嵌入式工程師為先進(jìn)的機(jī)器人、自動(dòng)化機(jī)器和運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)現(xiàn)代工業(yè)系統(tǒng)，需要將許多元素組合在一起來(lái)構(gòu)建工業(yè)伺服驅(qū)動(dòng)器。這包括實(shí)時(shí)、確定性操作；高計(jì)算架構(gòu)和足夠的應(yīng)用程序內(nèi)存；以及用于分布式控制的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)連接。

不幸的是，這些不同的子系統(tǒng)通常是從過(guò)去的旋轉(zhuǎn)簡(jiǎn)單伺服電機(jī)、參加工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議編程研討會(huì)或參加關(guān)于控制理論和算法的暑期班的經(jīng)驗(yàn)拼湊在一起的。思考這些元素如何真正互連可以產(chǎn)生更高效的多通道運(yùn)動(dòng)控制解決方案，該解決方案可針對(duì)不同應(yīng)用進(jìn)行擴(kuò)展。

以下是關(guān)于如何簡(jiǎn)化伺服驅(qū)動(dòng)器開(kāi)發(fā)、解決管理多個(gè)工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議的挑戰(zhàn)的三個(gè)設(shè)計(jì)案例研究。這包括 Profinet、EtherCAT 和 Ethernet/IP。

傳統(tǒng)的伺服驅(qū)動(dòng)解決方案（圖 1）包含不同的組件，這些組件必須在最佳情況下“實(shí)時(shí)”運(yùn)行以使電機(jī)旋轉(zhuǎn)。

圖 1：傳統(tǒng)驅(qū)動(dòng)解決方案。

實(shí)時(shí)處理器子系統(tǒng) 用于伺服驅(qū)動(dòng)器的現(xiàn)代實(shí)時(shí)嵌入式系統(tǒng)需要高性能架構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)使用高載波頻率的磁場(chǎng)定向控制算法。當(dāng)它與位置環(huán)結(jié)合并與軌跡生成一起使用時(shí)，計(jì)算負(fù)載會(huì)增加，特別是如果將第二個(gè)運(yùn)動(dòng)軸添加到系統(tǒng)中。

許多當(dāng)前的微控制器解決方案僅在此應(yīng)用中就耗盡了處理器帶寬。使用具有更多處理器帶寬的微處理器 (MPU) 或微控制器 (MCU) 的想法是典型的解決方案。

這里的挑戰(zhàn)是，隨著 CPU 時(shí)鐘越來(lái)越高，內(nèi)存系統(tǒng)無(wú)法跟上，我們需要等待狀態(tài)或高速緩存。高速緩存在硬實(shí)時(shí)系統(tǒng)中是有問(wèn)題的，因?yàn)樗狈τ邢迗?zhí)行時(shí)間所需的確定性。

一個(gè)典型的應(yīng)用程序?qū)⑹褂帽染彺嬷腥菁{的更多的程序和數(shù)據(jù)。如果緩存未命中，則必須從較慢的內(nèi)存中加載代碼或數(shù)據(jù)，這會(huì)導(dǎo)致執(zhí)行時(shí)間發(fā)生變化。典型的 MPU 內(nèi)核也缺少向量中斷控制器，這需要軟件進(jìn)行更多處理以找到中斷源并調(diào)度正確的中斷服務(wù)程序。

如果發(fā)生多個(gè)中斷，高速緩存存儲(chǔ)器和中斷控制器的影響會(huì)導(dǎo)致不確定的行為和無(wú)限的執(zhí)行時(shí)間。

實(shí)時(shí)設(shè)計(jì)的架構(gòu)，例如，具有嵌套向量中斷控制器和緊密耦合存儲(chǔ)器 (TCM)，可確保高可用性操作（圖 2）。向量中斷控制器將通過(guò)硬件直接通過(guò)向量表調(diào)度到適當(dāng)?shù)闹袛嗵幚沓绦?，從而最大限度地減少中斷延遲。

圖 2：具有 TCM 和向量中斷控制器的實(shí)時(shí)架構(gòu)視圖。

TCM 直接連接到與高速緩存相同的內(nèi)存層次結(jié)構(gòu)的內(nèi)核。TCM 是一個(gè)簡(jiǎn)單的 SRAM，沒(méi)有像緩存這樣的標(biāo)簽，因此它體積小，實(shí)現(xiàn)效率高。接下來(lái)，內(nèi)置雙精度浮點(diǎn)單元 (FPU) 充當(dāng) CPU 的數(shù)學(xué)協(xié)處理器并簡(jiǎn)化數(shù)學(xué)運(yùn)算。

實(shí)時(shí)處理器子系統(tǒng)的另一個(gè)好處是減少抖動(dòng)。由于運(yùn)動(dòng)涉及非常高速的計(jì)算，因此在處理微米級(jí)分辨率時(shí)，位置控制的準(zhǔn)確性至關(guān)重要。例如，如果伺服驅(qū)動(dòng)器以 10 m/s 的速度運(yùn)行，并且以 2 μs 的時(shí)間偏移（中斷延遲加上抖動(dòng)）捕獲位置，則產(chǎn)生的位置誤差將為 0.02 mm。

盡管這似乎并不重要，但及時(shí)傳播此位置誤差將導(dǎo)致生產(chǎn)錯(cuò)誤和報(bào)廢單元。

硬件中的工業(yè)以太網(wǎng)加速器工業(yè)以太網(wǎng)需要高效的數(shù)據(jù)包處理，以實(shí)現(xiàn)盡可能確定性的通信。典型的 TCP/IP 協(xié)議的問(wèn)題是當(dāng) TCP 檢查數(shù)據(jù)的傳遞并在未成功接收數(shù)據(jù)時(shí)重新傳輸時(shí)的固有延遲。

傳統(tǒng)上，幀是使用特定的軟件程序來(lái)處理的，以處理以太網(wǎng)報(bào)頭和數(shù)據(jù)。這顯然需要時(shí)間，并且可能被視為 CPU 的“開(kāi)銷”，因此會(huì)影響 CPU 吞吐量。

工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議以大約 100 Mbps 的速度運(yùn)行，并且基于 UDP，因此沒(méi)有丟包的空間，尤其是在運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)中。許多具有 100 Mbps 和獨(dú)立于媒體的接口 (MII) 的 MCU 無(wú)法處理幀有效負(fù)載而沒(méi)有不確定抖動(dòng)的風(fēng)險(xiǎn)，因?yàn)樗鼪](méi)有針對(duì)高速數(shù)據(jù)包處理進(jìn)行優(yōu)化。

因?yàn)?CPU 需要優(yōu)先考慮控制循環(huán)算法，所以可能會(huì)丟失數(shù)據(jù)包，或者更糟糕的是，非同步分布式運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)。

如果可以在硬件中實(shí)現(xiàn)諸如編碼/解碼數(shù)據(jù)包或簡(jiǎn)單校驗(yàn)和等高速操作，以改善數(shù)據(jù)包處理并為其他任務(wù)卸載 CPU 帶寬，則可以改善 RTOS 操作并減少校驗(yàn)和操作的額外開(kāi)銷（圖 3 )。

圖 3：硬件輔助幀處理。

用于實(shí)時(shí)控制的固件 固件操作需要根據(jù)它們對(duì)確定性行為的需要?jiǎng)澐譃椴煌娜蝿?wù)。

圖 4：電機(jī)和運(yùn)動(dòng)控制應(yīng)用架構(gòu)。

圍繞虛擬電機(jī)模塊塊構(gòu)建的固件架構(gòu)（圖 4）將簡(jiǎn)化開(kāi)發(fā)。它包括執(zhí)行確定性周期性和非周期性任務(wù)的函數(shù)。它們?cè)谝粋?cè)與電機(jī)控制硬件接口，在另一側(cè)與其余固件模塊接口。

周期性實(shí)時(shí)任務(wù)從產(chǎn)生 PWM 周期的定時(shí)器的中斷處理程序中調(diào)用。它確保控制函數(shù)調(diào)用的確定性時(shí)序。這包括獲取當(dāng)前位置、執(zhí)行位置控制回路和電流控制回路——也稱為磁場(chǎng)定向控制——為下一個(gè) PWM 周期生成占空比，并收集數(shù)據(jù)以供將來(lái)診斷。

非周期性實(shí)時(shí)任務(wù)響應(yīng)外部模擬或數(shù)字信號(hào)觸發(fā)的事件?？刂乒δ茉u(píng)估上下文以在電流過(guò)載或位置捕獲的情況下采取行動(dòng)。

虛擬電機(jī)可以識(shí)別不同的命令，提供對(duì)所有控制參數(shù)和算法的訪問(wèn)。主機(jī)可以定期獲取信息，跟蹤每個(gè)電機(jī)的狀態(tài)，控制運(yùn)動(dòng)請(qǐng)求的執(zhí)行?；蛘?，主機(jī)可以配置來(lái)自不同變量的樣本集合，這些變量可以在設(shè)備上緩沖并在以后進(jìn)行分析。

然后可以將電機(jī)控制框架實(shí)例化為使用共享內(nèi)存與虛擬電機(jī)和其他外圍設(shè)備交互以與主機(jī)通信的包裝器。虛擬電機(jī)還通過(guò)觸發(fā)可以協(xié)調(diào)特定應(yīng)用線程操作的信號(hào)量與 RTOS 集成。

實(shí)時(shí)處理器：關(guān)鍵要點(diǎn)設(shè)計(jì)您自己的伺服驅(qū)動(dòng)器可能會(huì)變得復(fù)雜，因?yàn)樾枰m應(yīng)實(shí)時(shí)控制、連接性和可針對(duì)不同應(yīng)用程序或產(chǎn)品變體進(jìn)行擴(kuò)展的固件架構(gòu)。

使用實(shí)時(shí)處理器內(nèi)核可實(shí)現(xiàn)更具確定性的操作并減少抖動(dòng)。能夠利用硬件 IP 來(lái)加速和提高網(wǎng)絡(luò)吞吐量，或者利用可編程模塊來(lái)支持不同的編碼器，可以簡(jiǎn)化分布式運(yùn)動(dòng)和各種協(xié)議的管理。

最后，設(shè)計(jì)能夠支持不同類型應(yīng)用的固件將有助于進(jìn)一步簡(jiǎn)化開(kāi)發(fā)過(guò)程。考慮到這些因素來(lái)進(jìn)行伺服驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)將有助于您啟動(dòng)并運(yùn)行構(gòu)建自己的伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制器。

審核編輯：湯梓紅