【導(dǎo)讀】實(shí)時(shí)確定性以太網(wǎng)協(xié)議（例如EtherCAT）已經(jīng)能夠支持多軸運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的同步運(yùn)行。1 該同步包含兩方面含義。首先，各個(gè)控制節(jié)點(diǎn)之間的命令和指令的傳遞必須與一個(gè)公共時(shí)鐘同步；其次，控制算法和反饋函數(shù)的執(zhí)行必須與同一個(gè)時(shí)鐘同步。第一種同步很好理解，它是網(wǎng)絡(luò)控制器的固有部分。然而，第二種同步到目前為止一直為人所忽視，如今成為運(yùn)動(dòng)控制性能的瓶頸。
本文介紹從網(wǎng)絡(luò)控制器到電機(jī)終端和傳感器全程保持電機(jī)驅(qū)動(dòng)同步的新概念。所提出的技術(shù)能夠大幅改善同步，從而顯著提高控制性能。
問題陳述和現(xiàn)有技術(shù)
為了解釋現(xiàn)有解決方案的局限性，考慮一個(gè)兩軸網(wǎng)絡(luò)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，如圖1所示。運(yùn)動(dòng)控制主機(jī)通過實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)向兩個(gè)伺服控制器發(fā)送命令和指令值，每個(gè)伺服控制器構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)上的一個(gè)從機(jī)節(jié)點(diǎn)。伺服控制器本身由網(wǎng)絡(luò)控制器、電機(jī)控制器、功率逆變器和電機(jī)/編碼器組成。
實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議采用不同的方法使從機(jī)節(jié)點(diǎn)與主機(jī)同步，一種常用方法是在每個(gè)節(jié)點(diǎn)處配置一個(gè)本地同步時(shí)鐘。這種對時(shí)間的共識確保了所有伺服軸的指令值和命令均緊密同步。換言之，實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)上的所有網(wǎng)絡(luò)控制器都保持同步。
通常，在網(wǎng)絡(luò)控制器和電機(jī)控制器之間有兩條中斷線。第一條通知電機(jī)控制器何時(shí)需要收集輸入并將其放到網(wǎng)絡(luò)上。第二條通知電機(jī)控制器何時(shí)從網(wǎng)絡(luò)中讀取數(shù)據(jù)。遵照這種方法，運(yùn)動(dòng)控制器和電機(jī)控制器之間以同步方式進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，并且可以實(shí)現(xiàn)非常高的定時(shí)精度。但是，僅將同步數(shù)據(jù)傳送到電機(jī)控制器還不夠；電機(jī)控制器還必須能以同步方式響應(yīng)數(shù)據(jù)。如果沒有這一能力，電機(jī)控制器就無法充分利用網(wǎng)絡(luò)的定時(shí)精度。在響應(yīng)指令值和命令時(shí)，電機(jī)控制器的I/O會(huì)出現(xiàn)問題。
電機(jī)控制器中的每個(gè)I/O（例如脈寬調(diào)制(PWM)定時(shí)器和ADC）都具有固有的延遲和時(shí)間量化。例如，我們來看圖2所示的為功率逆變器產(chǎn)生柵極驅(qū)動(dòng)信號的PWM定時(shí)器。該定時(shí)器通過比較指令值Mx與上下計(jì)數(shù)器來產(chǎn)生柵極信號。當(dāng)控制算法改變Mx時(shí)，新的占空比要到下一個(gè)PWM周期才會(huì)生效。這相當(dāng)于一個(gè)零階保持效應(yīng)，意味著每個(gè)PWM周期T內(nèi)占空比僅更新一次或兩次（若使用雙更新模式）。
圖1.典型的兩軸網(wǎng)絡(luò)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)。
圖2.PWM定時(shí)器的占空比更新。
在實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)上，無論數(shù)據(jù)交換如何緊密地同步，PWM定時(shí)器的時(shí)間量化將最終成為軸同步的決定性因素。當(dāng)接收到新的指令值時(shí)，無法在新的占空比生效之前對其進(jìn)行響應(yīng)。這導(dǎo)致時(shí)間不確定性最長可達(dá)一個(gè)PWM周期（通常在50 μs至100 μs范圍內(nèi)）。實(shí)際上，網(wǎng)絡(luò)同步周期和PWM周期之間將存在一個(gè)未經(jīng)定義且可變的相位關(guān)系。將其與實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)上低于1 μs的時(shí)間不確定性相比較，很顯然，電機(jī)控制器的I/O在網(wǎng)絡(luò)同步運(yùn)動(dòng)控制中起到更至關(guān)重要的作用。實(shí)際上，決定同步精度的不是實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)，而是系統(tǒng)I/O。
再次參考圖1，該系統(tǒng)具有A、B、C三個(gè)同步域，它們沒有綁定在一起。它們實(shí)際上并不同步，具有最長可達(dá)一個(gè)PWM周期的可變不確定性。
同步不確定性及應(yīng)用影響
在面向機(jī)器人和機(jī)床等應(yīng)用的高性能多軸伺服系統(tǒng)中，可以清楚地看到時(shí)間不確定性的影響。在I/O級的電機(jī)控制軸之間的時(shí)間偏移量變化會(huì)對機(jī)器人或機(jī)床的最終三維定位精度產(chǎn)生直接且顯著的影響。
考慮一個(gè)簡單的運(yùn)動(dòng)曲線，如圖3所示。在此示例中，電機(jī)速度指令值（藍(lán)色曲線）上升后再下降。如果斜坡速率在機(jī)電系統(tǒng)的能力范圍內(nèi)，則實(shí)際速度預(yù)期值將遵循指令值。但是，如果在系統(tǒng)中任何位置存在延遲，則實(shí)際速度（紅色曲線）將滯后于指令值，從而導(dǎo)致位置誤差Δθ。
圖3.時(shí)序延遲對位置精度的影響。
在多軸機(jī)器中，根據(jù)機(jī)器的機(jī)械結(jié)構(gòu)將目標(biāo)位置(x, y, z)轉(zhuǎn)換為角度軸向描述(θ1, ..., θn)。角度軸向描述為每個(gè)軸定義了一系列相等時(shí)間間隔的位置/速度命令。軸之間的任何時(shí)序差異都會(huì)導(dǎo)致機(jī)器的精度降低。考慮圖4所示的兩軸示例。機(jī)器的目標(biāo)路徑以一組(x, y)坐標(biāo)來描述。延遲使y軸命令產(chǎn)生時(shí)序誤差，最終導(dǎo)致不規(guī)則的實(shí)際路徑。
在某些情況下，通過適當(dāng)?shù)难a(bǔ)償可以最大程度地降低固定延遲的影響。然而，更關(guān)鍵的是無法對可變且未知的延遲進(jìn)行補(bǔ)償。此外，可變延遲會(huì)導(dǎo)致控制環(huán)路增益發(fā)生改變，從而使調(diào)整環(huán)路以獲得最佳性能變得很困難。
應(yīng)該注意的是，系統(tǒng)中任何地方的延遲都會(huì)導(dǎo)致機(jī)器精度不準(zhǔn)確。因此，盡可能減小或消除延遲才能提高生產(chǎn)率和最終產(chǎn)品質(zhì)量。
圖4.時(shí)序延遲對位置精度的影響。
同步和新型控制拓?fù)?/div>
傳統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)控制方法如圖5的上半部分所示。運(yùn)動(dòng)控制器（通常為PLC）通過實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)將位置指令(θ*)發(fā)送到電機(jī)控制器。電機(jī)控制器由三個(gè)級聯(lián)的反饋環(huán)路組成，包括控制轉(zhuǎn)矩/電流(T/i)的內(nèi)部環(huán)路、控制速度(ω)的中間環(huán)路和另一個(gè)控制位置(θ)的環(huán)路。轉(zhuǎn)矩環(huán)路的帶寬最高，位置環(huán)路的帶寬最低。來自工廠的反饋保持在電機(jī)控制器本地，并與控制算法和脈寬調(diào)制器緊密同步。
采用這種系統(tǒng)拓?fù)洌\(yùn)動(dòng)控制器和電機(jī)控制器之間通過位置指令值來實(shí)現(xiàn)軸的同步，但是在CNC加工等極高精度應(yīng)用中，與電機(jī)控制器的I/O（反饋和PWM）同步的相關(guān)性只會(huì)使之成為問題。位置環(huán)路通常具有相當(dāng)?shù)偷膸挘虼藢/O同步較為不敏感。這意味著即使網(wǎng)絡(luò)與I/O位于不同的同步域中，指令級的節(jié)點(diǎn)同步性能通常也能接受。
雖然圖5上半部分所示的控制拓?fù)浜艹Ｒ姡部梢允褂闷渌目刂品謪^(qū)方法，例如在運(yùn)動(dòng)控制器側(cè)實(shí)現(xiàn)位置和/或速度環(huán)路，并通過網(wǎng)絡(luò)傳送速度/轉(zhuǎn)矩指令值。工業(yè)領(lǐng)域近期趨于轉(zhuǎn)向一種新的分區(qū)方法，即所有的控制環(huán)路都由電機(jī)控制器轉(zhuǎn)移至網(wǎng)絡(luò)主機(jī)側(cè)功能強(qiáng)大的運(yùn)動(dòng)控制器（見圖5的下半部分所示）。在實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)上交換的數(shù)據(jù)是電機(jī)控制器的電壓指令(v*)和運(yùn)動(dòng)控制器的工廠反饋(i, ω, θ)。這種控制拓?fù)溆晒δ軓?qiáng)大的多核PLC和實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)，具有諸多優(yōu)勢。首先，該架構(gòu)具有很高的可擴(kuò)展性。還可以輕松地添加/移除軸，無需擔(dān)心電機(jī)控制器的處理能力。其次，由于軌跡規(guī)劃和運(yùn)動(dòng)控制都在同一個(gè)中心位置完成，因此可以提高精度。
新的控制拓?fù)湟灿腥秉c(diǎn)。在電機(jī)控制器中去除了控制算法，因此損失了代碼執(zhí)行和I/O的緊密同步。控制環(huán)路的帶寬越高，損失I/O同步的問題就越大。轉(zhuǎn)矩/電流環(huán)路對同步特別敏感。
圖5.傳統(tǒng)（上圖）和新興（下圖）的運(yùn)動(dòng)控制拓?fù)洹?br />
圖6.I/O調(diào)度器將同步域綁定在一起。
建議的解決方案
將更快速的控制環(huán)路移至運(yùn)動(dòng)控制器提出了從網(wǎng)絡(luò)主機(jī)直到電機(jī)終端全程同步的要求。
總體思路是使所有軸的I/O與網(wǎng)絡(luò)同步，以使它們?nèi)荚谝粋€(gè)同步域中運(yùn)行。圖6顯示了一個(gè)位于網(wǎng)絡(luò)控制器和電機(jī)控制器之間的I/O事件調(diào)度器。I/O事件調(diào)度器的主要功能是為所有外設(shè)生成同步/復(fù)位脈沖，使它們與網(wǎng)絡(luò)流量保持同步。I/O事件調(diào)度器獲取幀同步信號，該信號來源于網(wǎng)絡(luò)控制器的本地時(shí)鐘，并為必須與網(wǎng)絡(luò)保持同步的所有I/O輸出適當(dāng)?shù)挠布|發(fā)信號。
每個(gè)I/O都有自己的一組時(shí)序/復(fù)位要求，這意味著I/O事件調(diào)度器必須為每個(gè)I/O提供定制的觸發(fā)信號。雖然觸發(fā)信號的要求不同，但它們?nèi)該碛幸恍┩ㄓ梅▌t。首先，所有觸發(fā)信號必須以幀同步為基準(zhǔn)。其次，存在與每個(gè)觸發(fā)信號相關(guān)聯(lián)的延遲/偏移。該延遲與I/O的固有延遲有關(guān)，例如，ADC的轉(zhuǎn)換時(shí)間或sinc濾波器的群延遲。第三，存在I/O響應(yīng)時(shí)間，例如，來自ADC的數(shù)據(jù)傳輸。I/O事件調(diào)度器掌握每個(gè)I/O的時(shí)序要求，并根據(jù)本地時(shí)鐘連續(xù)調(diào)整觸發(fā)/復(fù)位脈沖。生成I/O事件調(diào)度器每個(gè)輸出脈沖的原理概述如圖7所示。
圖7.I/O調(diào)度器生成觸發(fā)脈沖。
在大多數(shù)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)中，幀速率以及幀同步速率等于或低于電機(jī)控制器的PWM更新速率。這意味著I/O事件調(diào)度器必須每幀周期提供至少一個(gè)、也可能是多個(gè)觸發(fā)脈沖。例如，如果幀速率為10 kHz且PWM速率為10 kHz，則I/O事件調(diào)度器必須為每一個(gè)網(wǎng)絡(luò)幀提供1個(gè)觸發(fā)脈沖，類似地，如果幀速率為1 kHz且PWM速率為10 kHz，I/O事件調(diào)度器必須為每一個(gè)網(wǎng)絡(luò)幀提供10個(gè)觸發(fā)脈沖。這相當(dāng)于圖7中的倍頻器。對每個(gè)同步脈沖施加延遲時(shí)間tD，以補(bǔ)償每個(gè)I/O的固有延遲。I/O事件調(diào)度器的最后一個(gè)要素是智能濾波功能。每個(gè)網(wǎng)絡(luò)上都會(huì)存在一些流量抖動(dòng)。濾波器可減少觸發(fā)脈沖的抖動(dòng)，并確保幀同步頻率的變化率受到限制。
圖7的下半部分顯示了PWM同步的一個(gè)示例時(shí)序圖。請注意，本例中幀同步頻率是PWM頻率的倍數(shù)以及I/O觸發(fā)信號抖動(dòng)是如何減小的。
實(shí)現(xiàn)方案
圖8顯示了一個(gè)在網(wǎng)絡(luò)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)中實(shí)施并進(jìn)行測試的推薦的同步方案示例。網(wǎng)絡(luò)主機(jī)采用Beckhoff CX2020 PLC，并連接到PC用于開發(fā)和部署PLC程序。實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議（紅色箭頭）為EtherCAT。
電機(jī)控制器主要采用ADI公司的fido5200和ADSP-CM408。兩者結(jié)合，為網(wǎng)絡(luò)連接的電機(jī)驅(qū)動(dòng)器提供高度集成的芯片組。
fido5200是一個(gè)帶有兩個(gè)以太網(wǎng)端口的實(shí)時(shí)以太網(wǎng)多協(xié)議(REM)交換芯片。它在主機(jī)處理器和工業(yè)以太網(wǎng)物理層之間提供一個(gè)靈活的接口。fido5200包括一個(gè)可配置的定時(shí)器控制單元(TCU)，可針對各種工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議實(shí)現(xiàn)先進(jìn)的同步方案。還可以借助專用定時(shí)器引腳實(shí)現(xiàn)輸入捕獲和方波信號輸出等附加功能。定時(shí)器輸入/輸出與本地同步時(shí)間保持同相，因此也與網(wǎng)絡(luò)流量保持同相。這使其不僅可以同步單個(gè)從機(jī)節(jié)點(diǎn)的I/O，而且可以同步整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中的從機(jī)節(jié)點(diǎn)。
REM交換芯片有兩個(gè)以太網(wǎng)端口，因此可連接兩個(gè)Phys（PHY1和PHY2）。該拓?fù)渲С汁h(huán)形和線形網(wǎng)絡(luò)。但在本實(shí)驗(yàn)設(shè)置中，作為演示說明，僅使用一個(gè)從機(jī)節(jié)點(diǎn)，并且只有一個(gè)以太網(wǎng)端口處于活動(dòng)狀態(tài)。
REM交換芯片通過并行存儲器總線與主機(jī)處理器通信，確保了高吞吐量和低延遲。
用于實(shí)現(xiàn)電機(jī)控制器的主機(jī)處理器采用ADSP-CM408。它是基于ARM® Cortex®-M4F內(nèi)核的專用處理器，用于實(shí)現(xiàn)控制和應(yīng)用功能。該處理器包括支持工業(yè)控制應(yīng)用的外設(shè)，如用于PWM逆變器控制的定時(shí)器、ADC采樣和位置編碼器接口。為了使所有外設(shè)與網(wǎng)絡(luò)保持同步，采用了一個(gè)靈活的觸發(fā)路由單元(TRU)。TRU將fido5200的TCU生成的觸發(fā)信號重定向至ADSP-CM408上的所有時(shí)序關(guān)鍵型外設(shè)。這些外設(shè)包括脈寬調(diào)制器、用于相電流測量的sinc濾波器、ADC和絕對編碼器接口。同步I/O的原理如圖9所示。
圖9.為I/O生成同步事件。
在圖9中，請注意如何利用REM交換芯片上的TCU和電機(jī)控制處理器上的TRU來實(shí)現(xiàn)I/O事件調(diào)度器。換言之，該功能由兩個(gè)集成電路實(shí)現(xiàn)。
電機(jī)控制器反饋三相伺服電機(jī)的相電流和轉(zhuǎn)子位置。相電流使用隔離式Σ-ΔADC測量，轉(zhuǎn)子位置則使用EnDat絕對編碼器測量。Σ-ΔADC和編碼器都直接連接至ADSP-CM408，無需任何外部FPGA或CPLD。
PWM開關(guān)頻率為10 kHz，每個(gè)PWM周期執(zhí)行一次控制算法。如本文所述，TCU在每個(gè)PWM周期內(nèi)為ADSP-CM408提供一次同步脈沖。
實(shí)驗(yàn)結(jié)果
實(shí)驗(yàn)設(shè)置照片如圖10所示。為了說明系統(tǒng)的同步功能，設(shè)置PLC使之運(yùn)行一個(gè)持續(xù)200 μs的程序任務(wù)。任務(wù)時(shí)間還決定了EtherCAT網(wǎng)絡(luò)上的幀速率。電機(jī)控制器以PWM方式運(yùn)行，并且控制更新周期為100 μs(10 kHz)，因此需要以此速率生成同步脈沖。結(jié)果如圖11所示。
圖8.同步方案的實(shí)現(xiàn)。
圖10.同步方案的實(shí)現(xiàn)。
圖11.為I/O生成同步事件。
Data Ready（數(shù)據(jù)就緒）信號指示REM交換芯片何時(shí)向電機(jī)控制應(yīng)用提供網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)。信號每200 μs置位一次，與EtherCAT幀速率相對應(yīng)。PWM同步信號也由REM交換芯片產(chǎn)生，用于使電機(jī)控制器的I/O與網(wǎng)絡(luò)流量保持同步。由于PWM周期為100 μs，REM交換芯片每個(gè)EtherCAT幀調(diào)度兩次PWM同步脈沖。圖11中下方的兩個(gè)信號HSPWM和LSPWM是其中一個(gè)電機(jī)相位的高端和低端PWM。請注意PWM信號是如何與網(wǎng)絡(luò)流量同步的。
總結(jié)
實(shí)時(shí)以太網(wǎng)廣泛用于運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，一些協(xié)議可實(shí)現(xiàn)精度小于1 μs的時(shí)間同步。但是，同步僅涉及網(wǎng)絡(luò)主機(jī)和從機(jī)之間的數(shù)據(jù)通信。現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)解決方案不包括運(yùn)動(dòng)控制I/O同步，這限制了可實(shí)現(xiàn)的控制性能。
本文提出的同步方案可以實(shí)現(xiàn)從網(wǎng)絡(luò)主機(jī)直至電機(jī)終端的全程同步。由于同步性能大幅改善，該方案能夠顯著提高控制性能。該方案還可提供跨多個(gè)軸的無縫同步。可以輕松地添加軸，并根據(jù)單個(gè)電機(jī)控制器定制同步。
同步基于I/O事件調(diào)度器，該調(diào)度器位于網(wǎng)絡(luò)控制器和電機(jī)控制器之間。I/O事件調(diào)度器可實(shí)時(shí)高速編程，并且可進(jìn)行調(diào)節(jié)以最小化抖動(dòng)/頻率變化效應(yīng)。
本文提出的方案已經(jīng)在實(shí)驗(yàn)設(shè)置中得到了驗(yàn)證，并展示了其結(jié)果。實(shí)驗(yàn)采用的通信協(xié)議是EtherCAT。然而，建議的方案適用于任何實(shí)時(shí)以太網(wǎng)協(xié)議。
參考文獻(xiàn)
1.Jie Ma，“基于EtherCAT的多自由度運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。”2016年第六屆儀器測量、計(jì)算機(jī)、通信與控制國際會(huì)議，2016年7月。
