BAW

Могут ли МЭМС-технологии сделать коботов быстрее и безопаснее?

МЭМС-технология объемных акустически волн (ОАВ) позволяет интегрировать ОАВ-резонатор в ФАПЧ. ОАВ-резонатор обеспечивает подавление джиттера, что помогает улучшить качество синхронизации быстродвижущихся механизмов
1590
В избранное

МЭМС-технология объемных акустически волн ОАВ (BAW, bulk acoustic wave) позволяет обеспечить прецизионную синхронизацию быстродвижущихся механизмов, тем самым расширяя возможности автоматизированного производства. ОАВ – это особая технология микро резонаторов, с помощью которой можно реализовать высокоточное тактирование устройств с ультранизким джиттером. Системы фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ или PLL, phase-locked loops) с интегрированными ОАВ-резонаторами оказываются менее громоздкими по сравнению с ФАПЧ, использующими внешние кварцевые осцилляторы. Кроме того, они обеспечивают более чистый и точный тактовый сигнал. ОАВ-резонаторы особенно интересны для коллаборативных роботов (коботов, cobot), потому что при управлении многоосевым движением с привлечением множества двигателей и датчиков синхронизация имеет очень важное значение. ОАВ-резонаторы будут также востребованы в автоматических установщиках компонентов, в литьевых машинах и т.д.

Коботы становятся все более популярным решением для современных автоматизированных линий и производственных конвейеров, так как они способны работать совместно с людьми. Развитие функционала коботов стало возможным за счет появления широкого спектра точных датчиков, которые позволяют коботам четко распознавать объекты и людей находящихся в непосредственной близости, и, тем самым, гарантировать высокий уровень безопасности.

С одной стороны коботы должны двигаться медленно и плавно, чтобы обеспечить безопасность людей. С другой стороны, они также должны действовать достаточно быстро, чтобы эффективно выполнять поставленные перед ними задачи. Если кобот обнаруживает у себя какую-либо неисправность или угрозу безопасности человека, то он должен реагировать максимально быстро и переходить в «безопасное состояние», чтобы защитить человека и предотвратить повреждение инструментов и окружающих объектов.

Использование ОАВ-резонаторов (BAW)

В данной статье рассказывается о том, каким образом МЭМС-технология ОАВ расширяет возможности автоматизированных промышленных систем за счет обеспечения сверхточной синхронизации быстро движущихся механизмов. Технология ОАВ позволяет интегрировать высокоточные генераторы с ультранизким джиттером в системы ФАПЧ, которые используются в синхронных сетях Ethernet.

От перехода на ОАВ-резонаторы в первую очередь выигрывают подвижные манипуляторы коботов, так как синхронизация множества двигателей и датчиков является обязательным условием эффективного управления высокоскоростным движением. Преимущества этой технологии востребованы не только в коботах, но и в других быстродвижущихся механизмах, таких как полиграфические печатные машины, машины для литья, станки с числовым программным управлением (ЧПУ), 3D-принтеры и автоматические установщики компонентов.

На рис. 1 показана типовая архитектура многоосевого кобота с двигателями, датчиками и исполнительными механизмами. Движением робота управляет специальный контроллер. Контроллер взаимодействует с двигателями с помощью драйверов (D). Для контроля позиционирования манипуляторов и механизмов используются различные датчики. Датчики и актуаторы позволяют коботу работать с инструментами и выполнять сборку или обработку изделий.

Подключение блока управления к управляемым механизмам напрямую (топология типа «звезда» (слева)) и с помощью промышленной шины Ethernet (справа)

Рис. 1. Подключение блока управления к управляемым механизмам напрямую (топология типа «звезда» (слева)) и с помощью промышленной шины Ethernet (справа)

В предыдущих поколениях коботов блок управления движением формировал индивидуальные сигналы управления (step и dir) для каждого двигателя и актуатора. Таким образом, система строилась по топологии типа «звезда». Сигналы обратной связи от датчиков (датчиков тока, энкодеров, датчиков температуры, концевых датчиков и т.д.) передавались по последовательным интерфейсам (FB, field bus).

Блок управления движением выполняет особый алгоритм, учитывающий данные обратной связи. Контролер обновляет управляющие сигналы, передаваемые драйверам, каждые 62,5 мкс (16 кГц). Корректировка сигналов управления производится в соответствии с данными, получаемыми от датчиков, например, с учетом тока двигателя или положения вала. Управление движением в замкнутом контуре обычно требует быстрого обмена данными.

В новых коботах на смену топологии типа «звезда» и множеству полевых интерфейсов (рис. 1, слева) приходит архитектура с общей шиной Ethernet (рис. 1, справа). Промышленные протоколы Ethernet обеспечивают гигабитную скорость обмена и позволяют обновлять данные контроллеров, управляющих движением быстрее, чем за 62,5 мкс. При этом управляющие сигналы и сигналы обратной связи в такой системе передаются по одной и той же шине Ethernet, что уменьшает число соединительных проводов и существенно упрощает физическую реализацию всей системы.

Проблемы синхронизации

Синхронный Ethernet, так же известный как SyncE, является стандартом ITU-T (International Telecommunication Union Telecommunication Standardization Sector). Рекомендация ITU-T G.8262 играет важную роль для приложений, в которых необходимо обеспечить простой механизм синхронизации для быстрого и точного управления двигателями. SyncE предлагает способ передачи тактового сигнала (например, 25 МГц) по кабелю Ethernet. Протокол IEEE 1588 Precision Time Protocol или другой стандарт синхронизации промышленного Ethernet, например, EtherCAT или протокол PROFINET Precision Transparent Clock Protocol способны обеспечить требуемую синхронизацию.

Вернемся к SyncE. Технология ОАВ дает значительные преимущества при использовании линейной топологии Ethernet. На рис. 2 показана топология SyncE с распределением опорного тактового сигнала по нескольким узлам Ethernet.

Топология SyncE с распределением опорного тактового сигнала по нескольким узлам Ethernet

Рис. 2. Топология SyncE с распределением опорного тактового сигнала по нескольким узлам Ethernet

Технология SyncE работает следующим образом: для каждого приемопередатчика физического уровня (PHY) Ethernet необходим источник тактового сигнала, как правило, 25 МГц. Этот тактовый сигнал используется Ethernet PHY первого узла для передачи кадров Ethernet следующему узлу Ethernet. Второй Ethernet PHY на принимающем узле будет синхронизироваться с получаемым кадром и восстанавливать исходный тактовый сигнал передатчика 25 МГц.

Некоторые промышленные PHY Ethernet, например, DP83869 от Texas Instruments (TI), могут транслировать восстановленный тактовый сигнал 25 МГц на внешний вывод. Сигнал 25 МГц подается на ФАПЧ со встроенным подавителем джиттера. На его выходе формируется очищенный от джиттера восстановленный тактовый сигнал 25 МГц. Этот восстановленный тактовый сигнал используется вторым Ethernet PHY при передаче кадра следующем узлу Ethernet. Таким образом, в случае с линейной топологией SyncE опорный тактовый сигнал восстанавливается на каждом узле SyncE.

ФАПЧ с подавителем джиттера

ФАПЧ с подавителем джиттера играет важную роль в архитектуре SyncE. Он должен очищать принимаемый сигнал от фазового джиттера, вносимого передатчиком и приемником Ethernet. ОАВ-резонатор, интегрированный в ФАПЧ минимизирует джиттер, распространяющийся по узлам Ethernet.

Технология ОАВ-резонаторов

ОАВ-резонатор – это тонкопленочный резонатор, похожий на традиционный кристалл кварца. Как показано на рис. 3, пьезоэлектрическая пленка расположена между двумя слоями металлизации и несколькими другими слоями для ограничения механических колебаний. Эта структура улавливает акустическую энергию, создавая резонатор с очень низкими потерями и высокой добротностью. Исторически ОАВ-резонаторы использовались в ВЧ-фильтрах беспроводных трансиверов мобильных устройств.

Пьезоэлектрический резонатор на объемных акустических волнах (ОАВ или BAW) – это тонкопленочный резонатор, похожий на традиционный кварцевый кристалл

Рис. 3. Пьезоэлектрический резонатор на объемных акустических волнах (ОАВ или BAW) – это тонкопленочный резонатор, похожий на традиционный кварцевый кристалл

Технология ОАВ позволяет создавать управляемые напряжением ОАВ-генераторы, способные формировать тактовые сигналы со сверхнизким уровнем шума.

Использование ОАВ-резонатора, как описано выше, обеспечивает для SyncE следующие преимущества:

  • Высокую добротность (примерно 1000 при 2,5 ГГц), которая гарантирует минимальный джиттер;
  • Высокую резонансную частоту (от 2 до 3 ГГц), которая может быть поделена для получения нескольких тактовых сигналов. Например, из сигнала ОАВ-резонатора 2,5 ГГц можно получить сигналы 156,25 МГц, 125 МГц и 100 МГц;
  • Великолепные показатели среднеквадратичного джиттера, которые не зависят от влияния внешних источников. Например, можно легко обеспечить джиттер менее 60 фс RMS (12 кГц-20 МГц) при 156,25 МГц или джиттер менее 30 фс RMS (12 кГц-20 МГц) при 1,25 ГГц;
  • Отсутствие каких-либо бросков при переключении между локальным тактовым сигналом 25 МГц и восстановленным сигналом Ethernet PHY;
  • Невосприимчивость к механическим ударам, возникающим при эксплуатации кобота.

Очищенные от джиттера тактовые импульсы 25 МГц, генерируемые специализированными ФАПЧ, например, LMK05318 от Texas Instruments, также используются Ethernet MAC и микропроцессором для минимизации джиттера при синхронизации между PHY Ethernet и MAC. Кроме того, процессор использует восстановленный тактовый сигнал для формирования ШИМ-сигналов управления для драйвера двигателя, для формирования частоты выборки при измерении тока, а также для считывания показаний датчиков положения двигателя. Когда все узлы Ethernet синхронизированы между собой, контроллер движения кобота синхронизирует генерацию ШИМ-сигналов для двигателей.

Заключение

SyncE позволяет решить проблему синхронизации узлов Ethernet. ФАПЧ с подавителем джиттера играют важную роль при распределении тактового сигнала по узлам Ethernet. ОАВ-резонаторы, интегрированные в ФАПЧ, позволяют минимизировать джиттер при передаче восстановленных тактовых сигналов между узлами Ethernet.

Восстановленные тактовые сигналы, очищенные от джиттера, используются процессором и Ethernet MAC и помогают синхронизировать устройства с помощью различных протоколов, например, PTP IEEE 1588. Прецизионная синхронизация позволяет коботам работать быстро и точно, а значит эффективно выполнять производственные задачи.

Микросхема LMK05318 от TI представляет собой ФАПЧ с подавителем джиттера. В этой микросхеме для подавления джиттера используется ОАВ-резонатор. Микросхема PHY Ethernet, например, DP83869 от TI, позволяет транслировать восстановленный сигнал на внешний вывод. Системы SyncE, использующие такие компоненты, обеспечивают распределение опорных тактовых сигналов с низким уровнем джиттера по всем узлам Ethernet.

Источникhttps://www.electronicdesign.com

Производитель: Honeywell Sensing & Control
Наименование
Производитель
Описание Корпус/
Изображение
Цена, руб. Наличие
HEL-705-U-1-12-00
HEL-705-U-1-12-00
Honeywell Sensing & Control
Арт.: 42953 ИНФО PDF
Поиск
предложений
Platinum RTD Temperature Sensor; Temperature Sensing Max:260; Temperature Sensing Min:-200; Thermistor Type:Platinum RTD; Supply Current Max:2mA; Package/Case:Ceramic Leadwire; Accuracy:/- 2.0 % ( -75 C to 540 C ) % RH
HEL-705-U-1-12-00
-
Поиск
предложений
700-101BAA-B00
700-101BAA-B00
Honeywell Sensing & Control
Арт.: 195211 ИНФО PDF
Поиск
предложений
Датчик температуры RTD Платиновый: -70...500 °C, +/-0.06 °C, 100 Ом Корпус 2.1 x 2.3 x 0.9 мм
700-101BAA-B00
-
Поиск
предложений
Производитель: Analog Devices Inc.
Наименование
Производитель
Описание Корпус/
Изображение
Цена, руб. Наличие
AD590KF
AD590KF
Analog Devices Inc.
Арт.: 171783 ИНФО PDF AN
Поиск
предложений
TEMPERATURE TRANSDUCER, 590; Sensor / Transducer Type:Temperature; Current, Output:298.2чA; Accuracy:2.5; Voltage, Supply Min:4V; Voltage, Supply Max:30V; Termination Type:SMD; Case Style:Flatpack; Pins, No.…
AD590KF
-
Поиск
предложений
AD7814ARMZ
AD7814ARMZ
Analog Devices Inc.
Арт.: 278059 ИНФО PDF
Поиск
предложений
Temperature Sensor IC; Output Voltage:2.4V; Accuracy:2; Supply Voltage Min:2.7V; Supply Voltage Max:5.5V; Termination Type:SMD; Package/Case:8-MSOP; No. of Pins:8; Operating Temp. Max:125; Operating Temp. Min:-55
AD7814ARMZ
-
Поиск
предложений
Производитель: Texas Instruments
Наименование
Производитель
Описание Корпус/
Изображение
Цена, руб. Наличие
LM19CIZ/NOPB
LM19CIZ/NOPB
Texas Instruments
Арт.: 211699 ИНФО PDF AN
Поиск
предложений
TEMP SENSOR, 5.5V; Sensor / Transducer Type:Temperature; Voltage, Output:1.864V; Current, Output:10mA; Accuracy:2.5; Voltage, Output per :-11.77mV/; Voltage, Supply Min:2.4V; Voltage, Supply Max:5.5V; Termination Type:Through Hole; Case Style:TO-92; Pins, No.…
LM19CIZ/NOPB
-
Поиск
предложений
TMP75AIDGKR
TMP75AIDGKR
Texas Instruments
Арт.: 419320 PDF AN RD
Поиск
предложений
Temperature Sensor with I2C/SMBus Interface in Industry Standard LM75 Form Factor & Pinout 8-VSSOP -40 to 125
TMP75AIDGKR
-
Поиск
предложений
Производитель: Maxim Integrated
Наименование
Производитель
Описание Корпус/
Изображение
Цена, руб. Наличие
DS18B20+
DS18B20+
Maxim Integrated
Арт.: 236583 ИНФО PDF AN
Поиск
предложений
1-проводной цифровой термометр с программируемым разрешением в 3-выводном корпусе TO-92. Напряжение питания мин. 3 В, макс. 5.5 В. Измерение температур от -55°C до 125°C.
DS18B20+
-
Поиск
предложений
DS1621S+T&R
DS1621S+T&R
Maxim Integrated
Арт.: 247993 ИНФО PDF AN
Поиск
предложений
Температурный датчик для монтажа на плате Digital Thermometer & Thermostat; тип интерфейса: 2-Wire, I2C, SMBus; разрешение: 12 bit; напряжение питания: 2.7-5.5 V. Напряжение питания - мин.: 2.7 V
DS1621S+T&R
-
Поиск
предложений
Производитель: NXP SEMICONDUCTORS
Наименование
Производитель
Описание Корпус/
Изображение
Цена, руб. Наличие
KTY81/210.112
KTY81/210.112
NXP SEMICONDUCTORS
Арт.: 287963 PDF
Доступно: 6005 шт. 62,50
KTY81/210.112 62,50 от 70 шт. 57,00 от 145 шт. 55,00 от 304 шт. 52,00 от 800 шт. 49,60
5589 шт.
(на складе)
416 шт.
(под заказ)
Производитель: Heraeus Sensor Gmbh
Наименование
Производитель
Описание Корпус/
Изображение
Цена, руб. Наличие
32208571
32208571
Heraeus Sensor Gmbh
Арт.: 295409
Доступно: 1772 шт. 153,00
32208571 153,00 от 29 шт. 139,00 от 60 шт. 134,00 от 125 шт. 127,00 от 328 шт. 121,00
82 шт.
(на складе)
1690 шт.
(под заказ)
Производитель: STMicroelectronics
Наименование
Производитель
Описание Корпус/
Изображение
Цена, руб. Наличие
STLM75M2F
STLM75M2F
STMicroelectronics
Арт.: 320994 PDF AN
Доступно: 5186 шт. 27,30
TEMPERATURE SENSOR, 0.5DEG C, SOIC-8
STLM75M2F 27,30 от 160 шт. 24,80 от 333 шт. 23,90 от 698 шт. 22,70 от 1836 шт. 21,60
2060 шт.
(на складе)
3126 шт.
(под заказ)
Производитель: Microchip Technology Inc.
Наименование
Производитель
Описание Корпус/
Изображение
Цена, руб. Наличие
MCP9700A-E/TO
MCP9700A-E/TO
Microchip Technology Inc.
Арт.: 353444 ИНФО PDF AN RD DT
Поиск
предложений
THERMISTOR, LINEAR 0.01V/C, TO-92-3
MCP9700A-E/TO
-
Поиск
предложений
Производитель: OMRON-IA
Наименование
Производитель
Описание Корпус/
Изображение
Цена, руб. Наличие
SS5GL2D
SS5GL2D
OMRON-IA
Арт.: 537383 ИНФО PDF
Доступно: 1061 шт. от 1 шт. от 199,82
Выбрать
условия
поставки
MICROSWITCH, V4, PCB, ROLLER LEVER
SS5GL2D от 1 шт. от 199,82
1061 шт.
(под заказ)
Выбрать
условия
поставки
Производитель: AUTONICS
Наименование
Производитель
Описание Корпус/
Изображение
Цена, руб. Наличие
E40H8-3600-3-N-5
E40H8-3600-3-N-5
AUTONICS
Арт.: 558814 ИНФО PDF
Доступно: 16 шт. 12740,00
Инкрементальный энкодер с диаметром корпуса 40 мм, с полой осью диам. 8 мм, 3600 имп./об., 5VDC.
E40H8-3600-3-N-5 12740,00 от 3 шт. 11770,00 от 5 шт. 11520,00
16 шт.
(на складе)
ENC-1-1-V-24
ENC-1-1-V-24
AUTONICS
Арт.: 570272 ИНФО PDF
Доступно: 6 шт. 8370,00
энкодер, инкрементальный, колёсного типа, 0 импульсов за оборот, фаза A, B, выход по напряжению, источник питания 24 В, кабель 2 м.
ENC-1-1-V-24 8370,00 от 2 шт. 8370,00 от 3 шт. 8370,00 от 5 шт. 8370,00
6 шт.
(на складе)
Производитель: NV Melexis SA
Наименование
Производитель
Описание Корпус/
Изображение
Цена, руб. Наличие
MLX90614ESF-BAA-000-TU
MLX90614ESF-BAA-000-TU
NV Melexis SA
Арт.: 1125399 PDF DT
Доступно: 124 шт. 1100,00
MLX90614ESF-BAA-000-TU 1100,00 от 4 шт. 1000,00 от 9 шт. 965,00 от 18 шт. 919,00 от 55 шт. 873,00
124 шт.
(на складе)
Производитель: Te Connectivity
Наименование
Производитель
Описание Корпус/
Изображение
Цена, руб. Наличие
G-NIMO-005
G-NIMO-005
Te Connectivity
Арт.: 2261380 PDF
Доступно: 682 шт. 190,00
Digital Temperature Sensors, TSYS02S;Width: 0.098in;Output/Span Resolution: 16bit;Wire/Cladding/Connection: SMD;Length: 0.098in;Supply Current (Max): 18µA…
G-NIMO-005 190,00 от 23 шт. 173,00 от 48 шт. 167,00 от 100 шт. 159,00 от 264 шт. 151,00
100 шт.
(на складе)
582 шт.
(под заказ)

Сравнение позиций

  • ()