先楫高性能MCU在多軸伺服控制的應(yīng)用

隨著近年來(lái)工業(yè)機(jī)器人、電子制造設(shè)備等產(chǎn)業(yè)的快速擴(kuò)張，伺服系統(tǒng)在新興產(chǎn)業(yè)中應(yīng)用也越來(lái)越廣。未來(lái)幾年伺服市場(chǎng)（包括交流伺服、直流伺服、編碼器、CNC控制器等產(chǎn)品）將實(shí)現(xiàn)30～40%左右的增速，預(yù)計(jì)2025年我國(guó)伺服系統(tǒng)市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)到190億元，同比增長(zhǎng)12.4%。 在市場(chǎng)規(guī)模持續(xù)擴(kuò)大的同時(shí)，伺服系統(tǒng)本身也呈現(xiàn)出新的特點(diǎn)：

高精度、高性能：采用更高精度的編碼器，具有更高的采樣精度和數(shù)據(jù)位數(shù)；

小型化：體積和重量不斷變小，從而使機(jī)械設(shè)備的安裝和使用更加便捷；

集成化：伺服系統(tǒng)本身集成度更高，如集成各種編碼器的接口、Ether CAT通訊等；此外還有多軸集成的趨勢(shì)，如單芯片實(shí)現(xiàn)2軸、3軸等多軸伺服控制。

要實(shí)現(xiàn)更高性能、更高集成度的伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì)，主控MCU的選擇非常關(guān)鍵。在伺服系統(tǒng)主控MCU處理器內(nèi)核的選擇上，除傳統(tǒng)的Arm外，現(xiàn)在還有RISC-V。得益于RISC-V本身的簡(jiǎn)潔性和模塊化設(shè)計(jì)，CPU能運(yùn)行在更高的頻率，帶來(lái)更高的性能。因此，基于RISC-V的MCU能讓伺服系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)更高性能及更高的集成度。

MCU的性能是從兩個(gè)維度來(lái)衡量的：一個(gè)是CPU的性能，一個(gè)是外設(shè)的性能。CPU主頻類(lèi)似于速度，對(duì)于同一種架構(gòu)的MCU，主頻越高，MCU的速度就越快。處理器內(nèi)核架構(gòu)是影響處理器性能的關(guān)鍵因素，先進(jìn)的架構(gòu)具有更強(qiáng)大的指令集和更優(yōu)秀的運(yùn)算單元，因而擁有更為強(qiáng)大的算力。一般來(lái)說(shuō)，越先進(jìn)的內(nèi)核架構(gòu)，在單位時(shí)間內(nèi)可以執(zhí)行的指令數(shù)和處理數(shù)據(jù)的數(shù)量就越多。MCU的與伺服電機(jī)控制相關(guān)的外設(shè)包括用來(lái)采樣電壓和電流的模/數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）、能產(chǎn)生 PWM 信號(hào)的脈沖寬度調(diào)制器（PWM）等，這些外設(shè)的性能也決定了MCU的性能。

HPM6750就是上海先楫半導(dǎo)體公司開(kāi)發(fā)的采用RISC-V 內(nèi)核、具有高主頻及創(chuàng)新總線(xiàn)架構(gòu)的高性能MCU。HPM6750的CPU主頻高達(dá)816MHz，模擬外設(shè)包括4組共32路精度達(dá)2.5ns的PWM、3個(gè)12位高速ADC以及1個(gè)16位高精度ADC，其性能在市場(chǎng)同類(lèi)產(chǎn)品中居于領(lǐng)先水平。同時(shí)，上海先楫半導(dǎo)體公司還提供基于高性能MCU的各種解決方案，如伺服驅(qū)動(dòng)、PLC、工業(yè)網(wǎng)關(guān)等，是工業(yè)4.0整體解決方案提供者！

▲HPM為工業(yè)4.0提供全面的解決方案

解決方案分享

先楫高性能MCU在多軸伺服控制的應(yīng)用

案例一：三軸伺服運(yùn)動(dòng)控制，1分鐘繪制世界地圖

先楫的生態(tài)合作伙伴采用先楫半導(dǎo)體超高性能HPM6750開(kāi)發(fā)的三軸伺服數(shù)控機(jī)床解決方案，以HPM6750作為主控，單芯片實(shí)現(xiàn)了三軸伺服電機(jī)的運(yùn)動(dòng)控制，可以1分鐘繪制世界地圖并延伸至各種三軸伺服結(jié)構(gòu)應(yīng)用。

在三軸伺服方案中，X軸、Y軸、Z軸協(xié)同工作，在伺服控制中接入插補(bǔ)算法，完成世界地圖繪制。下面的視頻演示了在三軸伺服運(yùn)動(dòng)控制下繪制世界地圖的過(guò)程，不到1分鐘就可繪制一個(gè)基本的世界地圖。

三軸伺服方案適用于諸多場(chǎng)景，如枕式包裝機(jī)、三軸機(jī)械手系統(tǒng)等應(yīng)用。案例二：?jiǎn)涡酒妮S伺服運(yùn)動(dòng)控制，更穩(wěn)、更快、更準(zhǔn)在當(dāng)前的工業(yè)應(yīng)用中，多軸伺服運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)對(duì)響應(yīng)時(shí)間、響應(yīng)速度和穩(wěn)定性等指標(biāo)要求越來(lái)越高。傳統(tǒng)的四軸伺服運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)多采用模塊化方式集成，以及HMI+Ether CAT/NVUC等控制器+伺服驅(qū)動(dòng)器（由多個(gè)組成）的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，所掛載的伺服驅(qū)動(dòng)器越多，數(shù)據(jù)傳輸和處理就越復(fù)雜，從而使控制精度、實(shí)時(shí)性和同步性能受到限制。

▲市面工業(yè)應(yīng)用多軸伺服運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)

先楫合作伙伴采用先楫半導(dǎo)體超高性能HPM6750開(kāi)發(fā)的四軸伺服解決方案以HPM6750作為主控，單芯片實(shí)現(xiàn)了HMI與四軸伺服電機(jī)的運(yùn)動(dòng)控制，穩(wěn)定性好、響應(yīng)速度快、控制精度高。

四軸伺服電機(jī)運(yùn)動(dòng)無(wú)需總線(xiàn)通信反饋與交互控制，片內(nèi)完成所有數(shù)據(jù)的采集、處理和顯示，對(duì)伺服控制和四電機(jī)的同步控制效率大大提高。下面的視頻演示了通過(guò)UI交互的四軸伺服電機(jī)運(yùn)動(dòng)。

高性能驅(qū)動(dòng)

HPM6750芯片介紹

HPM6750采用雙RISC-V內(nèi)核，主頻達(dá)816MHz，憑借先楫半導(dǎo)體的創(chuàng)新總線(xiàn)架構(gòu)、高效的L1緩存和本地存儲(chǔ)器，創(chuàng)下了高達(dá) 9220CoreMark和高達(dá) 4651 DMIPS 的 MCU性能新紀(jì)錄。

除了高算力RISC-V CPU，HPM6700系列產(chǎn)品還創(chuàng)造性地整合了一系列高性能外設(shè)，包括支持2D圖形加速的顯示系統(tǒng)、高速USB、千兆以太網(wǎng)、CAN FD等通訊接口，高速12位和高精度16位模數(shù)轉(zhuǎn)換器，面向高性能電機(jī)控制和數(shù)字電源的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)。

與ARM Cortex-M家族中性能領(lǐng)先的M7相比，HPM6750的 Coremark/MHz 跑分高出約10%。

▲HPM6750系統(tǒng)框圖

以上為本期分享內(nèi)容，感謝立功科技·求遠(yuǎn)電子提供與先楫聯(lián)合開(kāi)發(fā)的應(yīng)用解決方案。期待后續(xù)有更多的干貨內(nèi)容可以分享給大家，歡迎關(guān)注并推薦“先楫半導(dǎo)體HPMicro”及“先楫芯上人”。

審核編輯 ：李倩