인 유사한 장치와 차별화됩니다.

ULN2003APWR: 이 TI 장치는 고전류 트랜지스터 어레이입니다. ULN2003APWR은 각 유도 부하 전환을 위해 공통 음극 클램프 다이오드가 있는 고전압 출력을 갖춘 NPN Darlington 7쌍으로 구성됩니다. 이 장치의 각 단일 Darlington 쌍의 콜렉터와 전류 간 정격은 500mA입니다. 이러한 Darlington 쌍은 더 높은 전류 요구 사항을 지원하기 위해 병렬로 배치할 수 있습니다. 응용 제품의 예로 램프 구동기, 디스플레이 구동기(LED 및 가스 방출), 논리 버퍼, 망치 구동기, 회선 구동기 및 릴레이 구동기가 포함됩니다.

TVS3300DRVR: TVS3300은 최대 35A의 IEC 61000-4-5 고장 전류를 이동시켜 과도한 고전력 또는 번개로부터 시스템을 보호하며, 42Ω 임피던스를 통해 결합된 최대 1kV IEC 61000-4-5 개방 회로 전압을 견디기 위한 일반 산업용 신호 라인 EMC 요구 사항에 대한 솔루션을 제공합니다. 이 장치는 시스템 노출이 40V 미만이 되도록 보장하는 고유한 피드백 메커니즘을 이용해 고장 중에 정밀하고 평평한 클램핑을 보장합니다. 이 엄격한 전압 규제를 통해 설계자는 견고성을 저해하지 않고 전체적인 시스템 비용과 복잡성을 낮추는 저전압 허용 오차 범위의 시스템 부품을 자신 있게 선택할 수 있습니다.

물류 및 서비스 로봇

IO-Link 참조 설계를 이용한 초음파 거리 센서 - TI 참조 설계: 이 설계(그림 2)에는 최적화된 레이아웃과 높은 수준의 통합으로 인해 M12 하우징에 딱 맞는 초음파 거리 센서가 탑재되어 있습니다. 시스템 제어와의 통신을 위해 설계된 IO-Link 인터페이스를 통해 이 장치는 Industry 4.0을 지원합니다. 초음파 센서는 색상, 투명도 또는 표면 특성과 상관없이 물체 간 거리를 감지 및/또는 측정하는 데 사용됩니다. 이 장치는 공장 및 공정 설비 같은 혹독한 산업 환경에서도 작동이 가능합니다.

그림 2: IO-Link가 있는 초음파 거리 센서를 위한 Texas Instruments의 TIDA-01386 참조 설계. (이미지 출처: Texas Instruments)

전력용 EtherCAT P® One 케이블 및 EtherCAT® 참조 설계 - TI 참조 설계: EtherCAT P® 전원 공급 장치 물리 구현 회로망의 전력 연결은 이 참조 설계에서 확인할 수 있습니다. 이 참조 설계는 지속 전류 제한, 유입 전류 제한, 역극성 보호 등의 기능을 포함한 공식 EtherCAT P 구현 지침의 모든 요구 사항을 충족합니다.

PLC 아날로그 입력 모듈용 서지 보호 참조 설계 - TI 참조 설계: 이 설계는 공장 자동화 및 제어를 위해 설계된 TI의 33-V 보호 장치(앞에서 설명한 TVS3300 등)의 보호 기능을 보여줍니다. 이 설계는 누설 및 클램핑 전압에 관해 EMI 전후의 보호 장치 동작을 측정하는 데 필요한 정확도를 갖추고 있습니다.

TVS3300DRV-EVM: TI의 TVS3300DRV-EVM은 설계자가 과도 과전압 발생 중에 매우 낮고 평평한 클램핑 전압을 유지하는, 앞서 설명한 정밀 클램프인 TVS3300의 작동과 성능을 평가하도록 돕습니다. TI에서 제공하는 이 정밀 서지 기술이 탑재된 TVS3300 클램핑 전압은 서지 전류 진폭과 상관없이 최소한의 변화를 보입니다. 또한 서지에 대해 빠르게 반응하여 클램핑 발생 시 오버슈트 전압을 제한합니다. TVS3300DRV-EVM 평가 모듈에는 다양한 커넥터 구성에 대해 범용 인라인 테스트를 할 나사 단자 헤더 두 개가 포함되어 있습니다. 또한 손쉬운 테스트를 위해 바나나 플러그 입력 포트 두 개가 포함되며 오실로스코프에 간편하게 연결하도록 50Ω SMA 커넥터가 기판에 포함됩니다.

LM5166DRCT: 이 장치는 콤팩트하고 사용이 간편한 3V ~ 65V 초저 IQ 동기식 벅 컨버터입니다. 폭넓은 입력 전압과 부하 전류 범위에 걸쳐 높은 효율성을 제공합니다. 통합 하이사이드 및 로우사이드 전력 MOSFET으로 최대 500mA의 출력 전류를 3.3V 또는 5V의 고정 출력 전압이나 가변 출력에서 제공합니다. 이 컨버터 설계는 목표 응용 제품 성능을 최적화하기 위한 옵션을 제공하는 동시에 구현을 단순화합니다. 최적의 경부하 효율이나 거의 일정한 작동 주파수를 위한 고정 온타임(COT) 제어를 위해 LM5166DRCT 펄스 주파수 변조(PFM) 모드 옵션을 선택할 수 있습니다. 두 제어 스키마 모두 우수한 라인과 부하 간 과도 응답 및 대형 스텝다운 변환 비율을 위한 짧은 펄스 폭 변조(PWM) 온타임을 제공하는 데 루프 보정이 필요하지 않다는 점을 기억해야 합니다.

PGA460TPWRQ1: TI의 PGA460-Q1의 고도로 통합된 시스템 온칩 초음파 트랜스듀서 구동기와 신호 조절기에 고급 DSP 코어가 포함되어 있습니다. 이 장치에는 승압 변압기를 사용하는 변압기 기반 토폴로지 또는 외부 하이사이드 FET를 사용하는 직접 구동 토폴로지에서 트랜스듀서를 구동할 수 있는 상보적 로우사이드 구동기 쌍이 포함됩니다. 이 장치에는 신뢰할 수 있는 물체 감지를 위해 반사된 초음파 에코 신호를 수신 및 조절하는 기능이 있습니다. 이를 위해 ADC에 반영된 이득 스테이지에 따라 다른 프로그래밍 가능 시간이 수반되는 저잡음 증폭기로 구성된 아날로그 프런트 엔드(AFE)가 사용됩니다. ADC에서 전송한 디지털 신호는 DSP 코어에서 처리됩니다. 그런 다음 근거리 및 원거리 물체 감지 모두 시간 가변성 임계값을 이용해 계산됩니다.

MSP430FR5959IRHAR: MSP430 초저전력(ULP) FRAM 플랫폼은 저에너지 버짓으로 향상된 성능을 제공할 수 있도록 내장형 FRAM과 초저전력 시스템 아키텍처를 결합합니다. FRAM 기술은 매우 낮은 전력에서 SRAM의 속도, 유연성 및 내구성과 플래시의 안정성 및 신뢰성을 결합하므로 TI는 이러한 장치에 이 기술을 사용합니다. MSP430 ULP FRAM 포트폴리오는 FRAM, ULP 16비트 MSP430 CPU 및 다양한 응용 제품을 대상으로 하는 지능형 주변 장치를 통합하는 다양한 장치 세트로 구성됩니다. ULP 아키텍처는 에너지 관련 문제가 있는 다양한 응용 제품에서 확장된 배터리 수명을 실현하도록 최적화된 저전력 모드 7개를 갖추고 있습니다.

TIOL111: 이 트랜시버 제품군에는 산업용 양방향 지점 간 통신을 위한 IO-Link 인터페이스가 탑재되어 있습니다. TIOL111은 3선 인터페이스를 통해 IO-Link 마스터에 연결될 때 통신을 위한 완전한 물리층 역할을 담당합니다. 이 경우 마스터는 원격 노드와 통신을 시작하고 데이터를 교환할 수 있습니다. 이러한 장치의 보호 기능에는 최대 1.2kV(500Ω)의 IEC 61000-4-5 서지까지 견디는 기능과 통합 역극성 보호 기능이 포함됩니다.

10.8V/15W, 90% 초과 효율성, 2.4cm2, 브러시 DC 서보 구동용 전력 스테이지 참조 설계 - TI 참조 설계: 이 15W 전력 스테이지 참조 설계(그림 3)의 크기는 12mm x 20mm에 불과합니다. 이 참조 설계는 3전지 ~ 6전지 리튬 이온 배터리로 작동하는 브러시 DC(BDC) 모터의 위치를 제어하고 구동합니다. 고효율 솔루션을 제공하는 이 설계는 모터 케이스에 쉽게 넣을 수 있고 정밀 모터 위치 제어도 지원하는 매우 작은 폼 팩터로 최적화되어 있습니다. 또한 이 참조 설계는 위치 피드백 없이 고속으로 모터를 구동할 수 있으며 품질 토크 제어를 위해 빠르고 정확한 전류 감지를 보여줍니다. 마지막으로 온보드 MCU는 UART 연결성을 제공해 모든 외부 컨트롤러로 제어할 수 있습니다.

그림 3: 브러시 DC 서보 구동을 위한 Texas Instruments의 전력 스테이지용 TIDA-01588 참조 설계. (이미지 출처: Texas Instruments)

PLC 아날로그 입력 참조 설계를 위한 IEPE 진동 센서 인터페이스 - TI 참조 설계: 산업 상태 모니터링의 중요 항목이자 예측 유지 관리를 위한 필요 사항은 진동 감지입니다. 산업 환경에 가장 일반적으로 사용되는 진동 센서는 통합 전자 압전(IEPE) 센서입니다. 이 참조 설계(그림 4)의 핵심은 IEPE 센서 인터페이스를 위한 전체 아날로그 프런트 엔드입니다. 이 설계는 소규모 실장 면적 구현에서 가능한 IEPE 센서 데이터의 저전력, 유연한 고분해능, 고속 변환을 보여줍니다.

그림 4: PLC 아날로그 입력을 위한 Texas Instruments의 TIDA-01471 진동 센서 인터페이스 참조 설계. (이미지 출처: Texas Instruments)

MSP430FR2433IRGER: TI의 이 초저전력 MSP430FRx FRAM 기반 마이크로 컨트롤러 제품군은 광범위한 저전력 휴대용 응용 제품을 위한 다양한 통합 주변 장치와 최저 수준의 전력 소비량을 제공합니다. 이러한 MCU는 MCU가 주로 대기 모드에서 작동하는 응용 제품에 가장 적합합니다. 또한 MSP430FRx FRAM 기반 MCU 제품군에는 최근 확장된 데이터 기록과 보안 기능을 위한 옵션이 추가되었습니다. MSP43FR2433은 소형 폼 팩터 산업용 센서에 이상적인 소형 VQFN 패키지(4mm × 4mm)로 구성되며 다양한 통합 주변 장치와 결합해 매우 낮은 전력 소비량을 보완합니다.

TPS70933DRVR: TI의 선형 조정기 TPS709xx 계열은 전력에 민감한 응용 분야에 이상적인 매우 낮은 정동작 전류를 특징으로 합니다. 이러한 장치는 정밀 밴드갭과 오류 증폭기를 이용해 작동 온도 범위에서 2%를 웃도는 정확도를 제공합니다. 낮은 1A 정동작 전류로 인해 이러한 장치는 배터리 구동식 장치와 유휴 상태 소비 전력이 매우 적으며 언제나 켜져 있는 응용 장치를 위한 완벽한 솔루션입니다. 이 장치 제품군에는 과열 시 전원 차단, 전류 제한, 역전류 보호 등의 추가 안전 기능이 있습니다.

DRV8870DDAR: TI의 DRV8870은 3.6A 브러시 DC 모터 구동기로 산업용 장비, 전자 제품, 프린터 및 기타 소형 장비 같은 응용 제품에 사용할 수 있습니다. 논리 입력 두 개가 4N채널 MOSFET H 브리지 모터 구동기를 제어하며 이 구동기는 3.6A의 피크 전류로 모터를 양방향으로 제어할 수 있습니다. 모터 속도를 제어하기 위해 선택 가능한 전류 감쇠 모드를 사용하여 입력의 펄스 폭을 변조할 수 있습니다. 두 입력이 모두 낮게 설정된 경우 장치의 저전력 절전 모드가 시작됩니다. DRV8870에는 모터 전류가 통과해서 흐르는 외부 감지 저항기에서 오는 VREF 아날로그 입력과 핀 ISEN 전압을 바탕으로 하는 통합 전류 조정 기능도 탑재되어 있습니다. 알려진 레벨까지 전류를 제한하는 이 장치의 기능은 특히 모터 시동 및 중지 조건에서 안정적인 모터 전압을 유지하는 데 필요한 시스템 전력 요구 사항과 벌크 정전 용량을 상당히 줄여줍니다.

ESD122DMXR: TI의 이 양방향 TVS ESD 보호 다이오드 어레이는 USB Type-C™ 및 HDMI 2.0 회로 보호용으로 설계되었으며 IEC 61000-4-2(17kV 접촉, 17kV 에어 갭)에 명시된 최대 지정 수준에서 접촉 ESD 충격을 소멸한다고 평가됩니다. ESD122는 채널당 낮은 IO 정전 용량과 대칭 차동 고속 신호 라우팅에 적합한 핀아웃을 제공하여 USB 3.1 Gen2 및 HDMI 2.0과 같은 응용 분야에서 최대 10Gbps의 고속 인터페이스를 보호하는 데 적합합니다. 과도 상황에 대한 추가적인 시스템 수준 보호는 장치의 낮은 동적 저항과 낮은 클램핑 전압으로 보장됩니다. 또한 ESD122는 USB Type-C Tx/Rx 라인을 위한 완벽한 ESD 솔루션입니다. USB Type-C 커넥터는 2개의 레이어가 있어 4채널 ESD 장치를 사용하는 데 VIA가 필요하므로 신호 무결성이 저하됩니다. 하지만 ESD122(2채널) 장치 4개를 사용하면 VIA의 수를 최소화하고 기판 배열을 간소화할 수 있습니다.

TLV9061IDPWR: TLV9061, TLV9062, TLV9064는 각각 단일, 이중, 쿼드 저전압(1.8V ~ 5.5V) 연산 증폭기(op amp)로 레일 간 입력 및 출력 스윙 기능을 갖추었습니다. 이러한 장치는 저전압, 소형 실장 면적, 높은 정전 용량 부하 구동 응용 제품에 사용할 수 있는 매우 비용 효율적인 솔루션입니다. TLV906x의 정전 용량 부하 구동은 100pF이지만, 저항막 방식 개방 루프 출력 임피던스로 인해 더 높은 정전 용량 부하를 사용하여 간단하게 안정화합니다. 앞에서 살펴본 바와 같이 이러한 연산 증폭기는 TI의 TLVx316 및 OPAx316 장치와 유사한 성능 사양을 갖춘 저전압 작동(1.8V ~ 5.5V)을 위해 특별히 설계되었습니다.

TVS3300DRVR: 위 “산업용 로봇” 섹션의 설명을 참조하십시오.

IWR1642: 주파수 변조 지속파(FMCW) 레이더 기술을 바탕으로 하는 이 장치는 최대 4GHz의 연속 첩이 있는 76GHz ~ 81GHz 대역에서 작동하는 통합 단일 칩 mmWave 센서입니다. TI의 저전력 45nm RFCMOS 공정으로 구축된 이 솔루션을 이용하면 굉장히 작은 폼 팩터와 유례없는 수준으로 통합할 수 있습니다. IWR1642의 이상적인 솔루션에는 감시, 공장 자동화, 자재 관리, 교통 모니터링, 건물 자동화, 드론 같은 산업 응용 분야의 저전력 자체 모니터링 초정밀 레이더 시스템이 포함됩니다.

결론

오늘날의 산업 기술에는 혁신적인 아날로그 및 내장형 기술과 함께 가장 지능적이고 정교한 로봇 시스템이 필요합니다. 이를 지원하기 위해 TI는 개발 속도를 높이고 간소화하는 다양한 솔루션과 참조 설계를 제공하고 있습니다.