Система экстренного торможения роботизированного электропривода (SCARA) на основе концепции Model-Based Design

Команда инженеров 3T делится опытом разработки в короткий срок проекта системы экстренного торможения роботизированного электропривода в качестве автоматизированного устройства сборки для нужд полупроводникой промышленности.

«С помощью Simulink и HDL Coder мы смогли устранить ошибки программирования и ошибки, связанные с автоматизированной балансировкой задержки, решить проблемы с конвейерной обработкой и другие утомительные и подверженные ошибкам задачи. В результате мы смогли легко и быстро реализовать изменяющиеся запросы наших клиентов и сократить время вывода продукта на рынок».

— Роланд ван дер Меер, 3T

Робот-манипулятор с избирательным соответствием (SCARA) широко используется в производстве полупроводников, потому что он превосходно выполняет движения в горизонтальной плоскости, где происходит большинство движений при работе с платами. Как и любое высоковольтное оборудование, движущееся с высокой скоростью, роботы SCARA могут нанести значительный ущерб своим собственным компонентам и окружающим машинам в случае их неисправности. Чтобы предотвратить подобное, инженеры 3T разработали систему экстренного торможения для роботов SCARA.

Когда проект начался, команда 3T не знала, можно ли разработать тормозную систему, чтобы моментально останавливать робота и предотвращать столкновение без повреждения самого робота. Инженеры 3T использовали подход модельно-ориентированного проектирования (Model-Based Design) с MATLAB и Simulink для проведения технико-экономического обоснования, определения решения и реализации контроллера системы торможения в реальном времени на ПЛИС.

«Модельно-ориентированное проектирование позволило нам быстро опробовать различные подходы к управлению, чтобы увидеть, что будет работать, а что нет», - говорит Рональд ван дер Меер, системный инженер 3T. «Чтобы свести к минимуму тестирование и отладку оборудования в чистом помещении, мы протестировали и усовершенствовали наше решение с помощью моделирования в Simulink, а затем использовали генерацию кода с помощью HDL Coder, чтобы реализовать его после проверки».

Вызовы

Заказчик 3T, ведущий голландский производитель оборудования для производства полупроводников, предъявлял строгие требования к тормозной системе. Чтобы предотвратить потенциально опасные столкновения, система управления должна остановить робота с точностью до миллиметра менее чем за 0,5 секунды, не причинив вреда роботу. С самого начала ни компания 3T, ни ее заказчик не знали, можно ли разработать тормозную систему, отвечающую этим требованиям.

Тестирование в чистом помещении и работа с реальной машиной или прототипом стоит дорого. Кроме того, проверка тормозной системы на реальном стенде может привести к повреждению дорогостоящего оборудования. По этой причине инженерам 3T потребовалось проверить конструкцию тормозов перед первоначальной реализацией оборудования. Они осознали, что написание кода VHDL вручную, как это было в предыдущих проектах, потребует от них слишком много времени на тестирование и отладку в чистом помещении в конце проекта.

Решение

Инженеры из 3T использовали Model-Based Design с MATLAB, Simulink, и HDL Coder™,  чтобы спроектировать и реализовать контроллер экстренной системы торможения SCARA. В результате команда 3T предоставила заказчику механическую модель робота.

Команда 3T дополнила эту механическую модель двумя дополнительными: базовой моделью контроллера, созданной с помощью Simulink, и моделью электроники, созданной с помощью Simscape Electrical™. Затем они смоделировали полную модель системы и поделились ей и результатами первого моделирования с заказчиком. Этот обмен предоставил заказчику возможность улучшить механическую модель и предложить улучшения для контроллера. Разработчики продолжали улучшать и дорабатывать модель контроллера в Simulink, моделируя десятки сценариев и параметров чувствительности, пока они не подтвердили осуществимость конструкции.

Поскольку большинство FPGA наиболее эффективно работают, используя алгоритмы управления с фиксированной точкой, то группа решила реализовать такое представление числа, используя Fixed-Point Designer™ для расчёта необходимой длины слова и масштабирования. Затем команда заменила модель контроллера с плавающей точкой на версию с фиксированной точкой, используя привязку модели в Simulink, и верифицировала последнюю с помощью моделирования.

Они сгенерировали алгоритмический код VHDL из модели контроллера с фиксированной точкой с помощью HDLCoder. Используя HDL Verifier™, разработчики интегрировали стороннее IP-ядро от поставщика FPGA в свой дизайн и создали тестовый стенд для проверки кода VHDL с помощью Mentor Graphics ModelSim. После испытаний оборудования команда доработала модель, провела дополнительное моделирование для проверки модификаций и восстановила код VHDL для финальной версии системы, которую заказчик сейчас использует в производстве.

Инженеры 3T в настоящее время завершают аналогичные проекты, используя модельно-ориентированное проектирование с MINT, на новой многоинтерфейсной плате для разработки SoC, быстрого создания прототипов и тестирования аппаратного обеспечения.

Результаты

• Нахождение в чистых комнатах сократилось с недель до дней. «С помощью модельно-ориентированного проектирования мы проверили большую часть наших наработок на ранних этапах разработки, а затем сгенерировали бездефектный VHDL код. В результате вместо недель нам понадобилось всего несколько дней в чистом помещении. Тормозная система нуждалась лишь в незначительных доработках, потому что при первом тестировании она была практически идеальной».
• Поздние изменения — быстрое внедрение. «Во время финальных испытаний возникло новое требование, ограничивающее максимальное замедление. В Simulink мы нашли способ удовлетворить это требование с помощью широтно-импульсной модуляции. Simulink и HDL Code дали нам возможность реализовать решение в считанные дни и предотвратить провал проекта».
• Устранение сложных ошибок за один день. «Мы столкнулись с одной неприятной ошибкой в логике проектирования, на выявление и исправление которой легко могли потребоваться недели, если не месяцы. Мы быстро диагностировали проблему, анализируя зарегистрированные данные в MATLAB и воспроизводя эти данные в симуляциях Simulink. Мы внесли исправление в модель, регенерировали VHDL и на следующий день подготовили обновленную версию», - говорит ван дер Меер.