设计工业机器人和控制器的考虑因素

工业系统的设计通常涉及多个组件，例如 MPU、MCU 和 FPGA。这种多芯片设置增加了复杂性并延长了开发周期。在本文中，我们分享了与瑞萨电子嵌入式处理业务部高级经理 Masatoshi Yamazaki 对话的一些笔记，以深入了解解决这一问题的不断发展的策略。

确保工业系统有效运行的一个关键方面是这些组件之间的无缝通信，但不同的标准和接口往往会阻碍这一点。标准是指定义的通信协议，例如 EtherCAT 和 PROFINET，它们确保设备能够在工业网络中可靠地通信。接口涉及允许集成不同组件的硬件和软件连接，例如编码器接口或通信端口。

定制芯片生产面临着诸多挑战，例如确保不同标准和接口的组件之间能够进行通信。使用多个组件会增加复杂性、成本和错误风险。此外，专业封装的交货时间较长，并且需要在整个供应链中进行精确协调，这进一步增加了生产的复杂性。平衡功率、性能和面积是另一个关键挑战，因为它直接影响成本和功能，需要在每个阶段谨慎决策。

将功能整合到更少的组件中可以降低设计复杂性并最大限度地减少物料清单 (BOM)。通过这样做，制造商可以简化生产流程并减少多组件系统中常见的集成错误的可能性。除了整合功能外，改善组件之间的通信是解决与之相关的挑战的另一种方法。

山崎表示：“简化系统设计就是在功能和成本效益之间找到适当的平衡，确保可靠性不会受到影响。它还通过减少过于复杂的架构带来的障碍，使团队能够更有效地工作。”随着行业继续采用这种方法，重点仍然是保持性能，同时解决成本和可扩展性问题。

这一趋势得到了软件工具和预测试协议日益普及的补充，这些工具和协议有助于更顺利地集成系统组件，例如通用软件平台（图 1）。在这里，灵活的软件包和 Linux 软件包共同为软件可重用性提供了强大的解决方案。它能够在不同的应用程序中调整和重新利用代码或框架，从而减少开发时间和精力。

图 1：瑞萨通用软件平台。（来源：瑞萨）

然而，向更加统一的设计过渡也带来了一系列挑战，尤其是涉及旧系统时。更换或升级现有硬件需要仔细考虑与现有基础设施的兼容性，以确保集成。这通常包括分析通信协议、更新固件和调整旧软件以与现代硬件组件配合使用。

向更统一的设计过渡的主要障碍之一是软件迁移，尤其是从基于硬件的解决方案（如FPGA）迁移到以软件为中心的架构时。例如，将现有的工业以太网协议或多轴电机控制设计调整为单芯片解决方案需要付出巨大努力。灵活软件包和 Linux 软件包等工具既可用于加速迁移过程，又可提供预先测试的解决方案，以最大限度地降低集成错误的风险。

可扩展性是另一个关键因素。设计必须适应潜在的扩展，而无需进行重大改造。面向未来需要预测技术趋势，例如连接标准的进步或不断变化的监管要求，以最大限度地减少频繁更新的需要。

山崎说：“有效的转型就是将当前需求与适应性的战略愿景相结合，确保系统在长期内保持可行和高效。”

时间敏感网络在工厂自动化中的作用

在当今互联的工业环境中，灵活性和互操作性至关重要。系统支持多种工业以太网标准（包括 EtherCAT、PROFINET 和 EtherNet/IP）是一种常见趋势。瑞萨电子提供的 MPU 也兼容时间敏感网络 (TSN)。

Yamazaki 表示：“通过支持 TSN 和多协议工业以太网，RZ/T2H 可确保与各种系统的互操作性。”这使制造商能够集成来自不同供应商的设备，而不会影响性能。TSN 的功能增强了设备之间的同步性，这是工厂自动化等复杂环境中实时操作的关键因素。

“目前，大多数机器人可处理 4 到 8 个轴。借助 RZ/T2H，制造商可以在不增加复杂性的情况下扩展功能，”他表示，并强调该公司的 MPU 可以在单个芯片上控制多达 9 个轴。MPU 的设计采用了专用外设，包括三相 PWM 定时器和编码器接口，使其适用于先进的机器人系统。

图 2：瑞萨电子的集成九轴电机控制。（来源：瑞萨电子）

此功能不仅适用于机器人，还适用于可编程逻辑控制器和运动控制器等应用。对于这些系统，集成应用处理和实时控制可确保序列处理、轨迹生成和精确的电机操作均得到管理。使用统一架构还可以简化调试并提高系统可靠性。

这种集成无需额外的 MPU 或 FPGA，从而大幅降低了 BOM 和相关成本。这简化了系统架构，使制造商能够增强机器人功能，例如提高灵活性或实现复杂的动作，而不会增加设计复杂性。通过集成实时处理和高级外设（如三相 PWM 定时器和编码器接口（瑞萨电子的 RZ/T2H）），可以优化精度和效率。

实现能源效率目标并减少浪费

可持续性已成为工业创新的基石，制造商注重能源效率和资源优化。整个行业都在推动设计消耗更少能源、产生最少废物和具有更长生命周期的系统。

能源效率，尤其是电机控制方面的能源效率，是重点关注的领域。连续运行的工业机器人可受益于精确的控制机制，这种机制可在不影响性能的情况下降低能耗。将多种功能集成到更少的组件中可减少材料使用量并减少对环境的影响。

可持续性的另一个方面是产品寿命。通过确保零部件的长期可用性，制造商可以最大限度地减少重新设计并减少电子垃圾。长期支持计划对于配合工业设备的使用寿命至关重要，因为工业设备的使用寿命通常长达数十年。

山崎说：“可持续性不仅仅关乎效率。它还关乎设计出稳健、适应性强且符合全球环境目标的系统。”

制造商可能会看到模块化设计的增长，以实现更高的定制化和可扩展性。结合 TSN，这些设计将支持跨不同工业系统的实时同步通信。

例如，TSN 将确保与下一代设备的兼容性，从而实现与智能工厂的无缝集成，并满足不断发展的监管和连接标准。未来，工业机器人和控制器将成为面临复杂挑战的关键领域，需要创新的解决方案。