本文將探索 Sitara 微控制器 (MCU) 與處理器 (MPU) 如何應對工業 4.0 與智慧工廠系統的伺服驅動器市場趨勢及新要求。
在伺服馬達驅動應用中,馬達控制通常可分為幾個控制迴路層:電流/扭力迴路、速度迴路、位置迴路及更高階的動作控制迴路。這些迴路通常以串接方式配置,每個都有自己的「即時」處理需求。電流或扭力迴路是最嚴格的控制迴路。每個上游迴路在該迴路前會有多個迴路運作,並提供輸入參考至下游迴路。圖 1 說明典型的串接控制拓撲。
圖 1 中的區塊可幫助在異質處理器中或處理器與微控制器間的核心邏輯分割。在多核心 MPU 或 MCU 的不同核心中配置各種迴路,可增加各迴路專屬的處理頻寬。當 MPU 或 MCU 核心收到控制迴路輸入資料,將可執行演算法盡快完成,為下游迴路提供參考值,接著繼續提供其他服務,直到下一組輸入資料準備好。
原始性能較高的 MPU 與 MCU 可以較快速度完成控制處理,並有更多頻寬可提供更多服務與功能。當 32-kHz 控制迴路的週期時間接近 31.25 μs,或必須幾乎同時處理多軸輸入時,快速處理就顯得尤其重要。
有幾種選項可滿足伺服控制嚴格的即時處理要求,包含數位訊號處理器 (DSP)、FPGA 與標準 Arm® 處理核心。選擇適合的處理核心並不容易,因為需在靈活性與控制演算法最佳化間取得平衡。控制演算法最佳化在過去是首要考量,因此 DSP、應用特定積體電路 (ASIC) 和 FPGA 是明顯的選擇。
現在,將工業 4.0 服務加入伺服驅動器的需求促進了標準 Arm Cortex®-A 與 Cortex-R 核心的使用。Cortex-A 核心可實現非常高的頻寬,適合快速處理但缺乏 Cortex-R 的即時元件,因此 Cortex-R 會比 Cortex-A 更適合即時控制應用,例如伺服控制。但對其他許多服務而言,Cortex-A 則遠比 Cortex-R 適合,例如動作控制、預測性維護或 Linux 網路服務。幸好像 Sitara AM64x MPU 和 AM243x MCU 等多核心裝置納入上述所有處理元件,只要單一晶片即可實現所有必要元素。
工業 4.0 為工廠帶來許多嶄新且令人興奮的事物,但多重通訊協定工業乙太網路的快速使用,是工業伺服驅動器領域最明顯的趨勢之一。市場上有十多種適合乙太網路、現場匯流排與位置編碼器的不同通訊協定,每種都有其優缺點。EtherCAT®、PROFINET® 與 EtherNet/IP 是伺服驅動器市場中最受歡迎的乙太網路通訊協定,Hiperface® Digital Servo Link (DSL)、EnDat 2.2 和序列/同步 C (BiSS C) 雙向介面則是較常見的位置編碼器協定。
許多通訊協定都有 ASIC,您可加在主機處理器上支援特定通訊協定。在部分情況下,若為多晶片解決方案,通訊協定堆疊會在主機處理器上運作,ASIC 則會執行媒體存取控制層。只計畫支援單一通訊協定的製造商偏好使用這種分散式架構,因為 ASIC 通常適合該特定通訊標準。當支援多個通訊協定的需求增加,多晶片解決方案就會因許多原因而失去吸引力。每種新通訊協定都需要您熟悉新裝置 (進而增加開發心力與成本),製造商也必須針對各種通訊協定維護數種電路板版本。
Sitara MPU 與 MCU 等解決方案提供對主機處理器的整合式多通訊協定支援,可幫助節省成本、電路板空間和開發心力,同時降低外部元件與主機間通訊相關延遲。Sitara AM64x 處理器和 AM243x MCU 系列中的裝置提供預先整合的堆疊,並可支援 EtherCAT、Profinet RT/IRT、乙太網路/IP 等。支援多重標準的單一平台可讓您在不同版本終端產品中維持使用單一電路板。
若您的產品需能符合未來需求,您也必須考量支援時效性網路 (TSN) 的需要。為工業通訊所選的平台必須靈活,能夠適應不斷變換的 TSN 標準,否則將會面臨最終標準訂定後成為過時產品的風險。Sitara AM6x MPU 與 AM243x MCU 系列透過靈活的可編程即時單位工業通訊子系統 (PRU-ICSS) 提供解決方案,可實現 GB TSN 與傳統 100-Mb 通訊協定,例如 EtherCAT。