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伺服和变频器的发展,正在倒逼边缘用MCU性能的大提升

2022/12/09 作者:夏珍
阅读需 6 分钟
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全球制造业正在经历新一轮数字化、智能化的产业升级,人们对工业自动化、智能分析、万物互联等功能的需求不断增加。

根据IDC 在《全球物联网支出指南》中的预测数据显示,2021年全球物联网(企业级)支出规模达6902.6亿美元,并有望在2026年达到1.1万亿美元,五年(2022年-2026年)复合增长率(CAGR)达10.7%。

伺服和变频器作为推动制造业升级的主力军,正在向更精确、更智能的控制系统,更高速、更灵活的工业通信方式发展。这些发展趋势也推升了人们对边缘端MCU性能的要求,一是需要其更快速、更准确,以便为分布式系统提供更先进高效的处理能力,二是需要其拥有高带宽、低延迟、丰富且快速的通信接口能力。

因此,在实时控制的工业场景中,系统厂商不止要关注MCU内核的MHz或MIPS,还要关注总体信号链性能,即通过片上高速ADC捕获传感器的模拟输入,经过较短的计算周期,然后控制PWM驱动功率组件,整个过程需要更好地满足应用的时序要求。

图 | 德州仪器(TI)技术支持经理 卢璟

德州仪器(TI)技术支持经理卢璟表示:“TI的MCU不但可以满足以上要求,并且TI在设计MCU时,通常以客户应用正面临的挑战为切入点,来开发MCU产品的各种 IP解决方案。”

她举了两个例子:在电机控制方面,TI引入了三角函数加速器(TMU)来提升控制环路性能,并且由于很多客户需要为PWM保护和编码器使用外部逻辑,所以还设计了可配置逻辑块 (CLB) ,来提供灵活的逻辑控制能力。在工业通信方面,TI设计了工业通信子模块(ICSS)来实现灵活的多协议通信方案等。

应用层面的“好用”源于芯片层面的创新,TI在工业实时控制领域主推 C2000™ 系列和Sitara™ AM2x系列MCU,这两个系列都在更新迭代中不断突破自我。

C2000™系列产品采用了C28内核,内置Flash;AM2x系列产品采用了Arm Cortex-R5F实时内核,外置flash,并拥有更高的片上SRAM,支持以太网通信以及多种工业总线通信协议。这两个系列产品共同的特点是集成了相同功能的增强高速ADC,高分辨率PWM等实时控制IP,客户可以根据自身对处理能力、存储器、ADC/PWM数量、通信种类等方面的需求选择合适的产品。

根据卢璟的介绍,当C2000™系列迭代到第三代产品时,TI着重提高了产品的整体性能,其中包括更准确的16位ADC,Σ-Δ滤波器,总体CPU性能更是达到了最高925MIPS,并可支持64位浮点运算,此外还配备更多片上闪存、SRAM、可配置逻辑块 (CLB),以及针对功能安全提升的软硬件支持等等。

而AM2x系列是TI全新的基于ARM核的实时控制MCU,该产品兼具处理器级的高性能和MCU的设计简易性,可应用于需要强大的计算能力、实时控制、工业通信等场景中。

前面提到了以太网通信,我们知道EtherCAT是目前国内伺服和变频产品采用的主流工业以太网协议。从选型的角度出发,TI推荐C2000™的F2838X系列产品用于EtherCAT相关产品的开发。如果想要支持更多的协议,则TI推荐采用AM2x系列产品,它可以全面支持 Ethernet/IP、EtherCAT、Profinet、IO-Link主站和千兆以太网等常见协议。

值得一提的是,TI的客户可享受一站式采买体验,并从 TI 的 SDK 获得预集成的协议栈,无需担心第三方支持的额外成本。除了直接来自 TI 的协议外,客户也可灵活使用他们自带的或来自第三方的协议。

对此,卢璟表示:“TI 会持续关注工业以太网的发展趋势,例如当下备受关注的TSN等,不断丰富TI产品对协议种类的支持。”

当然,除了以上提到的这些,为了降低设计开发的复杂性,TI还提供了MCU配套的评估工具以及包含丰富驱动代码与样例库的SDK软件帮助客户快速开发,例如C2000 motor control SDK就包含了TI最新的电机控制库和工程,TI.com也提供完善的产品在线培训学习系统,名为MCU+ Academy。

此外,TI官网上还专门开辟了design resource资源库,方便客户快速获取系统级的设计方案。针对工业实时控制和多协议的应用,卢璟推荐了2个参考设计,分别为: AM243x Industrial Ethernet and MD Demo: 连接并控制工厂车间Servo Reference Design

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