이 문서에서는 Sitara 마이크로컨트롤러(MCU)와 프로세서(MPU)가 서보 드라이브 시장 동향과 Industry 4.0 및 스마트 팩토리 시스템의 새로운 요구사항을 어떻게 해결하는지 살펴봅니다.
서보 모터 구동 애플리케이션에서 모터 제어는 일반적으로 전류/토크 루프, 속도 루프, 위치 루프 및 상위 수준의 모션 제어 루프와 같은 여러 제어 루프 계층으로 구분됩니다. 이러한 루프는 일반적으로 "실시간" 처리 요구 사항에 따라 각각 계단식으로 배열됩니다. 전류 또는 토크 루프는 가장 엄격한 제어 루프입니다. 각 업스트림 루프는 사전에 여러 루프에서 실행되며 다운스트림 루프에 입력 참조를 제공합니다. 그림 1은(는) 일반적인 계단식 제어 토폴로지를 보여줍니다.
그림 1의 블록은 이기종 프로세서 내의 코어 또는 프로세서와 마이크로컨트롤러 간의 논리적 분할에 적합합니다. 멀티코어 MPU 또는 MCU의 여러 코어 사이에 다양한 루프를 분산시키면 각 루프 전용의 처리 대역폭이 극대화됩니다. MPU 또는 MCU 코어는 제어 루프 입력 데이터를 수신하면 알고리즘을 가능한 한 빨리 실행 완료하여 다운스트림 루프의 기준 값을 제공하고 다음 입력 데이터 세트가 준비될 때까지 다른 서비스를 계속 제공할 수 있습니다.
원시 성능이 높은 MPU와 MCU는 제어 처리를 더 빨리 마칠 수 있고 더 많은 서비스와 기능을 제공하기 위해 더 많은 대역폭을 사용할 수 있습니다. 빠른 처리는 특히 주기 시간이 32kHz 제어 루프에서 31.25μs에 근접하거나 여러 축으로부터의 입력을 실질적으로 동시에 처리해야 할 때 중요합니다.
디지털 신호 프로세서(DSP), FPGA 및 표준 Arm® 처리 코어를 포함하여 서보 제어의 엄격한 실시간 처리 요구 사항에 대한 몇 가지 옵션이 있습니다. 유연성과 제어 알고리즘 최적화 사이에 균형이 있기 때문에 올바른 처리 코어를 선택하는 것은 어려울 수 있습니다. 과거에는 제어 알고리즘 최적화가 최우선이었기 때문에 DSP, 주문형 반도체(ASIC) 및 FPGA가 분명한 선택이었습니다.
이제 서보 드라이브에 Industry 4.0 서비스를 추가해야 하는 필요성으로 인해 표준 Arm Cortex®-A 및 Cortex-R 코어가 채택되었습니다. Cortex-A 코어는 매우 높은 대역폭을 얻을 수 있어 빠른 처리에 유용하지만 Cortex-R의 실시간 구성요소가 없기 때문에 Cortex-R이 서보 제어와 같은 실시간 제어 애플리케이션에 더 적합합니다. 반면에 Cortex-A는 Cortex-R보다 모션 제어, 예측형 유지보수 또는 Linux 기반 웹 서비스와 같은 다른 많은 서비스에 훨씬 더 적합합니다. 다행히, Sitara AM64x MPU와 AM243x MCU와 같은 멀티코어 장치는 여기에 언급된 모든 처리 요소를 포함할 수 있어 단일 칩에 필요한 모든 요소를 사용할 수 있습니다.
다중 프로토콜 산업용 이더넷의 빠른 채택은 Industry 4.0이 공장에 가져다 주는 새롭고 흥미로운 많은 것 중 산업용 서보 드라이브 부문에서 가장 주목할 만한 것 중 하나입니다. 산업용 이더넷, 필드 버스 및 위치 인코더용으로 시장에는 12가지가 넘는 다양한 통신 프로토콜이 있으며 각각 장단점이 있습니다. EtherCAT®, PROPINET® 및 EtherNet/IP는 서보 드라이브 시장에서 가장 인기 있는 이더넷 기반 프로토콜이며, Hiperface® DSL(디지털 서보 링크), EnDat 2.2 및 BiSS C(Bidirectional Interface for Serial/Synchronous C)는 더 인기 있는 위치 인코더 프로토콜 중 하나입니다.
이러한 프로토콜 중 많은 프로토콜에는 특정 통신 프로토콜을 지원하기 위해 호스트 프로세서에 연결할 수 있는 ASIC가 있습니다. 어떤 경우에는 다중 칩 솔루션을 사용하여 프로토콜의 스택이 호스트 프로세서에서 실행되고 ASIC가 미디어 액세스 제어 계층을 수행합니다. ASIC는 일반적으로 특정 통신 표준에 최적화되어 있기 때문에 단일 프로토콜만 지원할 계획인 제조업체들은 이 분산 아키텍처를 선호합니다. 여러 프로토콜을 지원해야 할 필요성이 대두되면 다중 칩 솔루션은 여러 가지 이유로 인해 매력을 잃게 됩니다. 새로운 각 프로토콜은 사용자가 새로운 장치(개발 노력 및 비용이 추가됨)에 익숙해져야 하며 제조업체는 서로 다른 프로토콜 각각에 대해 여러 버전의 보드를 유지해야 합니다.
Sitara MPU 및 MCU와 같은 솔루션은 호스트 프로세서에 다중 프로토콜을 통합하여 비용, 보드 공간 및 개발 노력을 절약하는 동시에 외부 부품과 호스트 간의 통신과 관련된 지연 시간을 최소화합니다. Sitara AM64x 프로세서와 AM243x MCU 제품군의 장치는 사전 통합 스택을 제공하며 EtherCAT, Profinet RT/IRT, 이더넷/IP 등을 지원할 수 있습니다. 여러 표준을 지원하는 단일 플랫폼을 통해 여러 최종 제품 버전에 대한 단일 보드를 유지할 수 있습니다.
제품을 미래에 대비해야 하는 경우 TSN(시간에 민감한 네트워킹)을 지원해야 하는 필요성도 고려해야 합니다. 산업용 통신을 위해 선택한 플랫폼은 진화하는 TSN 표준에 적용될 수 있을 만큼 유연해야 합니다. 그렇지 않으면 최종적으로 표준이 설정된 후 이를 따라가지 못할 위험이 있습니다. Sitara AM6x MPU 및 AM243x MCU 제품군은 EtherCAT과 같은 기존 100Mb 프로토콜뿐만 아니라 기가비트 TSN을 가능하게 하는 유연한 프로그래머블 실시간 유닛 산업용 통신 서브 시스템(PRU-ICSS)을 통해 솔루션을 제공합니다.
자율적 기계 의사 결정 및 작동 추세와 잠재적으로 위험한 공장 환경에서의 인간 기계 상호작용의 증가는 기능 안전성이 서보 드라이브를 포함한 스마트 팩토리의 많은 애플리케이션에 더욱 중요해지고 있음을 의미합니다. 기능 안전 표준 및 산업 환경에서 Sitara MPU와 MCU의 작동 방법에 대한 자세한 설명. 자세한 내용은 백서 Industry 4.0의 기능 안전 상태를 읽으십시오.