本文是瑞薩電子公司發(fā)布的白皮書，主要介紹RZ/T2H MPU在工業(yè)機(jī)器人中的應(yīng)用，闡述其如何實(shí)現(xiàn)高性能應(yīng)用處理、多軸電機(jī)控制和工業(yè)以太網(wǎng)功能，以提升工業(yè)機(jī)器人性能并減少組件數(shù)量和開發(fā)工時(shí)，以下是具體內(nèi)容：
*附件：白皮書-rzt2h-industrial-robot.pdf

• 工業(yè)機(jī)器人發(fā)展需求與傳統(tǒng)方案問題
  • 發(fā)展需求 ：隨著工廠自動(dòng)化和省力化需求增長，垂直多關(guān)節(jié)機(jī)器人等工業(yè)機(jī)器人需求上升。構(gòu)建此類機(jī)器人，開發(fā)人員需要具備控制多軸電機(jī)的實(shí)時(shí)性能、與軸數(shù)匹配的電機(jī)控制功能、計(jì)算機(jī)械臂軌跡并執(zhí)行如ROS中間件的高性能應(yīng)用處理性能，以及將機(jī)器人連接到工廠網(wǎng)絡(luò)的工業(yè)以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)通信支持。
  • 傳統(tǒng)方案問題 ：傳統(tǒng)工業(yè)機(jī)器人控制器使用FPGA進(jìn)行電機(jī)控制、高性能CPU進(jìn)行應(yīng)用處理、ASSP支持工業(yè)以太網(wǎng)。這些設(shè)備各自需要電源、時(shí)鐘和存儲(chǔ)器，導(dǎo)致組件數(shù)量多，不僅使系統(tǒng)電路/布局設(shè)計(jì)復(fù)雜，還需要對(duì)FPGA中實(shí)現(xiàn)的功能進(jìn)行大量設(shè)計(jì)和評(píng)估。
• RZ/T2H MPU的優(yōu)勢(shì)與功能實(shí)現(xiàn)
  • 多軸電機(jī)控制 ：RZ/T2H MPU具備兩個(gè)實(shí)時(shí)Arm? Cortex?-R52 CPU，每個(gè)CPU工作頻率為1GHz，配備大容量緊密耦合內(nèi)存（576KB），消除了使用緩存內(nèi)存時(shí)的執(zhí)行時(shí)間波動(dòng)，實(shí)現(xiàn)確定性高速響應(yīng)處理。三角函數(shù)單元（TFU）和電機(jī)控制用外設(shè)位于直接連接CPU的低延遲外設(shè)端口總線（LLPP總線）上，CPU可高速訪問，實(shí)現(xiàn)高速電流環(huán)處理。使用瑞薩示例程序測(cè)量表明，一個(gè)CR52 CPU可在8微秒內(nèi)執(zhí)行9軸電流環(huán)處理，RZ/T2H實(shí)現(xiàn)了100kHz（=10微秒）的載波頻率。因此，開發(fā)人員可利用RZ/T2H上的一個(gè)CR52 CPU進(jìn)行9軸電機(jī)控制，另一個(gè)CR52 CPU支持工業(yè)以太網(wǎng)。此外，RZ/T2H配備9軸所需的PWM定時(shí)器、delta-sigma解調(diào)器和編碼器接口，9軸PWM定時(shí)器可同步運(yùn)行，編碼器接口支持多種協(xié)議。使用RZ/T2H可減少組件數(shù)量和PCB尺寸，減少此前FPGA實(shí)現(xiàn)功能所需的開發(fā)工時(shí)。
  • 高性能應(yīng)用處理 ：工業(yè)機(jī)器人控制器需要能夠控制多軸并處理高速應(yīng)用。除了精確平滑地計(jì)算手臂運(yùn)動(dòng)的軌跡規(guī)劃，以及根據(jù)軌跡規(guī)劃計(jì)算控制各軸的指令值外，近年來還需要高性能CPU和DDR支持來運(yùn)行Linux上的開源軟件，如提供機(jī)器人控制中間件的ROS，以及實(shí)現(xiàn)與其他制造商設(shè)備和版本連接的ORiN。RZ/T2H配備四核Cortex-A55 1.2GHz處理器用于應(yīng)用處理，每核有32KB/32KB L1 I/D緩存，1024KB L3緩存作為公共緩存。配備支持LPDDR4-3200 32位的DDR IF和用于存儲(chǔ)大型程序的SD/eMMC，可運(yùn)行Linux應(yīng)用。此外，可在四個(gè)核心上結(jié)合使用Linux、RTOS和裸機(jī)，支持緩存分區(qū)，將L3公共緩存區(qū)域分配給每個(gè)核心。UNIXBENCH測(cè)試結(jié)果顯示，RZ/T2H在各個(gè)類別中得分高出35-75%，使用RZ/T2H可加快各軸電機(jī)指令值的更新周期，處理更復(fù)雜的軌跡規(guī)劃算法，有助于實(shí)現(xiàn)更精確的機(jī)器人運(yùn)動(dòng)。
  • 多協(xié)議工業(yè)以太網(wǎng)支持 ：在使用工業(yè)機(jī)器人的工廠中，來自不同制造商的設(shè)備將連接到網(wǎng)絡(luò)，使用專用于實(shí)時(shí)通信的工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議如EtherCAT、PROFINET、EtherNet/IP等，以進(jìn)一步提高設(shè)備間的同步精度，這對(duì)生產(chǎn)效率有重要影響。傳統(tǒng)工業(yè)機(jī)器人中，使用專用ASSP支持這些多種工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議。除工業(yè)以太網(wǎng)外，還需要獨(dú)立于工業(yè)以太網(wǎng)的以太網(wǎng)通信，用于與PC和管理系統(tǒng)進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)控和軟件版本升級(jí)通信，以及連接到外部HMI設(shè)備。RZ/T2H配備四個(gè)外部以太網(wǎng)端口、三個(gè)千兆以太網(wǎng)MAC（GMAC）、一個(gè)千兆以太網(wǎng)交換機(jī)（ETHSW）和一個(gè)EtherCAT?從控制器（ESC），兼容EtherCAT、PROFINET RT/IRT、EtherNet/IP?、OPC UA等主要工業(yè)以太網(wǎng)通信協(xié)議以及下一代TSN（時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)）標(biāo)準(zhǔn)。通過將GMAC、ETHSW和ESC分配給四個(gè)外部以太網(wǎng)端口，可實(shí)現(xiàn)多種以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)。例如，兩個(gè)端口可用于工業(yè)以太網(wǎng)，剩余兩個(gè)端口可用于通用以太網(wǎng)。如果不需要工業(yè)以太網(wǎng)，最多三個(gè)端口可用于通用以太網(wǎng)，使用戶能夠靈活實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)功能。此外，ETHSW的網(wǎng)絡(luò)同步信號(hào)（如TDMA和ESC的DC（分布式時(shí)鐘））連接到RZ/T2H中的事件鏈接控制器（ELC），可實(shí)現(xiàn)低延遲的外設(shè)功能操作，并與連接到網(wǎng)絡(luò)的不同設(shè)備同步操作，實(shí)現(xiàn)高精度同步以及與連接到網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備的聯(lián)動(dòng)操作，有望提高生產(chǎn)力。
• 總結(jié)與相關(guān)信息 ：本白皮書介紹了使用RZ/T2H提高工業(yè)機(jī)器人性能并顯著減少組件數(shù)量和開發(fā)工時(shí)的方法，使RZ/T2H用戶不僅能增強(qiáng)其工業(yè)機(jī)器人的競(jìng)爭力，還能縮短上市時(shí)間。瑞薩提供使用RZ/T2H體驗(yàn)9軸電機(jī)控制的解決方案，9軸電機(jī)控制示例程序可從瑞薩網(wǎng)站下載，可驅(qū)動(dòng)9軸電機(jī)的RZ/T2H評(píng)估板和逆變器板可從瑞薩在線商店購買，更多信息可參考RZ/T2H產(chǎn)品頁面。