工业DNA助英飞凌在“工业4.0”领跑

2015-07-21 12:03:44来源: EEWORLD作者: 陈颖莹
工业DNA
    现实和数字世界的交汇,改变了我们的生活、工作和生产方式。工业4.0或者说《中国制造2025》就是针对生产方式的,它们是为了推动工业朝着更高自动化程度、更深集成度和大数据分析方向发展。半导体是现实世界与数字世界之间的重要纽带,是确保信息技术安全不可或缺的要素。作为全球领先的半导体公司英飞凌与工业有着深刻的“革命感情”,对于工业4.0也有独到的见解。日前,英飞凌科技股份公司工业与多元化电子市场业务部微控制器业务高级总监Maurizio Skerlj先生,英飞凌工业与多元化电子市场资深经理王亦菁女士在北京向记者介绍了英飞凌对工业4.0的解读以及针对工业应用的最新微控制器。
 

图1 英飞凌科技股份公司工业与多元化电子市场业务部微控制器业务高级总监
Maurizio Skerlj先生
 
    “我们始终专注于现代社会的三大核心需求:高能效、移动性和安全性。英飞凌在所有主要产品细分市场中均名列前茅,2013年在汽车半导体市场排名第二,在功率半导体市场排名第一,在智能卡IC市场排名第二。”Maurizio先生强调,“作为德国最大的半导体公司,英飞凌在工业4.0中扮演着多重角色,不仅是德国工业4.0的创始成员之一,也是践行工业4.0的先锋,并提供适应工业4.0发展需求的半导体产品和解决方案。我们在今年1月收购了国际整流器公司(IR),进一步加强了我们在功率半导体领域的领先优势,而功率产品对于工业也是至关重要的。”
 
    Maurizio先生展示的一张图形象地说明了工业4.0的工厂中,机器之间是如何“对话”的。“即使客户的实时需求有改变,工业4.0工厂中的,生产线也可以根据客户需求进行实时调整。这涉及机器之间的沟通以及更多智能化的联网节点。”Maurizio先生表示,“工业自动化+物联网=工业4.0。智能工厂的特征是灵活、高效地把客户和合作伙伴融合到商业价值的创造中,包括从中央控制向分布式智能转变、大数据分析。”
图2 机器之间的“对话”
 
       那么工业4.0与英飞凌最相关的是什么呢?主要包括以下几个方面:更多联网节点、实时共享数据、系统层面的理解越来越重要;安全(Security),安全对于工业设备的重要性与日俱增,可有效避免商业间谍和网络攻击;安防(Safety),可保证功能性安全,支持多种安全标准,提供安全库函数SafeTlib。
 
       Maurizio Skerlj先生以电梯为例介绍了安全的两个方面:带Security的电梯只允许有相应权限的人乘坐到对应楼层;Safety则是让人安全地乘坐电梯,使电梯正常工作。针对安全有5种常用应用:防伪、基础设施安全、安全软件更新、知识产权保护、保护工艺技术专长。
 
“芯”系工业,“微”控世界
 
    英飞凌XMC家族微控制器适用于工业领域各种应用,包括家用和专业设备、楼宇控制、电力和能源、交通以及工厂自动化。这些应用的核心技术层面体现在电机控制、照明、功率转换、通信。工厂自动化是与工业4.0最相关的行业,如工业传动、泵/风扇、I/O模块、微信PLC。其对连续运行时间、连接性、可靠性和质量、产品生命周期以及功能安全与信息安全都有较高的要求。
 
    英飞凌针对高端工业应用,推出了基于ARM Cortex-M4的XMC4000 MCU。Cortex-M4支持浮点运算,频率最高达144 MHz。XMC4000支持125℃工作温度(一般最高到85℃)和更长技术寿命,可在恶劣环境中实现最强鲁棒性,允许工作时间长达20年@110C,配有极其快速的闪存。其具有事件请求单元(ERU),可实现模拟信号、PWM和传感器接口外设之间的互连;灵活的定时器/ADC和位置接口单元,可实现各种期望的工作特性,并满足应用控制需求;Σ-Δ解调器,集成滤波功能,可实现低成本、尺寸优化的电隔离电流检测;高分辨PWM,150ps分辨率,兼顾数字控制的灵活性及模拟控制的性能。
 
    基于ARM Cortex-M0的XMC1000系列MCU针对低端的工业应用,其最大优势是带有数学协处理器,可将数学计算速度提高至94% ,有助于电机控制中FOC的实现,例如除法、三角运算,速度是M0内核的10倍。在高端FOC中,需要Cortex-M3 MCU才可以处理的,使用英飞凌XMC1000系列就能实现。XMC1400是XMC1000的最新系列,具有48 MHz主频,用于I/O模块。CAN是工厂自动化众多通信总线标准中常用协议之一,使用XMC1400的I/O模块可将传感器、执行器或任何子系统连接至工厂CAN总线通信系统。I/O模块用于具备CAN总线的工厂生产线控制。
 
XMC4800实时控制和工业连接
 
   工业驱动是工业4.0的一个重要应用,该领域的特点是高实时性+增强的互联特性。为此,英飞凌推出了基于Cortex-M4内核的、集成片上EtherCAT节点的全新XMC4800系列MCU。除EtherCAT功能外,其通信功能还包括支持以太网、USB和SD/MMC的接口。XMC4800系列还提供6个CAN节点、6个串行通信通道和一个用于通信的外部总线接口。可以说XMC4800是实时控制和工业连接的完美组合。
XMC4800具有适用于工业驱动优化的外设单元集:针对逆变器控制的PWM单元——捕获比较外设单元(CCU8);快速、灵活的12位ADC ;适用于霍尔传感器、编码器和旋转变压器的接口单元;事件请求单元(ERU)。
 
不停站的火车:EtherCAT
 
    EtherCAT与以太网的区别就是实时性。其有两个端口,一个进一个出。过程数据可以实时提取和实时插入:从机的数据长度几乎无限制,最大60 KB;数据的处理可以在每个循环周期改变,例如用超快周期处理轴控制,用较长周期处理I/O数据的更新;支持异步通信,事件触发通信,如图3所示。Maurizio先生对EtherCAT打了一个很形象的比喻:“就像一列火车,有轨道、车站,乘客可以在每一站上下尺,但是不用停车,保证了传输没有延时,无需等待。这对实时控制的电机十分重要。”
图3 EtherCAT模型
 
    EtherCAT已经推出了一些年,现在EtherCAT的方案普遍为MCU+ASIC或MCU+FPGA。XMC4800将ASIC/FPGA和Flash、25 MHz时钟都集成进来,通过这种高集成度可助客户降低系统成本和尺寸,提高系统可靠性。方案前后对比如图4所示。

(a)传统
EtherCAT的方案


(b) 英飞凌XMC4800方案

 
图4 EtherCAT方案对比
 
    Maurizio先生总结到:“XMC家族MCU可满足工业市场当前及未来的需求,包括实时性能、连接性、安全和安防、可靠性和高质量。”
 
英飞凌XMC微控制器巡回研讨会展示区附图

手持吹风机控制器

电动自行车控制器

有霍尔/无霍尔风机控制器

基于XMC1301的无感方波电调方案

基于XMC1200的控制吸顶灯
 
全数字LLC

2.2kW LEV

无感FOC风机控制方案

关键字:工业4  英飞凌  工业驱动  MCU  XMC4800  实时控制

编辑:chenyy 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/gykz/2015/0721/article_10227.html
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