RZ/T1 微控制器:应用事例

第2章

市场与技术的发展日新月异,您能想象出3年后业务的蓝图吗?
在《致勾勒未来蓝图的工程师们的提案》中,我们将为您提供为可以帮助您实现3年后未来规划的线索。

通过非传统的伺服电机控制实现自律式M2M

近年来, 广泛用于各种产品应用的高性能微控制器(MCU)和微处理器(MPU)的市场需求不断增加。工厂自动化领域也不例外。在IoT(Internet of Things)/M2M(Machine to Machine)时代中,使用高性能微控制器和微处理器来提高工业机器人和机床的速度和精度、改善工厂内的实时网络性能、以及管理所有工厂系统等需求日益增加。在本系列文章的第2章中,普适计算沙龙(UC Salon)的根木胜彦先生和瑞萨电子的工程师们使用具体的案例展开讨论,讲述不使用FPGA或ASIC而使用高性能MCU和MPU实现伺服电机控制所带来的差异。

RZ/T1 Inverted Pendulum Demo

特约评论员

Katsuhiko Neki

普适计算沙龙(UC Salon)
协调专员(嵌入式系统开发)

根木 胜彦

Shingo Kojima

瑞萨电子株式会社
第二解决方案事业本部
工业第一事业部
工业网络解决方案部 经理

小岛 伸吾

Toshiyuki Ogawa

瑞萨电子株式会社
第二解决方案事业本部
工业第一事业部
工业网络解决方案部 工程师

小川 敏行

在电机控制中不能使用高速缓存

请您给我们讲一讲当前电机控制的趋势。

小岛:  目前,电机被很广泛地应用在各种各样的应用中,这些应用要求电机控制的精度更高、速度更快。例如,冰箱等一些设备的压缩机制冷剂中,最流行的做法是使用氟利昂,但还有一种方法是通过将二氧化碳液化、循环达到同样的效果。这种方法需要使用高速、高精度的电机控制。因此,要求微控制器必须具备远超于以往任何时候的高性能。而且,即使是普通的电机,如果通过高性能微控制器提高旋转速度,也可以减少电机中所使用的铁和铜的数量。这就是性能转化为价值的一个例子吧。此外,工业机器人往往需要有最高的伺服性能,以提高生产效率。因此,这个领域也是必须使用高速、高性能微控制器的领域。

小川:  大约在3年前就开始有人问我有没有一款500MHz的微控制器可以用在伺服马达控制上。但是,按照目前的做法,即使是竭尽全力也只能每2或3年向下一个更微细化阶段推进一步(因为更微细化就意味着速度也会相应提高)。当需要500MHz以上的器件时,通常可以使用通用处理器,但是将通用处理器应用在伺服电机的控制上,确实存在着很大的问题。通用处理器依靠高速缓存提高平均性能。但是,运行时间很大程度上取决于高速缓存命中率。因此,在伺服电机控制中,使用高速缓存是很不明智的选择。

小岛:  RZ/T1上集成的CPU核是带有FPU的ARM® Cortex®-R4 处理器,它采用将CPU核与存储器紧密连接的紧密耦合内存(TCM:Tightly Coupled Memory)结构,消除了高速缓存命中率所引起的性能变化。

小川:  为了能更清楚地感受到TCM的有效性,我制作了一个倒立摆模型。它需要很复杂的实时控制,如果使用低速的微控制器,它会倒掉,而使用高速的通用处理器,也会因为高速缓存未命中而无法正常工作。这个演示系统是用RZ/T1控制伺服电机,切换TCM的开关,可以让人看到TCM的效果。与TCM关闭状态相比,TCM开启状态所必需的运算处理时间没有变化,因此可以实现非常平顺的倒立控制。

图1: 实现高速实时控制的TCM构造

图1: 实现高速实时控制的TCM构造

支持多协议技术,引领削减FPGA风潮

从本系列文章的第1章中,我们了解到真正能用好FPGA的工程师非常少,这是为什么?

根木:  FPGA的设计人员需要写结构描述,因此必须掌握必要的电子工学以及时序设计等知识。而且,第三方很难读懂结构描述,如果技术文档记录地不够清晰,无法进行更新维护。以前有一些客户反映过,因为FPGA的设计人员辞职,只能从零重新开始设计。

小岛:  由于在伺服电机控制中,编码器部分经常使用FPGA,很多客户都希望我们能帮忙解决这个问题。如果你想用伺服电机知道正确的位置,就必需用EnDat或BiSS®、A-Format等复杂的编码器协议。在某些情况下,客户自己不会去制造编码器,而是从外部购买。有时,客户的上游机器人制造商会指定带编码器的伺服电机。在这种情况下,客户无法预测上游用户会指定哪种编码器协议。因此,他们无法将协议处理硬件内置于微控制器,而只能用FPGA或ASIC等替代。瑞萨电子的新产品RZ/T1无需使用FPGA就可以实现编码器的协议处理。

小岛:  其他微控制器应用于伺服电机控制,当涉及到编码器和工业用网络时必须使用FPGA,但RZ/T1与此不同,可以不使用。首先,RZ/T1编码器中,内置了可以通过更改配置文件支持多个协议的多协议编码器接口。通过此举,即使不使用FPGA也可以支持EnDat或BiSS®、A-Format等复杂的协议。

小川: 在工业用网络方面,RZ/T1内置了可支持多协议的工业用网络的R-IN引擎。工业用网络中有几个协议,通常是用外挂的FPGA或通信ASSP等进行支持。RZ/T1通过内置瑞萨电子的工业用网络引擎--R-IN引擎,即使不使用额外的LSI,也可以支持 EtherCAT®、EthterNet/IP(TM)、PROFINET等多协议的工业用网络。

图2: 伺服控制的单芯片解决方案

图2: 伺服控制的单芯片解决方案

小岛 伸吾

内置了多协议编码器接口。通过此举,即使不使用FPGA也可以支持EnDat或BiSS®、A-Format等复杂的协议。

请点击此处下载各协议用的相关手册:

支持自律M2M的RZ/T1

小川:  最近,小型交流伺服放大器的需求不断增加。FPGA功耗很高、产生的热量很大,将高性能的微控制器和FPGA集成在小板上,散热设计非常困难。如此一来,即使是想使用FPGA也无法使用了。另外,在未来的RZ/T1系列产品中,我们还规划了内置2通道的编码器的版本。客户使用该产品,可以用1个芯片控制最新款的多轴伺服放大器的2轴,这样有利于大幅度降低成本。

小岛:  直到现在,如果想用微控制器支持IoT/M2M,通信处理仍然是一个很大的负荷。因此,必须使用外挂的LSI。通过RZ/T1的高性能处理器和通信专用的R-IN引擎,您可以使用以往从未使用的百万兆字节的传感器数据。这就意味着,它可以有效地改善工厂整体的效率、降低缺陷。瑞萨电子的RZ/T1系列产品可以为 "自律式M2M"提供强大的支持。

小川: 针对RZ/T1的集成开发环境有ARM®DS-5、IAR系统的Embedded Workbench® for ARM®、瑞萨电子的e2studio。调试器和仿真器(ICE)工具可以使用京都Micro computer、横河Digital computer、Bitrun、Computex等公司提供的相关产品。评价板除了可使用由瑞萨电子自身生产的的评价板之外,还可使用由Alpha Project公司生产的评价版。瑞萨电子评价版的样例程序可以从瑞萨电子的主页上免费下载。我们也已经跟其他3家公司协商过了,未来我们也会考虑推出带电机的评价板。拥有如此丰富且全面的开发环境也是RZ/T1的优势。

根木:  我觉得RZ/T1是日本制造业的 "救世主" 。在IoT/M2M时代,会不断出现更多的新需求。我们期待RZ/T作为一种既不是MCU也不是MPU的新类型微控制器,能为日本的电子产业带来新的活力。

内部秘闻: 新产品“RZ”代表一种承诺

开发RZ/T1时,与先端技术开发部门展开了密切且深入地合作,共同挑战了500 MHz工作频率的限制。开发的目标是600MHz。这款器件的开发保持了能够不依赖于高速缓存而进行实时控制的结构,但工作频率突破至600 MHz,与现有的产品相比具有明显的优势。拥有如此卓越的性能,以往只能用硬件实现的功能也可以用软件实现了。这可以称之为一种“颠覆性创新”。和瑞萨电子的其他微控制器和微处理器器件产品系列一样,“RZ”这个名字以“R”为前缀。“RZ”代表了瑞萨电子要不断充实该产品阵容的承诺。这个名字中包含了瑞萨电子会为这些器件提供坚实的支持,希望用户今后10年、20年都能放心使用的美好愿望。

图3. 以创新为目的的性能显著提升

图3. 以创新为目的的性能显著提升

继续阅读RZ/T1和IoT相关的内容: