Sichere Motion-Control-Anwendungen

Im Doppelpack mehr Safety

02. Juli 2019, 10:41 Uhr   |  Von Karim Jamal, Member Group Technical Staff und Principal Field Application Engineer bei TI Germany


Fortsetzung des Artikels von Teil 1 .

Echtzeit-Steuerung mit C2000-Mikrocontrollern

Texas Instruments
© Texas Instruments

Beispiel einer sicheren Implementierung eines Servoantriebs

Ein Mikrocontroller für Echtzeitsteuerung muss mehrere Aufgaben parallel und mit der geringstmöglichen Latenzzeit durchführen. Die Verwendung eines einzigen Kerns für all diese Aufgaben ist eine Herausforderung, die sich nicht durch mehr MIPS (MHz) lösen lässt. Ein System auf ARM-Basis leidet unter Latenzzeiten, die durch Interrupt-Behandlung und Wartezustände beim Zugriff auf den internen Speicher verursacht werden.

Um Echtzeitaufgaben parallel auszuführen, ohne den Hauptkern ständig einzubeziehen, verwendet der Mikrocontroller C2000 mehrere Koprozessoren und Logikblöcke im Chip. Eine dedizierte Koprozessor-Einheit, der sogenannte Control-Law-Accelerator (CLA), betreibt den Regelkreis ohne Einbeziehung der CPU. Der integrierte Control-Logic-Block (CLB) dient als Positions-Manager zur Dekodierung der Geberrückführung. Die Trigonometric Math-Unit (TMU) berechnet den atan2 für eine Winkelposition in 14 Zyklen (wohingegen ein ARM-Cortex-M4-Prozessor mehr als 100Zyklen benötigt).

Der C2000-Mikrocontroller kann eine schnelle Stromschleife in weniger als 1 µs betreiben. Betrachtet man die Software-Algorithmen, die typischerweise für die feldorientierte Steuerung zum Drehen eines Drehstrommotors verwendet werden, so nutzt der Mikrocontroller On-Chip-Ressourcen zum Erfassen, Betätigen und Dekodieren von Rückmeldungen für einen präzisen geschlossenen Regelkreis.

Mit drei bis vier integrierten Hochgeschwindigkeits-A/D-Wandler-Modulen (12 bit bei 3,4 MSample/s oder 16 bit bei 1 MSample/s) kann der C2000 Hall-Sensoren erfassen, shunten und die Sigma-Delta-Signale demodulieren. Der Koprozessor CLA vermag den zweiten Abtastkanal zu betreiben und den direkten Speicherzugriff (DMA) zu nutzen, um die Ergebnisse unabhängig vom C2000-Hauptkern zu übertragen. Das CLB kann die Ergebnisse beider Kanäle vergleichen und eine Fehlerreaktion erzeugen.

Wenn HFT = 1 ist, kann das sichere Subsystem Sitara RF5 eines Sitara-SoC als externer Sicherheitsmonitor fungieren, mit der Möglichkeit, eine direkte sichere Aufgabe bzw. ein sicheres Drehmoment auszuschalten oder sicherheitsbegrenzte Drehzahlen für den Motor einzustellen.

Industrielle Kommunikation mit dem Sitara-PRU-ICSS

Eine Innovation von TI für die industrielle Kommunikation ist das Programmable Realtime-Unit Industrial Communication-Subsystem (PRU-ICSS), das zunächst in Sitara-SoC-Bausteinen wie AM335x, AM437x und AM57x-Prozessoren integriert wurde. Es gibt drei ICSSs der nächsten Generation, die jeweils vier PRUs mit bis zu 250 MHz enthalten. PRUs sind reduzierte Befehlssatz-Computerkerne ohne Cache und ohne Pipeline, um eine deterministische, zyklische Verarbeitung zu ermöglichen.
Das PRU-ICSS bietet vielseitige, programmierbare Industrial-Ethernet- und serielle Feldbuskommunikation für Protokolle wie Profibus, Profinet, EtherCAT, EtherNet/IP, Sercos III und Powerlink. Die aktuelle Generation von PRU-ICSS ermöglicht einen Datendurchsatz von 100 Mbit/s in Echtzeit und erreicht dabei industrielle Protokollzykluszeiten von 31,25 µs.

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3. Zwei-Chip-Lösung für hohen SIL mit einer HFT = 1

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