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3T - 모델 기반 설계를 사용한 로봇 긴급 제동 시스템 개발 사례
"Simulink 및 HDL Coder로 저희는 프로그래밍 오류를 제거했고 지연 조절, 파이프라이닝, 기타 지루하고 실수가 빈번히 발생하는 작업들을 자동화했습니다. 그 결과 우리는 고객의 변경 요청을 쉽고 빠르게 구현하고 출시 시간을 단축할 수 있었습니다."
과제
최소한의 하드웨어 테스트로 로봇 비상 제동 시스템 설계 및 구현
솔루션
Simulink 및 HDL Coder와 함께 모델 기반 설계를 사용하여 제어기 모델링, 검증, 구현
결과
- 클린룸 시간을 몇 주에서 며칠로 단축
- 프로젝트 후반부 요구사항 변경의 신속한 구현
- 하루 만에 해결된 복잡한 버그
SCARA 로봇.
SCARA(선택적 규정 준수 조립 로봇 암) 어셈블리는 대부분의 웨이퍼 처리 동작이 이루어지는 수평면에서 동작을 수행하는 데 탁월하기 때문에 반도체 제조에 널리 사용됩니다. 고속으로 움직이는 다른 고전압 기계와 마찬가지로 SCARA 로봇도 오작동할 경우 자체 컴포넌트와 주변 기계에 심각한 손상을 줄 수 있습니다. 이러한 상황을 방지하기 위해 3T의 엔지니어는 SCARA 로봇용 비상 제동 시스템을 설계했습니다.
프로젝트가 시작되었을 때 3T 팀은 로봇 자체에 손상을 주지 않고 충돌을 방지하기 위해 로봇을 적시에 멈추도록 제동 시스템을 설계할 수 있는지 여부를 알지 못했습니다. 3T 엔지니어는 MATLAB® 및 Simulink®를 사용한 모델 기반 설계로 타당성 조사를 수행하고, 솔루션을 식별하고, FPGA에 실시간 제동 시스템 제어기를 구현했습니다.
3T의 시스템 엔지니어인 Ronald van der Meer는 "모델 기반 설계를 통해 우리는 다양한 제어 접근 방식을 빠르게 시도하여 무엇이 작동하고 무엇이 작동하지 않는지 확인할 수 있었습니다"라고 말합니다. "클린룸에서 하드웨어 테스트와 디버그를 최소화하기 위해 우리는 Simulink의 시뮬레이션을 통해 솔루션을 테스트하고 개선한 다음 HDL Coder로 코드를 생성하고 검증된 후 구현했습니다."
과제
네덜란드의 대표적인 반도체 제조 장비 생산업체인 3T의 고객은 제동 시스템에 대한 엄격한 요구 사항을 갖고 있었습니다. 잠재적으로 치명적인 충돌을 방지하기 위해 제어 시스템은 로봇에 손상을 주지 않고 0.5초 이내에 밀리미터 단위의 정확도로 로봇을 정지시켜야 합니다. 처음에는 3T나 고객 모두 이러한 요구 사항을 충족하는 제동 시스템을 설계하는 것이 가능한지 알지 못했습니다.
클린룸에서 테스트하고 실제 기계나 프로토타입으로 작업하는 데는 비용이 많이 듭니다. 또한 실제 하드웨어에서 제동 시스템을 테스트하면 값비싼 장비가 손상될 수 있습니다. 이러한 이유로 3T 엔지니어는 초기 하드웨어 구현 전에 제동 설계를 검증해야 했습니다. 그들은 이전 프로젝트처럼 VHDL® 코드를 수작업으로 작성하려면 프로젝트 후반부에 클린룸에서 테스트와 디버그하는 데 너무 많은 시간을 소비해야 했습니다.
솔루션
3T는 MATLAB, Simulink, HDL Coder™를 사용한 모델 기반 설계로 SCARA 비상 제동 시스템 제어기를 설계하고 구현했습니다.
반도체 제조업체는 Simulink에서 생성된 로봇의 기계 모델을 3T 엔지니어링 팀에 제공했습니다.
3T 팀은 이 기계 모델을 두 개의 추가 모델, 즉 Simulink로 생성된 기본 제어기 모델과 Simscape Electrical™로 생성된 전자 장치 모델로 보완했습니다. 그런 다음 전체 시스템 모델을 시뮬레이션하고 해당 모델과 초기 시뮬레이션 결과를 고객과 공유했습니다. 이번 교환을 통해 고객은 기계 모델을 개선하고 제어기 개선 사항을 제안할 수 있는 기회를 얻었습니다.
3T 팀은 설계의 타당성을 확인할 때까지 Simulink에서 제어기 모델을 계속해서 개선하여 수십 가지 시나리오와 파라미터 민감도를 시뮬레이션했습니다.
대부분의 FPGA는 제어 알고리즘의 고정소수점 구현을 사용할 때 가장 효율적으로 작동하기 때문에 팀은 워드 길이와 스케일링에 대한 결정을 내리기 위한 제어기 모델의 고정 소수점 표현을 Fixed-Point Designer™로 개발했습니다.
그런 다음 팀은 Simulink의 모델 참조를 사용하여 시스템 모델의 부동 소수점 제어기 모델을 고정 소수점 모델로 교체하고 시뮬레이션을 통해 고정 소수점 구현을 검증했습니다.
그들은 HDL Coder 사용하여 고정 소수점 제어기 모델에서 알고리즘의 VHDL 코드를 생성했습니다.
HDL Verifier™를 사용하여 FPGA 공급업체의 타사 IP 코어를 설계에 통합하고 Mentor Graphics® ModelSim®을 사용하여 VHDL 코드 검증을 위한 테스트 벤치를 생성했습니다.
초기 하드웨어 테스트에 이어 팀은 모델을 개선하고 추가 시뮬레이션을 실행하여 수정 사항을 테스트했으며 고객이 현재 생산 과정에 사용하고 있는 최종 제동 시스템을 위한 VHDL 코드를 다시 생성했습니다.
3T 엔지니어들은 신속 프로토타이핑과 HIL(Hardware-in-the-Loop) 테스트를 위해 회사의 새로운 SoC 다중 인터페이스 개발 보드인 MINT를 사용한 모델 기반 설계로 유사한 프로젝트를 완료하고 있습니다.
결과
- 클린룸 시간을 몇 주에서 며칠로 단축 van der Meer는 "모델 기반 설계를 통해 우리는 개발 초기에 설계의 상당 부분을 검증한 후 결함 없는 VHDL을 생성했습니다."라고 말합니다. "결과적으로 클린룸에서 몇 주가 아니라 며칠만 있으면 됩니다. 제동 시스템은 처음 테스트했을 때 거의 정확했기 때문에 약간의 조정만 필요했습니다."
- 프로젝트 후반부 요구사항 변경의 신속한 구현 van der Meer는 "최종 테스트 중에 최대 감속을 제한하는 새로운 요구 사항이 발생했습니다."라고 말했습니다. "Simulink에서 우리는 펄스 폭 변조를 사용하여 이러한 요구 사항을 해결하는 방법을 찾았습니다. Simulink와 HDL Coder를 통해 우리는 며칠 만에 솔루션을 구현하고 프로젝트가 실패로 향하는 것을 방지할 수 있었습니다."
- 하루 만에 해결된 복잡한 버그 van der Meer는 "우리는 식별하고 수정하는 데 몇 달은 아니더라도 몇 주가 걸릴 수 있는 불쾌한 디자인 로직 버그 하나를 발견했습니다.”라고 말합니다. “우리는 MATLAB에서 기록된 데이터를 분석하고 이 데이터를 Simulink 시뮬레이션으로 재생하여 문제를 신속하게 진단했습니다. 우리는 모델에 수정 사항을 구현하고 VHDL을 다시 생성했으며 다음 날 업데이트된 버전을 준비했습니다.”
