Rilevamento avanzato di corrente e tensione per una robotica ultra-precisa
Immaginate un robot umanoide che tenti di infilare un ago, oppure un robot collaborativo (cobot) che movimenti oggetti fragili in uno stabilimento per la trasformazione alimentare. Basta un errore di calcolo anche minimo per impedire che ottengano il risultato desiderato.
La precisione è tutto, nel campo della robotica. I progressi nella tecnologia di rilevamento della corrente e della tensione stanno portando a notevoli miglioramenti nella capacità dei robot di gestire compiti complessi con una risposta di coppia più rapida, ottenendo movimenti più fluidi e simili a quelli umani. Inoltre i convertitori a isolamento funzionale stanno dando ai robot un controllo motore più preciso in progetti di minori dimensioni e permettono ai robot stessi di essere più intelligenti, più sicuri e più efficienti.
A mano a mano che i robot, ad esempio i robot mobili autonomi e i robot umanoidi <60 V svolgono ruoli sempre di sempre maggiore complessità, devono poter funzionare più a lungo e con una maggiore efficienza energetica. Le misurazioni accurate della corrente e della tensione hanno un impatto diretto sulla precisione e sulla rapidità dei tempi di risposta di coppia, consentendo a loro volta ai robot di raggiungere la loro posizione e il loro orientamento con maggiore velocità e precisione. Ogni singolo nanosecondo è importante quando si tratta di consentire una navigazione sicura e di eseguire operazioni improvvise, ad esempio per reagire a cambiamenti nel carico o nelle condizioni ambientali. Queste misurazioni forniscono dati in tempo reale al sistema di controllo del robot e permettono al robot stesso di adattare all’istante le proprie azioni, conservando la precisione durante le attività in corso. La Figura 1 mostra come l’accuratezza nel rilevamento di corrente e tensione contribuisce ad aumentare la precisione dei robot.
Figura 1. L’accuratezza nel rilevamento di corrente e tensione incide sulla precisione di lavoro dei robot
La necessità di migliorare le capacità di rilevamento
Nonostante i vantaggi che le soluzioni di rilevamento della tensione e della corrente possono offrire ai moderni sistemi robotici, sono numerose le sfide poste dal rilevamento ad alte prestazioni. La più diffusa di esse consiste nell’effettuare misurazioni precise e silenziose della corrente e delle tensioni fornite al motore. Nei moderni sistemi robotici, gli inverter trifase lavorano a bassi livelli di corrente o tensione e generano rumore transitorio che può interferire con l’accuratezza delle misurazioni dei sensori non isolati già esistenti.
Una risposta di coppia più lenta e un movimento meno preciso possono costituire sfide notevoli a livello di progettazione dei robot con capacità motorie raffinate, necessarie per svolgere compiti complessi in modo molto fluido e controllato.
Un’ulteriore sfida che devono affrontare i progettisti è il fatto che molti robot, compresi quelli mobili, sono alimentati a batteria, il che complica l’ottimizzazione dell’efficienza energetica mantenendo inalterate le prestazioni. Inoltre una potenza insufficiente può causare guasti al sistema, limitare la durata delle attività e far salire i costi d’esercizio.
In aggiunta alle problematiche in termini di prestazioni, i robot umanoidi compatti hanno spazio limitato per circuiti di rilevamento aggiuntivi. Integrare circuiti di rilevamento della corrente e della tensione senza aumentare significativamente le dimensioni dei moduli o il peso del sistema può costituire una notevole sfida.
Nel progettare un sistema robotico è necessario isolare i circuiti di alimentazione e di controllo nei domini ad alta e bassa tensione. La protezione contro i cortocircuiti o le sovratensioni richiede un rilevamento rapido e preciso di questi guasti al fine di evitare danni ad altri componenti.
Ottenere misurazioni precise di corrente e tensione
Per superare le sfide progettuali poste dai progetti robotici tradizionali, i convertitori a isolamento funzionale di TI permettono ai progettisti di ottenere un funzionamento di coppia fluido e un controllo preciso del motore, mantenendo al tempo stesso dimensioni ridotte e costi contenuti in progetti compatti <60 V.
I modulatori di rilevamento della corrente delta-sigma a isolamento funzionale AMC0106M05 e AMC0106M25, nonché il modulatore di rilevamento della tensione a isolamento funzionale AMC0136, consentono una maggiore precisione nelle misurazioni di corrente e tensione. Questi dispositivi hanno un numero effettivo di bit (ENOB) da 12 a 14, come mostrato in Figura 2, rispetto alle odierne soluzioni analogiche da 8 a 11 bit. Questo aumento della precisione di misurazione permette di migliorare le misurazioni di bassi livelli di corrente e tensione per le attività e i movimenti robotici più sensibili.
Figura 2. L’aumento dell’ENOB e del rapporto di sovracampionamento contribuiscono a ridurre il rumore e a migliorare la risoluzione
I modulatori a isolamento galvanico migliorano l’immunità al rumore e la deriva di offset a livello di sistema con un’elevata immunità ai transienti di modo comune (CMTI) di 150 V/ns. Un’interfaccia digitale garantisce che la commutazione della modulazione di larghezza di impulso non influisca sull’accuratezza di misurazione. Queste caratteristiche consentono ai progettisti nel campo della robotica di utilizzare elevate velocità di commutazione, pari a 50 V/ns o superiori, per progetti di motori al nitruro di gallio ad alta efficienza. La CMTI elevata previene inoltre la corruzione dei dati e il degrado delle prestazioni, riducendo il rischio che il rumore proveniente dalla massa di alimentazione vada a interferire con il microcontroller durante la commutazione dei gate.
In aggiunta ai vantaggi in termini di prestazioni offerti dai modulatori a isolamento funzionale, questi dispositivi permettono una riduzione di oltre il 50% delle dimensioni della soluzione di rilevamento rispetto ad altre soluzioni per modulatori a isolamento rinforzato, grazie a un package da 3,5 mm x 2,7 mm (vedere Figura 3). Questo fattore di forma più piccolo permette inoltre di utilizzare circuiti stampati (PCB) di minori dimensioni, in modo da consentire la produzione di robot più piccoli.
Figura 3. L’AMC0106M05 riduce del 50% le dimensioni della soluzione su circuito stampato
Come protezione contro i guasti, ad esempio cortocircuiti o condizioni di sovratensione, il comparatore a isolamento funzionale AMC21C12 consente un tempo di risposta di 290 ns. Questa velocità di rilevamento dei guasti può contribuire a prevenire danni a carico di altri componenti del sistema spegnendo rapidamente i driver del gate.
Conclusione
In previsione dei futuri sviluppi nel rilevamento a isolamento funzionale e nella risposta di coppia ad alta velocità, si possono solo immaginare le future possibilità per i robot. Ad esempio, potranno eseguire microinterventi di chirurgia avanzata oppure assemblare minuscoli dispositivi elettronici ad alta velocità. I robot mobili autonomi potrebbero muoversi con maggiore efficienza in ambienti complessi, mentre i cobot potrebbero operare in modo più sicuro nelle catene di montaggio. A loro volta, i robot umanoidi potrebbero essere in grado di eseguire riparazioni complesse o addirittura fare il bucato.
