使用RZ/T2H MPU提高工业机器人性能并显著减少组件数量和开发工时的方法

本文是瑞萨电子公司发布的白皮书，主要介绍RZ/T2H MPU在工业机器人中的应用，阐述其如何实现高性能应用处理、多轴电机控制和工业以太网功能，以提升工业机器人性能并减少组件数量和开发工时，以下是具体内容：
*附件：白皮书-rzt2h-industrial-robot.pdf

• 工业机器人发展需求与传统方案问题
  • 发展需求 ：随着工厂自动化和省力化需求增长，垂直多关节机器人等工业机器人需求上升。构建此类机器人，开发人员需要具备控制多轴电机的实时性能、与轴数匹配的电机控制功能、计算机械臂轨迹并执行如ROS中间件的高性能应用处理性能，以及将机器人连接到工厂网络的工业以太网网络通信支持。
  • 传统方案问题 ：传统工业机器人控制器使用FPGA进行电机控制、高性能CPU进行应用处理、ASSP支持工业以太网。这些设备各自需要电源、时钟和存储器，导致组件数量多，不仅使系统电路/布局设计复杂，还需要对FPGA中实现的功能进行大量设计和评估。
• RZ/T2H MPU的优势与功能实现
  • 多轴电机控制 ：RZ/T2H MPU具备两个实时Arm® Cortex®-R52 CPU，每个CPU工作频率为1GHz，配备大容量紧密耦合内存（576KB），消除了使用缓存内存时的执行时间波动，实现确定性高速响应处理。三角函数单元（TFU）和电机控制用外设位于直接连接CPU的低延迟外设端口总线（LLPP总线）上，CPU可高速访问，实现高速电流环处理。使用瑞萨示例程序测量表明，一个CR52 CPU可在8微秒内执行9轴电流环处理，RZ/T2H实现了100kHz（=10微秒）的载波频率。因此，开发人员可利用RZ/T2H上的一个CR52 CPU进行9轴电机控制，另一个CR52 CPU支持工业以太网。此外，RZ/T2H配备9轴所需的PWM定时器、delta-sigma解调器和编码器接口，9轴PWM定时器可同步运行，编码器接口支持多种协议。使用RZ/T2H可减少组件数量和PCB尺寸，减少此前FPGA实现功能所需的开发工时。
  • 高性能应用处理 ：工业机器人控制器需要能够控制多轴并处理高速应用。除了精确平滑地计算手臂运动的轨迹规划，以及根据轨迹规划计算控制各轴的指令值外，近年来还需要高性能CPU和DDR支持来运行Linux上的开源软件，如提供机器人控制中间件的ROS，以及实现与其他制造商设备和版本连接的ORiN。RZ/T2H配备四核Cortex-A55 1.2GHz处理器用于应用处理，每核有32KB/32KB L1 I/D缓存，1024KB L3缓存作为公共缓存。配备支持LPDDR4-3200 32位的DDR IF和用于存储大型程序的SD/eMMC，可运行Linux应用。此外，可在四个核心上结合使用Linux、RTOS和裸机，支持缓存分区，将L3公共缓存区域分配给每个核心。UNIXBENCH测试结果显示，RZ/T2H在各个类别中得分高出35-75%，使用RZ/T2H可加快各轴电机指令值的更新周期，处理更复杂的轨迹规划算法，有助于实现更精确的机器人运动。
  • 多协议工业以太网支持 ：在使用工业机器人的工厂中，来自不同制造商的设备将连接到网络，使用专用于实时通信的工业以太网协议如EtherCAT、PROFINET、EtherNet/IP等，以进一步提高设备间的同步精度，这对生产效率有重要影响。传统工业机器人中，使用专用ASSP支持这些多种工业以太网协议。除工业以太网外，还需要独立于工业以太网的以太网通信，用于与PC和管理系统进行状态监控和软件版本升级通信，以及连接到外部HMI设备。RZ/T2H配备四个外部以太网端口、三个千兆以太网MAC（GMAC）、一个千兆以太网交换机（ETHSW）和一个EtherCAT®从控制器（ESC），兼容EtherCAT、PROFINET RT/IRT、EtherNet/IP™、OPC UA等主要工业以太网通信协议以及下一代TSN（时间敏感网络）标准。通过将GMAC、ETHSW和(hé)ESC分(fēn)配(pèi)给(gěi)四(sì)个(gè)外(wài)部(bù)以(yǐ)太(tài)网(wǎng)端(duān)口(kǒu)，可(kě)实(shí)现(xiàn)多(duō)种(zhǒng)以(yǐ)太(tài)网(wǎng)实(shí)现(xiàn)。例(lì)如(rú)，两(liǎng)个(gè)端(duān)口(kǒu)可(kě)用(yòng)于(yú)工(gōng)业(yè)以(yǐ)太(tài)网(wǎng)，剩(shèng)余(yú)两(liǎng)个(gè)端(duān)口(kǒu)可(kě)用(yòng)于(yú)通(tōng)用(yòng)以(yǐ)太(tài)网(wǎng)。如(rú)果(guǒ)不(bù)需(xū)要(yào)工(gōng)业(yè)以(yǐ)太(tài)网(wǎng)，最(zuì)多(duō)三(sān)个(gè)端(duān)口(kǒu)可(kě)用(yòng)于(yú)通(tōng)用(yòng)以(yǐ)太(tài)网(wǎng)，使(shǐ)用(yòng)户能够灵活实现网(wǎng)络(luò)功(gōng)能(néng)。此(cǐ)外(wài)，ETHSW的(de)网(wǎng)络(luò)同(tóng)步(bù)信(xìn)号(hào)（如(rú)TDMA和(hé)ESC的(de)DC（分(fēn)布(bù)式(shì)时(shí)钟(zhōng)））连(lián)接(jiē)到(dào)RZ/T2H中(zhōng)的(de)事(shì)件(jiàn)链(liàn)接(jiē)控(kòng)制(zhì)器(qì)（ELC），可(kě)实(shí)现(xiàn)低(dī)延(yán)迟(chí)的(de)外(wài)设(shè)功(gōng)能(néng)操(cāo)作(zuò)，并(bìng)与(yǔ)连(lián)接(jiē)到(dào)网(wǎng)络(luò)的(de)不(bù)同(tóng)设(shè)备(bèi)同(tóng)步(bù)操(cāo)作(zuò)，实(shí)现(xiàn)高(gāo)精(jīng)度(dù)同(tóng)步(bù)以(yǐ)及(jí)与(yǔ)连(lián)接(jiē)到(dào)网(wǎng)络(luò)的(de)设(shè)备(bèi)的(de)联(lián)动(dòng)操(cāo)作(zuò)，有(yǒu)望(wàng)提(tí)高(gāo)生(shēng)产(chǎn)力(lì)。
• 总(zǒng)结(jié)与(yǔ)相(xiāng)关信(xìn)息(xi) ：本(běn)白(bái)皮(pí)书(shū)介(jiè)绍(shào)了(le)使(shǐ)用RZ/T2H提高工业机器人性能并显著减少组件数量和开发工时的方法，使RZ/T2H用户不仅能增强其工业机器人的竞争力，还能缩短上市时间。瑞萨提供使用RZ/T2H体验9轴电机控制的解决方案，9轴电机控制示例程序可从瑞萨网站下载，可驱动9轴电机的RZ/T2H评估板和逆变器板可从瑞萨在线商店购买，更多信息可参考RZ/T2H产品页面。