1.3 系统分区和方框图

在本节中，我们将介绍常见的系统分区 以及智能服务器驱动器的建议 框图。 我们将看到系统分区决策 通常是基于处理和隔离 要求做出的，并且框图从那里开始进行。 在伺服电机驱动应用中， 电机控制通常分为几个 控制回路层 - 电流转矩回路，速度回路，位置回路 和更高级别的运动控制回路。 这些循环通常以级联方式排列， 每个循环都有自己的实时处理要求。 电流或转矩环路是最严格的控制环路。 每个上游循环在其之前的循环的多个处运行， 并向下游循环提供输入引用。 此图显示了典型的级联控制拓扑。 这些块非常适合在异构处理器内 或处理器与微控制器之间 跨核心进行逻辑分区。 在多核处理器中的不同核之间 扩展各种环路可最大化 专用于每个环路的处理带宽。 当处理器内核接收到其控制回路输入数据时， 它可以尽快运行算法完成， 为下游回路提供参考值， 然后继续提供其他服务， 直到下一组输入数据准备 就绪。 具有更高原始性能的处理器 可以更快地完成控制处理， 并提供更多带宽以提供更多服务 和功能。 当循环时间在32千赫的控制回路 中接近31.25微秒时， 或者当必须实际 同时处理来自多个轴的输入时，快速处理 尤其重要。 伺服驱动器中的级联控制回路 通常跨越至少两个由加强隔离边界 分开的电路板。 这种隔离边界产生了 所谓的热侧和冷侧。 热侧最靠近电动机， 包括为电动机 供电的高压部件。 冷侧位于隔离的另一侧， 通常容纳控制单元。 请记住，此隔离边界 可以根据设备处理系统中的每个循环 在此映像中向左或向右移动。 电机驱动器中各种控制回路的 模块化特性为跨越隔离边界 划分系统提供了许多可能性。 接下来的三张幻灯片显示了伺服驱动器的 几个可能的分区。 该幻灯片显示了一个双芯片 解决方案，两个SoC由隔离边界隔开。 这种结构的好处是，磁场定向 控制回路 - 或扭矩回路 - 从电机获得输入并返回电流的 总时间很短，因为整个处理回路 在功率级板上本地运行。 这里显示的分区是一个非常常见的分区。 许多能够对伺服电机 进行闭环控制的实时控制器， 包括与功率级板的相电流和栅极驱动器的接口， 都没有完全 配备来处理基于以太网的 工业通信协议。 这导致了这种双芯片解决方案的出现， 其中一个SoC提供通信， 另一个SoC提供电机控制。 这种系统的一个完美例子 是C2000设备使用 低成本的AM-3259或AMIC110设备控制电机， 提供工业以太网。 在这种类型的系统中 需要注意的一点是两个SoC之间的通信 必须穿过加强的隔离边界。 隔离IC需要保护这些信号， 并且根据总线的宽度， 这可能变得昂贵。 因此，快速，低引脚数的串行接口 非常适合降低成本， 同时仍能实现关闭外部处理环路 所需的数据移动要求。 C2000的快速串行接口 或FSI是专门为此类系统分区 而创建的。 使用FSI只需三个信号 即可实现每秒200兆比特的速度。 该幻灯片还显示了双芯片解决方案， 但这一次，两个SoC都位于 加强隔离边界冷端的控制板上。 控制回路在两个SoC之间分配。 一个处理算法处理， 另一个处理聚合器或模拟前端， 并且还提供跨隔离边界的 脉冲宽度调制信号。 这允许将专用外设 （例如PWM，ADC和位置反馈） 推送到聚合器SoC， 同时处理SoC可以 使用高性能通用内核和外设。 这种架构的一个好处是 它还可以实现低成本的功率级板， 因为处理从它们中移除。 但是，要保持与上一张幻灯片中 显示的分区相同的性能级别， 需要两个SoC之间的高速接口。 这是因为最紧密的 控制环路FOC环路所需的 信息正由一个SoC收集并传递给另一个SoC。 然而，在这种情况下，在聚合器 芯片和处理芯片之间 没有交叉隔离边界， 因此如果引脚分配允许，也可以使用宽的并行总线。 该幻灯片显示了一个SoC上 完全集成的处理解决方案， 可处理从工业以太网到读取相电流反馈 和生成PWM的所有内容。 这种类型的架构越来越受欢迎， 因为它减少了整体电路板尺寸， 消除了控制板上两个SoC之间的通信延迟， 并通过减少客户 必须熟悉的SoC数量来降低 复杂性。 AM437x或AMIC120以及 AM654x器件是Sitara器件的两个示例， 它们具有实现此用例所需的 外设和处理能力。 该框图给出了分散式 智能伺服驱动器的示例。 分散意味着处理能力分布在 多个SoC甚至不同的印刷 电路板上。 请注意，功率级板上的C2000 SoC（或板） 处理低级电机控制操作， 而Sitara AM57x器件提供 更高级别的处理， 包括工业以太网和工业4.0服务。 AM57x器件包含高性能C66x DSP内核， 用于关闭外部电机控制环路， 并为客户提供所需的处理能力， 使其解决方案与比较器 区分开来。 这种类型的架构非常适用于 多轴伺服驱动器用例， 因为多个功率级板可以连接到单个AM57x器件， 并且它具有足够的处理能力 - 最多四个内核来处理负载。 请注意，与C2000板的连接 必须穿过此架构中的增强隔离边界， 这意味着应使用 高速串行连接，如前所述。 SPI是一种合理的选择， 但另一种选择是使用可编程实时单元工业 通信子系统 （或PRU-ICSS--）来实现软FSI外设， 以直接连接到C2000专用的 FSI接口。 该框图是集中式智能伺服驱动器的示例， 意味着所有处理和控制外围 设备均由单个集中式SoC提供。 单个控制板连接到功率级板 以控制有限数量的轴，通常直接 控制一到三个轴。 这种单芯片驱动架构 非常适合在当今工厂中非常流行的单轴，双轴 或三轴模块化伺服驱动器。 单芯片可以通过工业 以太网为运动控制PLC提供接口， 并执行低级电机控制操作。 AM65x器件提供两个ARM Cortex-R5F内核， 用于实时电机控制算法， 另外还有两到四个ARM Cortex-A53内核， 可运行高级操作系统， 如Linux或RTOS， 以提供工业通信和工业4.0服务。 三千兆位工业通信子系统（ICSSG） 提供电机控制接口， 包括通过EnDat 2.2 和HIPERFACE DSL的数字编码器反馈， 通过Sigma-Delta和PWM输出的相电流反馈， 以及EtherCAT等流行的 工业通信协议，EtherNet / IP，PROFINET和TSM。 有关Sitara设备的更多信息， 请参阅TI.com上的Sitara处理器产品 概述页面。 另外，有关智能服务器驱动器的 更多信息，请参阅我们的工业 4.0伺服驱动器的使用Sitara处理器白皮书。 如有任何问题，请发送到我们的 E2E社区论坛，获取有关Sitara处理器的回答。