Contrôle de robots industriels à 9 axes avec un microprocesseur monopuce

Auteur : Koichi Sugata, ingénieur principal, traitement intégré, Renesas Electronics

À mesure que le besoin d’automatisation et la réduction des coûts de main-d’œuvre dans les usines augmentent, la demande de robots industriels, tels que les robots articulés verticaux, augmente également. Pour construire ces robots industriels, les développeurs doivent disposer de performances en temps réel pour contrôler les moteurs multi-axes, de fonctions de contrôle moteur pour plusieurs axes, de performances de traitement d'application hautes performances pour calculer la trajectoire du bras robotique et exécuter des intergiciels tels que ROS, et d'un support de communication réseau pour Ethernet industriel pour connecter le robot au réseau de l'usine. Les contrôleurs de robots industriels conventionnels utilisent des FPGA pour le contrôle des moteurs, des processeurs hautes performances pour le traitement des applications et des ASSP pour l'Ethernet industriel. Chacun de ces dispositifs nécessite une alimentation, une horloge et une mémoire, ce qui ajoute un grand nombre de composants qui non seulement complique la conception du circuit/du système, mais nécessite également une conception et des tests supplémentaires des fonctions implémentées sur le FPGA.

Cet article présente un moyen de mettre en œuvre un contrôle de moteur jusqu'à 9 axes, un traitement d'application haute performance et un Ethernet industriel multiprotocole sur une seule puce. Cette puce unique réduit le nombre de pièces utilisées dans les robots industriels et réduit considérablement le temps de développement.

Figure 1. Réduction des composants dans un robot industriel avec MPU RZ/T2H

Répond à toutes les exigences pour le contrôle de moteurs multi-axes jusqu'à 9 axes sur une seule puce

Pour contrôler les servomoteurs utilisés dans les robots industriels, il est nécessaire d'exécuter un processus de boucle de courant dans le cycle porteur spécifié qui acquiert la valeur du courant circulant à travers le moteur et les informations de position et définit la sortie de la minuterie PWM triphasée. Étant donné que les robots industriels effectuent ce traitement en boucle de courant pour chacun de leurs axes, ils nécessitent des performances en temps réel de haute précision. Les robots industriels conventionnels réalisent un traitement en boucle de courant pour plusieurs axes à l'aide de FPGA qui permettent un traitement parallèle ou de plusieurs MCU. De plus, un processeur adapté au traitement en temps réel est également requis pour qu'Ethernet industriel puisse synchroniser avec précision les appareils.

Le MPU RZ/T2H dispose de deux processeurs Arm® Cortex®-R52 en temps réel, chaque processeur ayant une fréquence de fonctionnement de 1 GHz et une mémoire couplée de grande capacité (576 Ko), ce qui élimine la gigue du temps d'exécution qui se produit lors de l'utilisation de la mémoire cache, permettant un traitement de réponse déterministe à grande vitesse. De plus, l'unité de fonction trigonométrique (TFU) et les périphériques utilisés dans le contrôle du moteur sont situés sur le bus de port périphérique à faible latence (bus LLPP) directement connecté au processeur, permettant un accès à grande vitesse depuis le processeur et réalisant un traitement de boucle de courant à grande vitesse. En utilisant le programme d'exemple Renesas, nous avons confirmé qu'un processeur CR52 peut exécuter un traitement de boucle de courant pour 9 axes en moins de 8 µs, et qu'une fréquence porteuse de 100 kHz (= 10 µs) est obtenue avec le RZ/T2H. Par conséquent, les développeurs peuvent réaliser le contrôle du moteur pour 9 axes avec un processeur CR52 sur le RZ/T2H, tout en prenant en charge Ethernet industriel avec un autre processeur CR52.

Un contrôle de moteur multi-axes nécessite une minuterie PWM prenant en charge une sortie triphasée complémentaire, un démodulateur delta-sigma pour mesurer le courant circulant dans le moteur et une interface d'encodeur pour obtenir des informations de position, qui doivent tous être équipés pour le nombre d'axes requis. De plus, le temporisateur PWM nécessite un fonctionnement synchronisé entre les axes et le codeur utilise des protocoles différents selon le fabricant, tels que A-format™, EnDat et BiSS®. Pour réaliser les fonctions requises pour le nombre d'axes, la synchronisation entre les temporisateurs PWM et les codeurs multiprotocoles, les FPGA ont également été largement utilisés dans cette application.

Le RZ/T2H est équipé des temporisateurs PWM, des modulateurs delta-sigma et des interfaces d'encodeur mentionnés ci-dessus, tous disponibles pour 9 axes. Les temporisateurs PWM pour les 9 axes peuvent fonctionner de manière synchrone et l'interface du codeur prend également en charge plusieurs protocoles. En utilisant le RZ/T2H, qui dispose de performances en temps réel élevées et d'un grand nombre de périphériques pour le contrôle du moteur, il est désormais possible de réduire le nombre de composants et la taille du PCB, ainsi que les heures de travail de développement pour implémenter des fonctions sur le FPGA, qui ne sont plus nécessaires.

Figure 2. Configuration matérielle permettant un contrôle à grande vitesse des moteurs à 9 axes

Traitement à grande vitesse avec processeur d'application intégré

Les contrôleurs de robots industriels doivent contrôler plusieurs axes et gérer le traitement d'applications à grande vitesse. Outre le calcul de la planification du chemin pour déplacer le bras avec précision et en douceur, et le calcul des valeurs de commande pour contrôler chaque axe en fonction du plan de chemin, des processeurs hautes performances et une prise en charge DDR sont également nécessaires pour exécuter des logiciels open source sur Linux. Par exemple, ROS fournit un middleware pour le contrôle des robots, et ORiN permet la connexion avec des appareils d'autres fabricants et versions.

Le RZ/T2H est équipé d'un processeur quad-core Cortex-A55 à 1,2 GHz pour le traitement des applications. Il dispose d'un cache I/D L32 de 32 Ko/1 Ko par cœur et d'un cache L1024 de 3 4 Ko implémenté comme cache commun. Il est équipé d'une mémoire DDR IF prenant en charge LPDDR3200-32 3 bits et SD/eMMC pour stocker des programmes volumineux et peut exécuter des applications Linux. De plus, une combinaison de Linux, de RTOS et de matériel réel peut être utilisée sur les quatre cœurs, et elle prend en charge le partitionnement du cache, qui alloue des zones du cache LXNUMX commun à chaque cœur.

Le graphique suivant montre les résultats de l’exécution d’UNIXBENCH sur Linux à l’aide d’un RZ/T2H et d’un microprocesseur tiers doté de quatre processeurs d’application. Les résultats ont montré que RZ/T2H a obtenu des scores élevés de 35 à 75 % dans chaque catégorie. Il est possible d'accélérer le cycle de mise à jour des valeurs de commande pour chaque moteur d'axe et de traiter des algorithmes de planification de trajectoire plus complexes à l'aide du RZ/T2H, obtenant ainsi un mouvement de robot plus précis.

Tableau 1. Résultats UNIXBENCH

Communications Ethernet multiples avec plusieurs protocoles

Dans les usines utilisant des robots industriels, les appareils de plusieurs fabricants seront connectés à un réseau et des protocoles Ethernet industriels tels que EtherCAT, PROFINET et EtherNet/IP, spécialisés dans la communication en temps réel, seront utilisés pour augmenter encore la précision de la synchronisation entre les appareils. La précision de la synchronisation entre les appareils a un impact significatif sur l'efficacité de la production car elle est utilisée pour les opérations simultanées de plusieurs robots ainsi que pour réduire les temps d'attente. Dans les robots industriels conventionnels, des ASSP dédiés ont été utilisés pour prendre en charge ces multiples protocoles Ethernet industriels. Outre l'Ethernet industriel, il existe un besoin de communication Ethernet indépendante de l'Ethernet industriel pour communiquer avec les PC et les systèmes de gestion pour la surveillance de l'état et les mises à jour des versions logicielles, ainsi que pour se connecter à des périphériques IHM externes.

Le RZ/T2H est équipé de quatre ports Ethernet externes, de trois MAC Gigabit Ethernet (GMAC), d'un commutateur Gigabit Ethernet (ETHSW) et d'un contrôleur esclave EtherCAT® (ESC) ; et prend en charge les principaux protocoles de communication Ethernet industriels tels que EtherCAT, PROFINET RT/IRT, EtherNet/IP™ et OPC UA, ainsi que la norme TSN (Time-Sensitive Networking) de nouvelle génération. Plusieurs implémentations Ethernet sont possibles en attribuant GMAC, ETHSW et ESC aux quatre ports Ethernet externes. Par exemple, deux ports peuvent être utilisés pour Ethernet industriel et les deux ports restants pour Ethernet à usage général. Si l'Ethernet industriel n'est pas requis, jusqu'à trois ports peuvent être utilisés pour l'Ethernet à usage général, permettant aux utilisateurs de déployer de manière flexible les fonctions réseau. De plus, les signaux de synchronisation réseau pour ETHSW, tels que TDMA et DC (Distributed Clock) d'ESC, sont connectés au contrôleur de liaison d'événement (ELC) sur le RZ/T2H, ce qui permet d'exploiter les fonctions périphériques avec une faible latence et de synchroniser les opérations avec différents appareils connectés au réseau. Cela permet une synchronisation de haute précision ainsi qu'un fonctionnement lié aux appareils du réseau, améliorant ainsi la productivité.

Figure 3. Configuration matérielle pour prendre en charge plusieurs communications Ethernet avec plusieurs protocoles

Conclusion

Cet article présente des méthodes permettant d’améliorer les performances des robots industriels utilisant le RZ/T2H et de réduire considérablement le nombre de composants et le temps de développement. Cela permet aux utilisateurs de RZ/T2H non seulement d’améliorer la compétitivité de leurs robots industriels, mais également d’améliorer leur délai de mise sur le marché.

Renesas propose une solution permettant aux développeurs de découvrir le contrôle de moteur à 9 axes à l'aide du RZ/T2H. Des exemples de programmes pour le contrôle de moteurs à 9 axes peuvent être téléchargés sur le site Web de Renesas. La carte d'évaluation RZ/T2H et la carte onduleur, qui peuvent contrôler des moteurs à 9 axes, sont disponibles à l'achat sur la boutique en ligne Renesas. Pour plus d'informations, consultez la page produit RZ/T2H.