Konventionelle industrirobotstyringer bruger typisk FPGA’er til motorstyring, højtydende CPU’er til behandling af applikationerne samt ASSP’er til det industrielle Ethernet. Alle kræver egne forsyninger, clocks og memories og dermed en lang række komponenter, som gør designet besværligt og dyrt. Men det er faktisk muligt at udføre motorstyring af op til ni akser med højtydende applikationsbehandling og multiprotokol industrielt Ethernet som en single-chip løsning. Den følgende artikel fortæller hvordan
Artiklen har været bragt i Aktuel Elektronik nr. 6 – 2025 og kan læses herunder uden illustrationer
(læs originaludgaven her)
Af Koichi Sugata, principal engineer of Embedded Processing, Renesas Electronics
Med det øgede behov for automation og lavere mandskabsomkostninger i fabrikkerne øges også behovet for industrielle robotter – ikke mindst de lodrette leddelte typer. For at bygge disse robotter har ingeniørerne brug for en høj real-time ydelse til styring af multi-akse motorer, motorstyringsfunktioner til flere akser, højtydende applikationsbehandling til beregning af robotarmens bevægelse og middleware som ROS (robot-operativsystemet) samt support af kommunikationen til et industrielt Ethernet for at forbinde robotten til et fabriksnetværk.
Konventionelle industrirobotstyringer bruger FPGA’er til motorstyring, CPU’er til applikationsbehandlingen samt ASSP’er til det industrielle Ethernet. Hver af disse komponenter kræver sin egen strømforsyning, clock og memory, hvilket kan give et meget komplekst og dyrt design/layout, og som i øvrigt også fordrer omfattende mængder af design og evaluering af de funktioner, som er implementeret i FPGA’en.
Single-chip opfylder alle krav til styring af op til ni akser
For at styre de servomotorer, der bruges i industrielle robotter, er det nødvendigt at udføre strøm-loop beregninger inden for de specifikke bevægelser, der kræver kontrol med den strøm, som løber i motoren med positionsinformation, som kan definere output med robottens tre-fasede PWM-timer. Da industrielle robotter udfører denne type af strøm-loop beregninger for hver akse i robotten, er en høj grad af højpræcis real-time ydelse nødvendig. Konventionelle industrirobotter bruger ofte FPGA’er til multiaksestyring eller brug af multiple CPU’er til formålet. Dertil kommer behovet for en CPU, der egner sig til real-time behandling for industriel Ethernet-kommunikation til en præcis indbyrdes styring af bevægelser for flere apparater i proceskæden.
RZ/T2H MPU’en fra Renesas har to real-time Arm Cortex-R52 CPU’er, og hver CPU har en 1GHz-arbejdsfrekvens med en ressourcestærk tilhørende memory (576KB), som eliminerer de tidsmæssige eksekveringsudsving, som en cache memory som regel giver. På den måde får man en deterministisk high-speed respons. Desuden er den trigonometriske funktionsenhed (TFU) og periferien i motorstyringer placeret på en low-latency periferiport-bus (LLPP-bus) direkte forbundet til CPU’en, så man opnår en high-speed access fra CPU’en og dermed high-speed strøm-loop beregninger. Med brug af Renesas’ sample-program kan det dokumenteres, at én CR52 CPU kan eksekvere strøm-loop beregninger for ni akser på mindre end 8us, og en carrier-frekvens på 100kHz (=10us) er mulig med RZ/T2H. Designere kan derfor udføre motorstyring af ni akser med én CR52 CPU i RZ/T2H-kredsen med samtidig support af industrielt Ethernet med en CR52 CPU-kerne.
En multiakse motorstyring kræver en PWM-timer, der supporterer et komplementært trefaset output med en delta-sigma demodulator til måling af den strøm, der løber gennem motoren samt et encoder-interface til positionsinformation, hvilket skal indføres for alle de ønskede akser i robotten. Desuden kræver motorstyringernes PWM-timere en synkronisering af det indbyrdes samarbejde mellem akserne, og encoderen bruger producentafhængige protokoller (som A-format, EnDat, og BiSS). For at opnå de ønskede funktioner for et givent antal akser og synkronisering mellem PWM-timere og multiprotokol-encodere har FPGA’er som regel været det primære valg til denne type af applikation.
RZ/T2H-MPU’en er udstyret med PWM-timere, delta/sigma-modulatorer og de ovennævnte encoder-interfaces, der understøtter alle ni akser. PWM-timerne til de ni akser kan arbejde synkront, og flere encoder-interface supporterer også multiple protokoller. Ved at bruge RZ/T2H med sin real-time ydelse og et væld af periferi til motorstyring kan man derfor reducere antallet af komponenter – og printets størrelse – til en robotstyring ganske betydeligt, ligesom mandskabstimerne til implementering af funktioner i en FPGA – som ikke længere er nødvendig – bliver markant reduceret.
Highspeed-behandling med integreret applikations-CPU
Controllere til industrielle robotter skal både kunne styre multiple akser og håndtere high-speed applikationsberegninger. For at beregne robottens/armens bane præcist og med en glidende bevægelse kræver man beregning af kommandoværdierne for styring af hver enkelt akse, hvortil en højtydende CPU med DDR-memory er nødvendig med eksekvering af (som oftest) open-source software på en Linux-platform. Det kunne være en ROS som middleware for robotstyringen og ORiN til konnektering til apparater fra producenter og/eller andre versioner i en processtyringskonfiguration.
RZ/T2H er udstyret med en quad-core Cortex-A55 1,2GHz-processor til applikationsberegning. Den har 32KB/32KB L1-I/D-cache pr. kerne og 1024KB L3-cache implementeret som en fælles cache. MPU’er er udstyret med en DDR IF, der supporterer LPDDR4-3200 32-bit og SD/eMMC til lagring af store programmer og eksekvering af Linux-applikationer. Desuden kan kredsen bruge en kombination af Linux, RTOS, og bare-metal på de fire kerner med support af cache-partitionering, der allokerer de nødvendige arealer i den fælles L3-cache til hver enkelt kerne.
Tabellen viser resultatet af at køre Unixbench på Linux med brug af RZ/T2H og en mikroprocessor fra en anden producent (med fire applikations-CPU’er). Resultatet viser, at RZ/T2H-opnår højere scorer på mellem 35 og 75 procent i hver enkelt kategori. Det er muligt at øge hastigheden for opdateringscyklus for kommandoværdierne i hver akseretning og dermed planlægge mere komplekse baner/bevægelsesalgoritmer med RZ/T2H, så man kan opnå mere præcise bevægelser for robotten.
Multiple Ethernet-kommunikationsløsninger med multiple protokoller
I fabrikker, der anvender industrielle robotter, vil udstyr fra flere forskellige producenter som regel være forbundet til et netværk via industrielle Ethernet-protokoller som EtherCAT, Profinet og EtherNet/IP, der er kendetegnet ved real-time kommunikation for at øge synkroniseringspræcisionen mellem de enkelte apparater. Denne præcision har en betydelig indvirkning på effektiviteten i produktionen, da synkroniseringen bruges til de simultane indbyrdes operationer, som multiple robotter udfører, og derfor skal ventetider holdes på et absolut minimum. I konventionelle industrirobotter har man typisk anvendt dedikerede ASSP’er til support af disse multiple industri Ethernet-protokoller. Ud over det industrielle Ethernet er der også behov for en generel Ethernet-kommunikation, der er uafhængig af det industrielle Ethernet til kommunikation med pc’er og styringssystemer højere oppe i hierarkiet til monitering af processerne og til opgraderinger af softwareversionerne samt til konnektering af eksterne HMI’er (Human Machine Interfaces).
RZ/T2H er udstyret med fire eksterne Ethernet-porte, tre Gigabit Ethernet MACs (GMACs), en Gigabit Ethernet-switch (ETHSW) samt en EtherCAT slave-controller (ESC) og er i øvrigt kompatibel med alle større industrielle Ethernet-kommunikationsprotokoller som EtherCAT, Profinet RT/IRT, Ethernet/IP og OPC UA – foruden den næste generation af TSN (Time Sensitive Networking) standarden.
Multiple Ethernet-implementeringer er mulige gennem assigning af GMAC, ETHSW og ESC til de fire eksterne Ethernet-porte. For eksempel kan to porte bruges til industrielt Ethernet, mens de resterende to porte kan bruges til generel Ethernet-kommunikation. Hvis et industrielt Ethernet ikke er nødvendigt, kan op til tre porte bruges til generelt Ethernet, så brugerne fleksibelt kan implementere netværksfunktioner. Desuden er der netværkssynkroniseringssignaler for ETHSW – som TDMA og DC-delen (Distribute Clock) af ESC – forbundet til Event Link Controlleren (ELC) i RZ/T2H, hvormed det er muligt at styre periferifunktioner med meget lav latency og at synkronisere operationerne med forskellige apparater forbundet til netværket. Det sikrer en højpræcis synkronisering gennem en sammenkædet operation af alle komponenterne i netværket, og det forbedrer i sagens natur produktiviteten.
Renesas kan med andre ord levere en løsning, hvor designere kan opnå en ni-akset motorstyring med brug af RZ/T2H. Sample-programmer til en ni-akset motorstyring kan downloades gratis fra Renesas’ website. Man kan desuden købe et RZ/T2H evaluerings-board og et inverter-board til styring af motorer i ni akseretninger i Renesas’ online-shop. Hvis man vil vide mere om MPU og det tilhørende økosystem, så skal man klikke sig ind på RZ/T2H-produktsiden.
Billedtekster:
1: Reduktion af komponenterne i en industrirobot med Renesas’ RZ/T2H MPU.
2: Hardwarekonfiguration med high-speed styring af ni-aksede motorstyringer.
3: Tabel: Unixbench-resultater.
4: Hardwarekonfiguration til support af flersidig Ethernet-kommunikation via multiple protokoller.
