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3T entwickelt Roboter-Notbremssysteme mittels Model-Based Design
„Mit Simulink und HDL Coder beseitigten wir Programmierfehler und automatisierten den Verzögerungsabgleich, die Parallelverarbeitung sowie andere langwierige und fehleranfällige Aufgaben. Dadurch konnten wir Änderungswünsche unserer Kunden einfach und schnell umsetzen und die Markteinführungszeit verkürzen.“
Die Herausforderung
Entwerfen und implementieren Sie ein Roboter-Notbremssystem mit minimalen Hardwaretests
Die Lösung
Verwenden Sie Model-Based Design mit Simulink und HDL Coder, um den Controller zu modellieren, zu überprüfen und zu implementieren
Die Ergebnisse
- Reinraumzeit von Wochen auf Tage reduziert
- Kurzfristige Anforderungsänderungen zügig umgesetzt
- Komplexer Fehler an einem Tag behoben
Ein SCARA-Roboter.
SCARA-Baugruppen (Selective Compliance Assembly Robot Arm) werden häufig in der Halbleiterfertigung eingesetzt, da sie sich hervorragend für Bewegungen in der horizontalen Ebene eignen, wo die meisten Bewegungen bei der Handhabung der Wafer stattfinden. Wie jede Hochspannungsmaschine, die sich mit hoher Geschwindigkeit bewegt, können SCARA-Roboter im Falle einer Fehlfunktion erhebliche Schäden an ihren eigenen Komponenten und an den umliegenden Maschinen verursachen. Um solche Vorfälle zu verhindern, haben die Ingenieure von 3T ein Notbremssystem für SCARA-Roboter entwickelt.
Als das Projekt begann, wusste das Team bei 3T nicht, ob ein Bremssystem entwickelt werden könnte, das den Roboter rechtzeitig stoppt und so eine Kollision verhindert, ohne den Roboter selbst zu beschädigen. Die 3T-Ingenieure verwendeten Model-Based Design mit MATLAB® und Simulink® um eine Machbarkeitsstudie durchzuführen, eine Lösung zu finden und einen Echtzeit-Bremssystem-Regler auf einem FPGA zu implementieren.
„Model-Based Design hat es uns ermöglicht, schnell verschiedene Steuerungsansätze auszuprobieren, um zu sehen, was funktioniert und was nicht“, sagt Ronald van der Meer, Systemingenieur bei 3T. „Um den Aufwand für Hardwaretests und Debugging im Reinraum zu minimieren, haben wir unsere Lösung per Simulation in Simulink getestet und verfeinert und sie nach der Verifizierung anschließend mithilfe der Codegenerierung mit HDL Coder implementiert.“
Die Herausforderung
Der Kunde von 3T, ein führender niederländischer Hersteller von Geräten zur Halbleiterfertigung, hatte strenge Anforderungen an das Bremssystem. Um potenziell verheerende Kollisionen zu verhindern, müsste das Steuerungssystem den Roboter in weniger als 0,5 Sekunden millimetergenau stoppen, ohne dabei Schaden zu nehmen. Weder 3T noch sein Kunde wussten zunächst, ob es möglich wäre, ein Bremssystem zu konstruieren, das diese Anforderungen erfüllt.
Das Testen im Reinraum und das Arbeiten mit einer echten Maschine oder einem Prototyp ist teuer. Darüber hinaus könnte das Testen des Bremssystems auf echter Hardware die teure Ausrüstung beschädigen. Aus diesem Grund mussten die Ingenieure von 3T das Bremsendesign vor der ersten Hardwareimplementierung überprüfen. Sie erkannten, dass das Schreiben von VHDL®-Code von Hand schreiben würden, wie sie es in früheren Projekten getan hatten, würden sie gegen Ende des Projekts zu viel Zeit mit Testen und Debuggen im Reinraum verbringen müssen.
Die Lösung
3T verwendete Model-Based Design mit MATLAB, Simulink und HDL Coder™, um den Controller für das SCARA-Notbremssystem zu entwerfen und zu implementieren.
Der Halbleiterhersteller stellte dem 3T-Ingenieurteam ein in Simulink erstelltes mechanisches Modell des Roboters zur Verfügung.
Das 3T-Team ergänzte dieses mechanische Modell um zwei weitere Modelle: ein grundlegendes Regler-Modell, das mit Simulink erstellt wurde, und ein Modell der Elektronik, das mit Simscape Electrical™ erstellt wurde. Anschließend simulierten sie das vollständige Systemmodell und gaben das Modell sowie die ersten Simulationsergebnisse an den Kunden weiter. Dieser Austausch bot dem Kunden die Gelegenheit, das mechanische Modell zu verbessern und Verbesserungen für den Controller vorzuschlagen.
Das 3T-Team verbesserte und verfeinerte das Controller-Modell in Simulink weiter und simulierte Dutzende von Szenarien und Parameterempfindlichkeiten, bis die Machbarkeit des Designs bestätigt war.
Da die meisten FPGAs mit Festkomma-Implementierungen der Steuerungsalgorithmen am effizientesten arbeiten, entwickelte das Team eine Festkommadarstellung ihres Reglermodells und verwendete dabei Fixed-Point Designer™ als Entscheidungshilfe für Wortlängen und Skalierung.
Anschließend ersetzte das Team das Gleitkomma-Reglermodell im Systemmodell mithilfe der Modellreferenzierung in Simulink durch die Festkommaversion und verifizierte die Festkommaimplementierung mithilfe einer Simulation.
Sie generierten mit HDL Coder algorithmischen VHDL-Code aus dem Festkomma-Reglermodell.
Mithilfe von HDL Verifier™ integrierten sie einen IP-Core eines Drittanbieters vom FPGA-Anbieter in ihr Design und erstellten eine Testumgebung zur Verifizierung des VHDL-Codes mit Mentor Graphics® ModellSim®.
Nach ersten Hardwaretests verfeinerte das Team das Modell, führte zusätzliche Simulationen durch, um die Modifikationen zu testen, und generierte neuen VHDL-Code für das endgültige Bremssystem, das der Kunde jetzt in der Produktion einsetzt.
Die Ingenieure von 3T führen derzeit ähnliche Projekte mithilfe von Model-Based Design mit MINT durch, der neuen SoC-Multischnittstellen-Entwicklungsplatine des Unternehmens, für Rapid Prototyping und Hardware-in-the-Loop-Tests.
Die Ergebnisse
- Die Zeit im Reinraum wurde von Wochen auf Tage reduziert. „Mit Model-Based Design haben wir einen Großteil unseres Designs schon in der Frühphase der Entwicklung überprüft und dann fehlerfreies VHDL generiert“, sagt van der Meer. „Dadurch benötigten wir statt Wochen nur wenige Tage im Reinraum. Am Bremssystem waren nur geringfügige Anpassungen nötig, da es schon beim ersten Test nahezu perfekt funktionierte.“
- Kurzfristige Anforderungsänderungen werden schnell umgesetzt. „Bei den abschließenden Tests ergab sich eine neue Anforderung, die die maximale Verzögerung begrenzte“, sagt van der Meer. „In Simulink haben wir einen Weg gefunden, diese Anforderung mithilfe der Pulsweitenmodulation zu erfüllen. Mit Simulink und HDL Coder konnten wir innerhalb weniger Tage eine Lösung implementieren und das Scheitern des Projekts verhindern.“
- Komplexer Fehler an einem Tag behoben. „Wir sind auf einen schwerwiegenden Fehler in der Designlogik gestoßen, dessen Identifizierung und Behebung leicht Wochen oder sogar Monate hätte dauern können“, sagt van der Meer. „Wir haben das Problem schnell diagnostiziert, indem wir protokollierte Daten in MATLAB analysiert und diese Daten in Simulink-Simulationen wiedergegeben haben. Wir haben einen Fix im Modell implementiert, das VHDL neu generiert und hatten am nächsten Tag eine aktualisierte Version bereit.“
