서보제어의 실시간 효율성을 극대화하는 Sitara 프로세서의 활용 방안

Texas Instruments

인더스트리 4.0과 스마트 공장에서 자동화 시스템 채택이 가속화됨에 따라 더많은 기능과 축을 제어하는 스마트한 서보 드라이브에 대한 수요가 증가했다. 지금까지 high-end 마이크로 컨트롤러와 대형 FPGA(Field-Programmable Gate Array)는 low-level 제어 알고리즘을 수행하고 드라이브 및 모터 피드백에 연결하는 주변 장치를 제공했다. 그러나 장비가 보다 스마트해지고 성능이 향상됨에 따라 서보 드라이브가 지원해야하는 요구 사항이 빠르게 변하고 있다.

실시간 산업 통신, 기능 안전, 예측 유지 보수 및 클라우드 연결과 같은 기능이 서보 제어 보드에 도입되어 많은 서비스를 제공하고 있다. 이렇게 향상된 통합 수준과 높은 성능에 대한 요구로 인해 설계자는 인더스트리 4.0 애플리케이션의 요구사항을 처리하기 위해 Texas Instruments의 Sitara ™ 프로세서와 같은 이종 프로세서(heterogeneous processor)를 찾고 있다.

Sitara 성능

서보 모터 구동 애플리케이션에서 모터 제어는 일반적으로 전류 및 토크 루프, 속도 루프, 위치 루프 및 상위 레벨 모션 제어 루프와 같은 여러 제어 루프 레이어로 분리된다. 이러한 루프는 각각 실시간 처리 요구가 있는 계단식으로 배열된다. 전류 또는 토크 루프는 가장 예민한 제어 루프이다. 각 업 스트림 루프는 이전 루프의 배수에서 실행되며 다운 스트림 루프에 대한 입력 참조를 제공한다. 그림 1은 계단식 제어 토폴로지를 보여준다.

그림 1의 블록은 이종 프로세서 내의 코어 또는 프로세서와 마이크로 컨트롤러 간의 논리적 분할에 적합하다. 멀티 코어 프로세서의 서로 다른 코어 간에 다양한 루프를 분산하면 각 루프 전용 처리 대역폭이 최대화된다. 프로세서 코어가 제어 루프 입력 데이터를 수신하면 알고리즘을 최대한 빨리 완료하고 다운 스트림 루프에 대한 참조 값을 제공한 다음 입력 데이터 세트가 준비될 때까지 다른 서비스를 계속 제공할 수 있다.

성능이 높은 프로세서는 제어 처리를 빨리 완료하고 많은 대역폭을 사용하여 다양한 서비스와 기능을 제공할 수 있다. 32kHz 제어 루프에서 사이클 시간이 31.25μs이거나 여러 축의 입력을 실질적으로 동시에 처리해야하는 경우 빠른 처리가 특히 중요하다. 디지털 신호 프로세서(DSP), FPGA 및 표준 Arm? 처리 코어를 포함하여 서보 제어의 실시간 처리 요구 사항에 대한 몇 가지 옵션이 있다.
유연성과 제어 알고리즘 최적화 사이에 균형이 있기 때문에 올바른 프로세싱 코어를 선택하는 것이 어려울 수 있다.

과거에는 제어 알고리즘 최적화가 최우선 순위였으므로 DSP, ASIC(application-specific integrated circuits) 및 FPGA는 분명한 선택이었다. 최근 서보 드라이브에 인더스트리 4.0 서비스를 추가해야 할 필요성으로 인해 표준 Arm Cortex?-A 및 Cortex-R 코어가 채택되었다. Cortex-A 코어는 빠른 처리에 좋은 매우 높은 대역폭을 달성할 수 있지만 Cortex-R의 실시간 구성 요소가 없기 때문에 Cortex-R이 서보 제어용으로 더 적합하다.

반면에 Cortex-A는 네트워킹 또는 예측 유지 관리와 같은 다른 서비스에 대해 Cortex-R보다 훨씬 적합하다. 다행히 Sitara AM6x 프로세서와 같은 멀티 코어 장치는 모든 처리 요소를 포함할 수 있으므로 필요한 요소를 단일 칩에 사용할 수 있다.

산업 통신

서보 드라이브 분야에서 가장 달라진 것들 중 하나는 멀티 프로토콜 산업용 이더넷의 채택한 것이다. 산업용 이더넷, 필드 버스 및 위치 인코더 시장에는 12개 이상의 서로 다른 통신 프로토콜이 있으며 각각의 장단점이 있다. EtherCAT?, PROFINET? 및 EtherNet/IP는 서보 드라이브 시장에서 가장 널리 사용되는 이더넷 프로토콜이며 Hiperface? Digital Servo Link(DSL), EnDat 2.2 및 BiSS C(Bidirectional Interface for Serial/Synchronous C)는 많이 사용되는 위치 인코더 프로토콜 중 하나이다.

이러한 프로토콜의 대부분에는 특정 통신 프로토콜을 지원하기 위해 호스트 프로세서에 연결할 수 있는 ASIC가 있다. 경우에 따라 멀티 칩 솔루션을 사용하면 프로토콜의 스택이 호스트 프로세서에서 실행되고 ASIC가 미디어 액세스 제어 계층을 수행한다.

단일 프로토콜만 지원하려는 제조업체는 ASIC가 특정 통신 표준에 최적화되어 있기 때문에 이 분산 아키텍처를 선호한다. 여러 프로토콜을 지원해야 할 필요성이 생기면 멀티 칩 솔루션은 여러 가지 이유로 장점을 잃게 된다. 각각의 프로토콜은 새로운 장치(개발 노력과 비용이 추가됨)에 익숙해져야 하며 제조업체는 각 프로토콜에 대해 여러 버전의 보드를 유지해야한다.

Sitara 프로세서와 같은 솔루션은 호스트 프로세서에 멀티 프로토콜 지원을 통합하여 비용, 보드 공간 및 개발 노력을 절약하는 동시에 외부 구성 요소와 호스트 간의 통신 지연 시간을 최소화한다.

여러 표준을 지원하는 단일 플랫폼을 통해 다양한 버전에 대해 단일 보드를 유지할 수 있다. 제품의 미래 보장이 필요한 경우 TSN(Time Sensitive Networking) 지원의 필요성도 고려해야한다.

산업용 통신을 위해 선택한 플랫폼은 진화하는 TSN 표준에 적응할 수 있을 만큼 유연해야 한다. 그렇지 않으면 구식이 될 위험이 있다. Sitara AM6x 프로세서 제품군은 기가비트 TSN 및 EtherCAT과 같은 100Mb 프로토콜을 지원하는 유연한 프로그래밍이 가능한 실시간 단위 산업 통신 서브시스템(PRU-ICSS)을 통해 솔루션을 제공한다.

시스템 분할

서보 드라이브의 계단식 제어 루프는 강화된 절연 경계로 분리된 두 개 이상의 회로 기판에 걸쳐 있다. 이 경계는 ‘핫 사이드’ 및 ‘콜드 사이드’를 생성한다. 핫 사이드는 모터에 가장 가깝고 모터에 전원을 공급하는 고전압 부품을 포함한다. 콜드 사이드는 다른 편에 있으며 제어 장치를 의미한다.

모터 드라이브에 있는 제어 루프의 모듈식 특성은 격리 경계에서 시스템 분할을 할 때 많은 가능성을 제공한다. 그림 2, 3, 4는 서보 드라이브의 가능한 파티션을 보여준다. 그림 2는 2개의 SoC(시스템 온 칩)가 분리 경계된 2개 칩 솔루션을 보여준다. 이 분할은 분산 제어 아키텍처라고 한다. 이 아키텍처의 이점은 전체 루프가 전력 스테이지 보드에서 실행되기 때문에 필드 지향 제어 루프가 모터에서 입력을 받고 전류를 반환하는 데 걸리는 시간이 짧다는 것이다.

그림 3은 또한 2칩 솔루션을 보여주지만 이번에는 두 SoC가 모두 차가운 쪽의 제어 보드에 있다. 제어 루프는 두 개의 SoC로 나뉜다. 하나는 알고리즘을 처리하고 다른 하나는 집계기 역할을 하며 격리 경계에 걸쳐 펄스 폭 변조기(PWM)를 제공한다.

모든 제어 로직이 단일 보드에 결합된 시스템 파티션을 중앙 집중식 제어 아키텍처라고 한다. 이 아키텍처의 이점은 저비용 전력 스테이지 보드가 가능하지만 그림 2에 표시된 파티션과 동일한 성능 수준을 유지하려면 두 SoC 사이의 고속 인터페이스가 필요하다.

그림 4에서 PWM 및 모션 프로파일 생성을 포함한 전체 제어 루프(일반적으로 PLC에 의해 처리됨)는 콜드 측의 단일 SoC에 통합된다. 이 아키텍처는 통합을 통해 훨씬 많은 비용을 절감하고 SoC 간의 인터페이스와 관련된 대기시간을 없앤다.

Texas Instruments의 Sitara 솔루션

Sitara 프로세서 제품군에는 독립형 산업용 통신 모듈에서 본문에서 논의된 시스템 분할을 위한 기능을 갖춘 다축 서보 드라이브에 이르기까지 모든 것을 처리할 수 있는 SoC가 있다. Sitara AMIC 프로세서에는 PRU-ICSS 하위 시스템이 포함되어 있으며 독립형 다중 프로토콜 산업용 통신 모듈에 최적화되어 있다.

AM64x 제품군은 다중 프로토콜 산업용 통신, 실시간 모터 제어, 클라우드 연결 및 기타 인더스트리 4.0 서비스를 위한 단일 칩 솔루션을 제공함으로써 통합 수준을 한 차원 높여준다.

결론

인더스트리 4.0과 함께 서보 드라이브에 대한 새로운 지침과 시스템 요구사항이 증가하면서 설계자들이 현재 및 미래의 서보 드라이브 솔루션을 선택하는 것이 중요하다. Sitara AM64x 프로세서는 Cortex-A 및 Cortex-R 코어를 모두 포함하고 100Mb 및 1Gb 산업용 네트워킹을 지원한다.

자료 제공: Texas Instruments(www.ti.com)