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工业机器人驱动芯片:内核性能再拔高,功能覆盖再扩充

来源:未知 编辑:机器人之家 时间:2022-01-11

         电子发烧友网报道(文/李宁远)在这个系列里,我们已经见了不少工业机器人驱动芯片。但这些还远没有覆盖国内庞大的工业机器人需求。随着国内工业机器人赛道上玩家的增多,机器人厂商,尤其是国内协作机器人厂商都在寻求最适合自己的主控芯片。之前已经列出的系列有打造强大内核的,有配置强大通讯功能的,也有集成先进视觉的,单一决定因素在厂商们这里已经不复存在,他们往往要考虑到拓展机器人功能以及把控整机成本。

上一期我们着重分析了配置强大工业通讯能力的机器人驱动芯片,这一期我们将再来看看一些市占率同样性能也高得吓人的驱动芯片。

SAM S7x/E7x系列

       Microchip的产品组十分丰富,不仅包含PIC、AVR、SAM系列,还有应用于控制不同电机外设的FPGA,国内不少机器人公司就选用了这些系列的产品。抛开用于各类步进、BDC电机的芯片不谈,在多轴运动控制上,SAM系列的高性能MCU一直是相当独特的存在。

(图源:Microchip)

       说它独特,是因为SAM S70和E70使用了300MHz的Arm Cortex-M7内核,这在多轴控制里是相对少见的选择。一般来说,添加DSP数据处理指令的M4已经足够应付工业机器人多轴运控。如果考虑到拓展功能,添上FPGA也足以应付目前绝大多数工业机器人应用。那选用M7就只剩下一个目的——追求最极致的项目性能。

        SAM S70和E70也的确做到了最极致的性能。S70在拥有高主频的同时拥有高达64 KB紧耦合内核内存,可以快速驱动FOC控制。为了实现最极致的速度,S70采用了一对2 Msps双的采样12 bit ADC引擎。再加上先进的模拟外设、16 bit PWM与16 bit Timers,S70可以轻松地以高性能实现多轴控制与双电机控制。

E70则和我们上一期的工业通讯主题挂钩。E70继承了S70的所有高端性能,并在高性能控制基础上增加了IEEE-1588以太网和CAN FD连接选项。为了应对最复杂的实时控制,E70能利用QSPI 接口添加 LAN9252 EtherCAT从控制器,实现基于 EtherCAT 的高性能电机控制也不在话下。

Layerscape多核通信处理器系列

NXP的运动控制和机器人方案在计算性能、内置连通性、低延迟上积累了丰富的经验,对于多轴运动控制和机器人应用也是轻车熟路。Layerscape多核通信系列就是NXP在机器人多轴运控应用上的看家处理器。

(图源:NXP)

这个系列里采用了双核/四核SoC ,有些选取了ARM A53有些则选取了A72,因此在计算性能上毋庸置疑。这个系列里所有处理器都内置了连接选项,可以实现运动控制和机器人应用所需的低延迟和低抖动。

LS1046A和LS1026A是多核通信处理器的两个代表产品。它们将四核(LS1046A)和双核(LS1026A)64位Arm Cortex-A72与数据包处理加速、高速外设相集成。四个CPU作为一个由四个内核组成的集群,共享一个2 MB二级缓存,具有32 KB一级数据缓存和48 KB一级指令缓存的单线程内核,主频高达1.8GHz。其中两个系列所用到的分层互连技术拥有高达700 MHz的工作频率。

LS1046A令人印象深刻的超过32000 CoreMarks的高性能,可以与10 Gb以太网、第三代PCIe、SATA 3.0、USB 3.0和QSPI接口配对,适配多轴控制的确再合适不过。除了硬件本身足够强大,NXP还提供了一个使用Xenomai Linux的实时开源操作系统,增强机器人运动确定性和实时性。

ADI CM4xx系列

ADI的限时同步运动系统具有良好的位置控制精度和低延迟,这在机器人驱动上是非常影响实际体验的一点。对更高自由度的机器人和更多的机器吞吐量来说,具有更快伺服驱动器响应时间和更精确轴同步的驱控芯片无疑是很吃香的。

(图源:ADI)

ADI的ADSP-CM4xx混合信号控制处理器系列采用ARM-Cortex M4处理器内核,集成高精度ADC、数字加速器和滤波器、SRAM和闪存以及丰富的外设,适配要求高性能实时控制和模拟转换的机器人多轴控制应用。当然ADI还有很多可以适配工业机器人运控的产品,MCU和DSP都有。

CM4xx系列单论控制,CM407F-A是其中较为亮眼的一个。CM407F混合信号控制处理器集成双通道高精度16 bit ADC和一个240MHz M4处理器内核,集成了384KB SRAM存储器、2MB闪存、光伏(PV)逆变器控制、电机控制和其他嵌入式控制应用而优化的加速器和外设。

内核集成的浮点运算可以支持高级编程模型和复杂算法,双通道的16 bit ADC则用于高精度的电机闭环控制。ADI的ADC模块就不用多说了,无失码、11+ ENOB以及转换速率高达380ns,其性能的强大和领先已经不需要描述了。

为了更好地解决智能控制问题,CM407F-A多加上了高级PWM和定时器功能,有效提升转矩波动和电机性能。为了更方便拓展日后的机器人应用,该系列提供了16位异步存储器,可连接外置SRAM或FPGA。无论是性能的拔高还是功能的扩充,都进一步提高了工业机器人的智能驱动能力。

小结

有关工业机器人的运动控制已从最基础的开/关定速电机发展到机器人技术中复杂的多轴伺服驱动。高性能的机器人驱控芯片层出不穷并且发展更新极快。下一期,我们将细数有哪些国产芯片同样在大显身手。

 
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