在数字时代的今天,创新无处不在,已经成为驱动企业高速发展的核动力。在工业领域,随着各种精密电机的大量采用,全球工业的生产效率大大提升。与此同时,大量电机的采用也消耗了大量的能源,如何利用更高计算性能的Soc来提高电机的利用效率,更好的控制电机的运转,降低电机能耗,成为摆在他们面前的主要挑战。
AMD 工业、视觉、医疗与科学高级总监Chetan Khona在近期接受记者采访时表示,电机消耗了全球工业能源总用量的70%。目前,工业电机也变得更加精密复杂,提供各种速度能力,并且越来越多采用新材料设计,这就需要全新地电机驱动系统来控制这些电机,使其扭矩、速度以及应变速达到最大,使能耗降到最低。
Chetan Khona,AMD工业、视觉、医疗与科学高级总监
为此,AMD 于近日正式推出了Kria K24 SOM 和 KD240 驱动器入门套件,为电机控制和数字信号处理应用设计高能效量产就绪型解决方案,以此来帮助企业降低电机能耗,提高工作效率。
解决电机能耗问题迫在眉睫
电机无处不在,从公共交通到工业商业发电系统,从工厂自动化到仓储中使用的机器人,再到各种医疗设备,甚至农业的空中系统中,都大量使用了电机。
众所周知,电机驱动系统由驱动器、供电部分、电机本身三部分组成,随着电机的大量使用,如何提高电机的效率,对电机驱动系统提出了更高的要求。有专家预测,利用更好的驱动系统提高电机的使用效率,能够使能耗降低15%到40%。根据国际能源署《2022 年能源效率》报告显示,全球工业总用电量中约 70% 与电机和电机驱动系统相关。因此,即使驱动系统效率提升 1%,也会对运营开销和环境产生显著的积极影响。为此,如果能够提升复杂电机的控制系统,对于全球电机用电量会产生非常大的影响。
Chetan Khona表示,在电机的控制系统中,采用MCU的确可以很好的控制电机。但是,在工业物联网时代下,除了能够很好的控制电机之外,还要顾及功能安全、网络安全、人工智能、预测性维护等等。因此,MCU已经不是最好的方案了。
除此之外,一个单轴电机可以用非常简单的技术解决相关问题。但是在工业互联网时代,经常有多项任务需要同时进行,而且电机控制系统也需要处理更多的轴,这就需要具备更强计算效率的产品。
由于Kria K24 SOM能够把单芯片或者两个芯片整合成一个,这就大大降低了能耗和成本。Chetan Khona表示,通过K24 SOM实现的整合可以在整个系统层面上大大的降低功耗和成本。
构建高能效DSP解决方案
此次AMD推出的全新Kria K24 SOM产品采用了Zynq UltraScale+自适应SoC的设计,尺寸仅有信用卡的一半大小,支持最新版本 22.04 Ubuntu OS。用户能够使用Kria K24 SOM产品降低能源消耗、增加扭矩,并进行预测性维护和OTA、降低噪音和震动,以及提升电机的生命周期。除此之外,Kria K24 SOM还能够支持新用户使用非自适应计算工具,比如Python和MATLAB Simulink等进行开发,以此来满足更多场景需求。
Chetan Khona表示,K24 SOM能够实现混合关键性,让用户非常简单地控制不同任务之间的优先级。与此同时,K24 SOM通过使用MPSoC来确保功能安全性,提升网络安全。除此之外,K24 SOM还内置了HMI,可编程的I/O结构能够与任何传感器进行连接,包括环境、方向、视觉和其它传感器。最后,K24 SOM还能够支持工业互联网从 EtherCAT到TSN。
K24 SOM能够支持在业界比较普遍的40多种工业互联网标准。Chetan Khona强调,K24 SOM是一个基于ARM处理系统的可编程逻辑器件,所以它也有很多特定性能。据介绍,K24 SOM能够支持多种不同类型的电机,其中最受欢迎的是无刷直流电机。
谈到如何通过控制算法和控制流程的优化来实现电机功耗的节省,Chetan Khona表示,如果要实现最佳的功效,单单是去控制电机的算法是不够的,尤其是对于现代的电机,更多的还是需要去提升它的电子电力器件材料,比如说采用碳化硅,还有氮化镓等等,这是第一步。
另外,要来改善功耗,电子电力器件的颗粒度控制和速度也是至关重要,通过这样的方式能够提升比如说电源的响应,还有能源消耗的情况。AMD通过K24 SOM这样的技术,也能够解决这方面的问题。
最后,AMD在电机控制方面正在建立自己的电机实验室,并和行业的伙伴一起开发生态系统,通过这样的方式,更好地提供电机控制素材,同时让生态系统更加完整。
多样化产品满足不同用户需求
在本次沟通会上,Chetan Khona不仅向记者展示了K24 SOM产品,还着重介绍了面向不同用户的套件,以此来让用户能够更好、更快地使用K24 SOM。
据介绍,K24 SOM 具备定制打造的 Zynq™ UltraScale+™ MPSoC 器件,配套的 KD240 入门套件是一款价格低于 400 美元的、基于FPGA 的电机控制套件。与其它基于处理器的控制套件相比,KD240 支持开发人员在设计周期中更为成熟的节点入手,使入门级开发人员能够轻松使用。
K24 SOM 满足用于工业环境的资格,其所支持的设计流程比此前任何一代产品都要多。其中包括 Matlab Simulink 等常见的设计工具与 Python 等语言,以及其对 PYNQ 框架广泛的生态系统支持。此外,它还支持 Ubuntu 和 Docker。软件开发人员也可在使用 AMD Vitis™ 电机控制库的同时,保持对传统开发流程的支持。
除了K24 SOM之外,AMD还推出了不同的K24 SOM套件。通过推出 KD240 入门套件,AMD 现在率先提供预构建的电机控制应用,使用户能够创建可靠、可用且具有高级安全功能的高能效工业解决方案。 Chetan Khona表示,Kria SOM的一个非常重要的价值定位的组成就是应用商店(App Store),从KV260诞生开始,到后来的KR260,KD240,预计今年年底会有25个应用在应用商店里推出。
Chetan Khona强调,KD240 由可选的电机配件包( MACCP )提供支持,未来还将提供可单独购买的附加电机套件,为开发人员带来强化的加速体验。
据了解,Kria SOM 使开发人员能够跳过围绕所选芯片器件的大量设计工作,而专注于提供差异化增值功能。连接器兼容性支持在 K24 SOM 和 K26 SOM 之间轻松迁移,无需更换板卡,令系统架构师能够平衡高能效系统的功耗、性能、尺寸和成本。
据悉,AMD K24 SOM 目前提供商业和工业两种版本,专为 10 年工业生命周期而打造。除了支持扩展的温度范围,工业级 SOM 还包括用于高可靠性系统的具有 ECC 保护的 LPDDR4 内存。