こんにちは 産業用ロボット・システムの 絶縁についてのトレーニングへ ようこそ TI産業用システム・グループの システム・エンジニアの Tobias Puetzです 本日のトレーニングの 内容です はじめに 絶縁技術における 絶縁の基本について説明します 次のセクションでは 現在使用されている さまざまなタイプのロボットを紹介します 最後のセクションでは産業用 ロボット・システムの絶縁について 説明します 絶縁の基本と 絶縁技術 絶縁とは何でしょうか ここでは詳細は 説明しませんが 一般に絶縁は 電位の異なる 2つの電気システム間で データや電力を 伝送することを 意味します 絶縁することで 2つのシステム間で 制御されていない 過渡電流が流れる ことを防ぎます なぜ絶縁が必要なのでしょうか 機器や人体に有害な影響を もたらす可能性のある 高電圧から保護するため または 高電圧に安全に対処するためです また 複数のグランド間での大きな電位差を 許容したり 大きなエネルギーを 使用する回路間や 長距離にわたって 隔てられている回路間で 分離型グランド・ループを 許容するためにも必要です また 絶縁は 産業用ロボットで 使用されている 高電圧モーター・ドライブ・システムで 高電圧側コンポーネントとの通信を 信頼性の高い方法で 実施するために必要です 次に その他の基本事項です 絶縁と絶縁体 これら2つの用語は しばしば混同されます 絶縁は電圧 レベルの異なる システム同士の 分離を意味します 一方 絶縁体は使用する 物質と その物質の厚さ を意味します 絶縁には 機能絶縁 基礎絶縁 付加絶縁 二重絶縁 強化絶縁など さまざまな種類があります 機能絶縁は 2つのシステム間の 一般的な絶縁のことです 基礎絶縁は感電 からの保護です 基礎絶縁にさらに絶縁を 追加したものが 二重絶縁です 強化絶縁は 単一のシステムですが 定格が二重絶縁と 同等のものです 付加絶縁に 該当する例としては トランスの コーティングがあります 絶縁にはさまざまな 規格や基準があります たとえば 光学や磁気コンデンサに 関するものです 絶縁ではさまざまな 技術が使用されています 最も一般的な3つは 光絶縁 容量性絶縁 誘導性絶縁です 光絶縁は次のように 機能します LEDにバイアス 電圧をかけると 光が放射され バリアを超えて 光が検出されます つまり 信号が 電流から分離されます 容量性絶縁ではコンデンサの 物理的な電極による 分離が使用され これにRC積分器 コンパレータ フリップ・フロップなどの 異なる段のある 回路を組み合わせて 信号情報を 抽出します 誘導性絶縁では左右に 並べた2つのコイルを 使用します 一方のコイルに AC電圧をかけると 微弱な電界が 磁界を発生させます さらにこの磁界が 電界を誘導し もう一方のコイルに 電流が生じます いずれの技術にも さまざまな利点と 欠点があります 光絶縁の利点は 電界と 磁界に対する 耐性があることです ただし LEDは寿命に 達すると劣化します 容量性絶縁はスペースの 最適化に有効です ただし 回路を追加する 必要があります この回路は他の 絶縁技術に比べ 複雑です また 誘導性絶縁は 効率が非常に優れています ただし 磁界の影響を 受けやすいという欠点があります TIでは容量性 絶縁を使用して 優れた性能を 実現しています TIの強化絶縁型アイソレータは 独自のアーキテクチャを使用しており 2つのコンデンサが直列に並んでいます これにより 27マイクロメートルの 結合絶縁を実現しています 使用している材料は 二酸化ケイ素です ブレークダウン電圧は 1マイクロメートル当たり 500V～800Vです TIデバイスの高電圧定格は 5.7kVrmsで 動作電圧の定格は 40年強を通じ 1.5kVrmsです そのため 消費 電流が少なく 信号は 2～3ナノ秒以内で 高速伝送されます ロボットの種類について説明します ロボットをタイプ別に 分類すると 最初に挙げられるのが 左側の産業用ロボットです 産業用ロボットには 多軸ロボット SCARA型ロボット 直交ロボット デルタ・ロボット 協力ロボット 制御ロボットがあります どの産業用ロボットにも 制御キャビネットが必要です 通常 制御キャビネットは ロボットの下や ロボットの脇などシステム内の どこかに配置されます 次は 物流用 ロボットです 物流用ロボットには シャトル・ロボット AGV シェルフ・ロボットがあります これらのロボットは医薬品の ピッキング作業などに使用されます 通常 物流用ロボットは 倉庫内で使用されます これらのロボットは物を 運ぶために使用されるため 位置情報とマッピング用の センサが必要です また 周囲の人を検知したり 物に衝突するのを 回避したりするために 環境センシング用の センサも必要です 最後は サービス・ ロボットです サービス・ロボットは 芝刈り機 掃除機 プール・クリーナーなどです このトレーニングでは産業用 ロボット・システムに焦点を当てます つまり 左側に示した さまざまなロボットです 通常 産業用ロボットは 位置が固定されていて 反復作業を迅速かつ 非常に正確に実行するように 設計されています 産業用ロボットの 下位分類の1つに 協力ロボットがあります これらのロボットの 重要性は次第に 高まってきています 人間と やり取りを行い ロボットと人間の協業を 実現します これらのロボットには 多数のセンサがあり 万一ロボットが 物に衝突した場合 再度オンにするまで 自動的に 動作が停止します 産業用ロボット・ システムの絶縁 代表的な産業用 ロボット・システムを 右上に示しています この写真は工場で使用される 代表的なロボットです このロボットにはロボット・アームがあります ただし いくつか欠けている ものがあります このブロック図は産業用ロボット・ システムの主要部品を 示していますが 非常に簡略化されています まず 中央にロボット・ コントローラがあります ロボット・コントローラはロボットの メイン・コンピューティング・ユニットの ようなものです これは軸ドライブに 接続されていて 軸ドライブはインバータを 制御します インバータはモーターに接続されています また ロボット・コントローラに HMIが接続されている場合もあります ロボット・アームのモーターに 電力を供給するため 整流器があり さらにインバータがあります さらに PLCのようにロボット・コントローラが 上部制御層に接続されています これはロボットだけで 構成された 製造システムではなく CNCなどの 機械を 考慮した完全な 製造システムです また システム全体の 稼動状態を制御する 上部制御層も 必要です このシステムで絶縁が必要に なるのはどの部分でしょうか それを説明するのが このトレーニングの目的です 産業用ロボットと 内部にあるシステムを 詳しく調べると ロボット制御 モーター・ドライブ 電源セクションに 分けることができます ロボット制御は 通信モジュールで イーサネット通信や RS-485などを使用します ロボット制御にはCPUボードがあり これはメイン・コンピューティング・ユニットに 相当します アナログとデジタルまたは他の 信号のI/Oモジュールがあります センシング・モジュールが あります これは たとえばカメラへの インターフェイスです また HMIがあります これは右の写真にも 示されています HMIを使用すると人間が ロボットを直接制御できます モーター・ドライブには 軸用の制御モジュールも あります 出力段があります たとえばインバータです また 位置フィードバック もあります これはエンコーダ またはリゾルバです さらに 電源については メイン電源があり 産業用AC/DCや バッテリ・パックもあります バッテリ・パックが 必要になるのは たとえば ロボットのメイン 電源電圧が失われて ロボット・アームの 最終位置を 保存するのに電気が 必要な場合です これに関連してバッテリ・ パック・チャージャも必要です ロボットで非常に重要な 部品はCPUボードです CPUボードにはさまざまな 種類があります 左側の写真に 示した例は ドーター・カード・スロット のあるCPUボードです これらのボードの一般的なインターフェイスは PCI Expressです CPUボードは中央に示した デジタル処理装置で 構成されています 処理装置は 1つだけでなく複数になる 場合もあります 特に安全上の理由から これらの処理装置は 相互チェックを行っています また メモリ 自己診断装置 ワイヤレス・インターフェイス クロック 出力用 ユーザー・インターフェイスのほか ESD保護などのシンプルな 信号入出力 保護も必要です 端子はCPUボード 自体にあります これはHMIへの 端子や 上部PLC制御層への 端子ですが CANやRS-485などの端子が ある場合もあります もう1つのCPUボードの 例はコネクタのある CPUボードで これはキャリア・ボード またはマザーボードに 接続されます このキャリア・ボードには ボード相互接続 コネクタにより 他のモジュールも 接続されます 左下に示した モジュールがその例です 先ほど説明した CPUボードと比較すると このCPUボードの基本 コンポーネントは変わりませんが アーキテクチャは やや異なります ただし 監視 メモリ デジタル処理 クロック 有線 インターフェイス 入出力保護 などのブロックは 同じです CPUボード自体に絶縁が 直接設置されることは それほど多くありません ただし RS-485などの インターフェイス・ コネクタが すでにボード上にある場合は 何らかの絶縁が必要になる 可能性があります これについては 通信モジュールのセクションで さらに説明します 通信モジュールでは RS-485や RS-422 CAN イーサネットなどが使用されます RS-485とCANはリゾルバ エンコーダ トルク・センサなどの インターフェイス・モジュール でも使用されます 通常これらのモジュールは ロボット・アーム内または モーターの すぐ近くにあります RS-485やRS-422を よく使用しますが サーボ・ドライブが ある場合は そのインターフェイスとして イーサネットも使用されます 一部のシステムでは CANやRS-232を使用します ただし これらのインターフェイスが 使用される機会は減っています RS-485とイーサネットは 先ほど触れたモーター制御モジュールや サーボ・ドライブのインターフェイス として使用されます 右上の写真は 通信モジュールの例を 示しています 基本ブロックを下に示します ボード相互接続コネクタや PCIインターフェイスがあります 次に有線インターフェイスが あります これは 絶縁型RS-485トランシーバ または 絶縁型CANトランシーバです イーサネット通信では イーサネットPHYを使用しています その次に磁気素子が あります 使用するイーサネット 磁気素子に応じて 絶縁定格が 決まります 信号入力保護 または出力保護では ESDダイオードを使用します さらにコネクタが 先端部にあります RS-485やRS-422は 産業用ロボット・システムで 広く使用されているインターフェイスです ノイズ耐性が 高いためです ロボット・アーム内のIGBT またはFETの 切り替えは 多くのノイズを発生させます そのため RS-485はリゾルバや エンコーダなどの接続に よく使用されます これらはロボット・アーム内の モーターに設置されます その他によく使用される インターフェイスは RS-232 CAN イーサネットです RS-232はRS-485ほど堅牢ではありません そのため あまり頻繁には 使用されません これはCANも同様です イーサネットは複数の ロボットを制御する PLCや他の 制御システムなどの 上部制御層にロボット 制御を接続するのに 使用されます 複数のロボットが稼働する 組み立てラインが その例です こうしたアプリケーションでは 上部制御層が システム全体と ロボットを監視し 制御する必要が あります その他にセンサや 安全バリアなどがあります CANやProfibusまたは より一般的なRS-485について TIは高効率絶縁CANおよび Profibusインターフェイスの TIDA-00012を 提供しています イーサネットについてですが TIはイーサネットPHYの DP83822 PHYを提供しています これは産業用イーサネットがベースです 銅線または光ファイバーの インターフェイスを使用できます 右下の設計は 同じPHYを使用した 2種類の実装です 一方は標準的な 電気ケーブルを使用し もう一方は光ファイバー・ ケーブルを使用しています ロボット・コントローラから ロボット・アーム内の モーターへの接続では 通常 電流センシングまたは 電圧測定が必要です これに最適なのがTIDA-00171です これはモーター・ドライブ用の 絶縁型電流シャント および電圧測定の リファレンス・デザインです これはデータ信号変調器 AMC1305を使用します さらに IGBTの 駆動については TIDA-00195があります これは3相インバータ・システム用の 絶縁型IGBTゲート・ドライバの 評価プラットフォームです TIは広範なロボット・システム向け部品 具体的には インターフェイスを 提供しています ISO1176などの部品は Profibusまたは RS-485で使用できます これらの部品は全二重や さまざまな電圧バージョンでも 使用できます CANについては ISO1050が 5kVrmsの 高絶縁定格を実現します イーサネットについては DP83822があります これは10Mbitおよび 100Mbitに対応し 銅線と光ファイバーで使用されます 高速通信が 必要な場合は DPA83867を使用します これは最大1,000Mbitに対応します 一部のシステムではM-LVDSが トランシーバとして必要です これはカメラ・モジュールへの インターフェイスになります これについて TIは強化絶縁型 アイソレータを提供しています このトレーニングの 最初に説明しましたが その高電圧定格は 5.7kVrmsです 評価向けまたは設計の 迅速化のために TIはTIDA-00330を提供しています これは強化絶縁型M-LVDS トランシーバのリファレンス・デザインです どのロボット・コントローラも 異なるI/Oモジュールを使用します 代表的なI/Oインターフェイスとして アナログ/デジタル 安全型/非安全型 絶縁型/非絶縁型があります これは何を意味するのでしょうか アナログまたはデジタル または計数モジュール などの特別な種類の デジタル・モジュールは センサやモーターからの さまざまな信号を評価したり ロボット・システムの他のペリフェラルを チェックしたりオンとオフを切り替えたり するための モジュールです 安全型や非安全型のモジュール 絶縁型や非絶縁型の モジュールも存在します これらは写真に 示したような ロッキング・モジュール として知られています このブロック図はアナログ I/Oモジュールの 代表的な部品または ブロックです 非常に重要な点は 絶縁が必要な場合 この図のように すでに絶縁された側と 絶縁されていない側の いずれかから電源が供給されることです 絶縁されていない側から 供給される場合 つまり この場合の右側から 供給される場合 絶縁型DC/DC 電源が必要です 信号絶縁については 標準的な4:1の デジタル・アイソレータの SPIインターフェイスがある場合は それを使用できます メイン・デジタル 処理装置 つまり マイコンやNPUは 複数のアナログ入力を 検出できるADCに 絶縁バリアをはさんで 接続されています これらの入力は必要に応じて 事前に多重化または増幅できます アナログ出力については マイコンがSPIを介して DACに接続されています DACでは電圧や電流を出力できます 必要な場合には 電圧-電流変換が可能な 部品も使用します 高い精度が必要な場合 これらのシステムの 内部にリファレンスがある場合があります 複雑な設計の場合には 監視やブロッキング ユーザー・インターフェイス などが必要です メイン・コンピューティング・ ユニットに接続するために 万一の信号接続の 喪失に対処するために 信号信号繰り返し用のASICまたは ARMが必要になる場合があります アナログ入力モジュールについて TIは複数のリファレンス・デザインを提供しています たとえば TIDA-00550は PLCに最適なデュアル構成のチャネル相互間 絶縁型ユニバーサル・アナログ入力 モジュールです このリファレンス・デザインは電圧 電流 温度などの 複数の入力を検出する ためのものです この場合 RTDには 熱電対が使用されています RTDの構成は 2線 3線 4線など さまざまな 種類があります もう1つの入出力コンビネーション・ モジュールはTIDA-00170です これには電流または電圧 センシング用に4つのチャネルがあり キャリブレーション済み 精度は0.1%です 出力は電流と電圧の 2チャネルです 8つのチャネルを使用した リファレンス・デザインとしてはTIDA-0133があります このリファレンス・デザインはTIの 新しいISOW7841を採用しています ISOW7841には トランスとSPIが 単一のチップに内蔵されています この部品の詳細は 後ほど説明します 最後に マルチチャネルの アナログ出力モジュールです これは 単一DACと マルチプレクサを使用して 8つの出力を実現しています ここで示したすべての リファレンス・デザインは絶縁を備えており 迅速な設計開始を可能にします 次に デジタルI/Oモジュールに ついて説明します ここに示したブロック図は代表的な デジタル入出力 モジュールです アナログI/Oモジュールと同様に 単一の絶縁を使用し 絶縁が必要な場合に備えて 絶縁型DC/DC電源があります 特に この場合は通常 大量の入力が発生します このような入力を すべて処理するために 受信信号用 シリアライザを使用するので ここでもデータ 絶縁のために いずれかのSPI 通信を使用します これによって部品数を 大幅に低減できます 他のモジュールをオンまたはオフに 切り替える必要がある場合の 逆シリアル化 についても同様です デジタル入力について TIはTIDA-00017を提供しています このリファレンス・デザインはTIのいずれかの アイソレータと デジタル入力シリアライザの SN65HVS885を備えています 8チャネルの デジタル入力があり ESD EFT およびサージに関する IEC61000への準拠をテスト済みです デジタル出力については TIDA-00183があります このリファレンス・デザインは8チャネル24Vの ハイサイド・スイッチを備えた デジタル出力です そのブロック図を 右下に示します I/Oモジュールについて 特に電源の絶縁について TIは さまざまな電源トポロジーを 採用した各種部品を 提供しています 1つ目は非常に使いやすい プッシュプル・トポロジーです TIはSN6501またはSN6505を提供しています プッシュプルはとても 使いやすいトポロジーです ただし 電圧のレギュレーションが行われない という欠点があります そのため どのような 電圧であっても 2次側に直接 伝送されます さまざまな絶縁型 電源のトレーニングが TIのトレーニング・ポータルに 用意されています その他の使いやすいトポロジーとして Fly-Buckトポロジーがあります LM5017またはLM5160などが 用意されています Fly-Buckは使いやすく レギュレーションされた出力を1次側に 供給します 絶縁型だけではなく 非絶縁型もあります よく知られているのは フライバック・トポロジーです その代表的な製品は LM3481です フライバックでは必要な スイッチが1つであるため BOM点数が少ない という利点があります ただし 2次側からの フィードバックが必要です 先ほど述べたように TIはISOW7841もリリースしています これにはSPIとトランスが 内蔵されています つまり 2つの部品を1つの部品で 代替することができます また ISOW7841の 出力電力は 最大でわずか0.5Wです したがって これはアナログ入力モジュールの オプションになります フロント・エンドについて TIはDAC8775やDAC8760など 複数の高性能D/A コンバータを提供しています アナログ入力では8チャネルで マルチプレクサを 内蔵したADS8688が あります また 高性能版の ADS1248もあります シリアル化について TIは SN65HVS88ファミリを提供しています また ハイサイド・スイッチング向けに ハイサイド・スイッチTPS1H100が あります ISOW7841の詳細に ついて説明します ISOW7841は DC電源を内蔵した デジタル・アイソレータです 0.5Wの出力電力を 高効率で提供できます ライン・レギュレーションは1%で ロード・レギュレーションは約5%です このデジタル・ アイソレータの 速度は 1Mbit/sで 遅延はわずか60ナノ秒です 絶縁定格は 最大5kVrmsで 少なくとも75kV/μsの 電流モード過渡電圧耐性を サポートしています 本日のトレーニングは 以上です 各種資料は ti.com/roboticsで 参照できます また詳細については tij.co.jp/automationと /motordriveをご覧ください ここで紹介したすべての TI Designsリファレンス・デザインはtij.co.jpで入手できます また 回路図 テスト・データ BOMもご用意しています また ロボットに関する ホワイト・ペーパーや ブログも公開 しています 以上で 本日の トレーニングを終わります