即時確定性乙太網(wǎng)路協(xié)定（例如EtherCAT）已經(jīng)能夠支援多軸運動控制系統(tǒng)的同步運行。 [1]該同步包含兩方面的涵義。首先，各個控制節(jié)點之間的命令和指令的傳遞必須與一個公共時脈同步；其次，控制演算法和回饋函數(shù)的執(zhí)行必須與同一個時脈同步。第一種同步很容易理解，它是網(wǎng)路控制器的固有部分。然而，第二種同步到目前為止一直為人所忽視，如今也成為了運動控制性能的瓶頸。
本文介紹從網(wǎng)路控制器到馬達終端和感測器全程保持馬達驅(qū)動同步的新概念。文中所提出的技術(shù)，可望能夠大幅改善同步，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，請考量一個兩軸網(wǎng)路運動控制系統(tǒng)，如圖1所示。運動控制主機透過即時網(wǎng)路向兩個伺服控制器發(fā)送命令和指令值，每個伺服控制器構(gòu)成網(wǎng)路上的一個從機節(jié)點。伺服控制器本身由網(wǎng)路控制器、馬達控制器、功率逆變器和馬達/編碼器所組成。
即時網(wǎng)路通訊協(xié)定采用不同的方法使從機節(jié)點與主機同步，有一種常用方法，是在每個節(jié)點處配置一個本地同步時脈。這種對時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，即時網(wǎng)路上的所有網(wǎng)路控制器都可保持同步。
通常，在網(wǎng)路控制器和馬達控制器之間有兩條中斷線，第一條通知馬達控制器何時需要收集輸入并將其放到網(wǎng)路上，第二條通知馬達控制器何時從網(wǎng)路中讀取資料。遵照這種方法，運動控制器和馬達控制器之間以同步方式進行資料交換，并且可以實現(xiàn)非常高的定時精度。但是，僅將同步資料傳送到馬達控制器還不夠；馬達控制器還必須能以同步方式回應(yīng)資料，如果不具備這一項能力，馬達控制器就無法充分利用網(wǎng)路的定時精度。在回應(yīng)指令值和命令時，馬達控制器的I/O將會出現(xiàn)問題。
馬達控制器中的每個I/O（例如脈寬調(diào)變（PWM）計時器和ADC）都具有固有的延遲和時間量化。例如圖2所示，其為功率逆變器產(chǎn)生柵極驅(qū)動訊號的PWM計時器。該計時器透過比較指令值Mx與上下計數(shù)器來產(chǎn)生閘極訊號。當控制演算法改變Mx時，新的工作周期要到下一個PWM周期才會生效，這相當于一個零階保持效應(yīng)，意味著每個PWM周期T內(nèi)，工作周期僅更新一次或兩次（若使用雙更新模式）。
| 圖1 : 典型的兩軸網(wǎng)路運動控制系統(tǒng) |
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在即時網(wǎng)路上，無論資料交換如何緊密地同步，PWM計時器的時間量化將最終成為軸同步的決定性因素。當接收到新的指令值時，無法在新的工作周期生效之前對其進行回應(yīng)。這導(dǎo)致時間不確定性最長可達一個PWM周期（通常在50 μs至100 μs范圍內(nèi)）。
實際上，網(wǎng)路同步周期和PWM周期之間將存在一個未經(jīng)定義且可變的相位關(guān)系，將其與即時網(wǎng)路上低于1 μs的時間不確定性相比較，很顯然，馬達控制器的I/O在網(wǎng)路同步運動控制中發(fā)揮了更至關(guān)重要的作用。實際上，決定同步精度的不是即時網(wǎng)路，而是系統(tǒng)I/O。
請再次參考圖1，該系統(tǒng)具有A、B、C三個同步域，它們沒有綁定在一起。它們實際上并不同步，具有最長可達一個PWM周期的可變不確定性。
同步不確定性及應(yīng)用影響
在針對機器人和機床等應(yīng)用的高性能多軸伺服系統(tǒng)中，可以清楚地看到時間不確定性的影響。在I/O級的馬達控制軸之間的時間偏移量變化，會對機器人或機床的最終三維定位精度產(chǎn)生直接且顯著的影響。
此處請考量一個簡單的運動曲線，如圖3所示。在此示例中，馬達速度指令值（藍色曲線）上升后再下降。如果斜坡速率在機電系統(tǒng)的能力范圍內(nèi)，則實際速度預(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，則實際速度（紅色曲線）將滯后于指令值，從而導(dǎo)致位置誤差Δθ。
在多軸機器中，根據(jù)機器的機械結(jié)構(gòu)將目標位置（x, y, z）轉(zhuǎn)換為角度軸向描述（θ1, ..., θn）。角度軸向描述為每個軸定義了一系列相等時間間隔的位置/速度命令。軸之間的任何時序差異都會導(dǎo)致機器的精度降低?？紤]圖4所示的兩軸示例。機器的目標路徑以一組（x, y）座標來描述。延遲使y軸命令產(chǎn)生時序誤差，最終導(dǎo)致不規(guī)則的實際路徑。
在某些情況下，透過適當?shù)难a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行補償。此外，可變延遲會導(dǎo)致控制回路增益發(fā)生改變，從而使調(diào)整回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導(dǎo)致機器精度不準確。因此，應(yīng)該要盡可能減小或消除延遲，才能提高生產(chǎn)率和最終產(chǎn)品品質(zhì)。
同步和新型控制拓撲
傳統(tǒng)的運動控制方法請參考如圖5的上半部分所示。運動控制器（通常為PLC）透過即時網(wǎng)路將位置指令（θ*）發(fā)送到馬達控制器。馬達控制器由三個級聯(lián)的回饋回路組成，包括控制轉(zhuǎn)矩/電流（T/i）的內(nèi)部回路、控制速度（ω）的中間回路和另一個控制位置（θ）的回路。轉(zhuǎn)矩回路的頻寬最高，位置回路的頻寬最低。來自工廠的回饋保持在馬達控制器本地，并與控制演算法和脈寬調(diào)變器緊密同步。
當采用這種系統(tǒng)拓撲時，運動控制器和馬達控制器之間是透過位置指令值來實現(xiàn)軸的同步，但是在CNC加工等極高精度應(yīng)用中，與馬達控制器的I/O（回饋和PWM）同步的相關(guān)性只會使之成為問題。位置回路通常具有相當?shù)偷念l寬，因此對I/O同步較為不敏感。這意味著即使網(wǎng)路與I/O位于不同的同步域中，指令級的節(jié)點同步性能通常也能接受。
雖然圖5上半部分所示的控制拓撲很常見，但也可以使用其他的控制分區(qū)方法，例如在運動控制器側(cè)實現(xiàn)位置和/或速度回路，并透過網(wǎng)路傳送速度/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，即所有的控制回路都由馬達控制器轉(zhuǎn)移至網(wǎng)路主機側(cè)功能強大的運動控制器（見圖5的下半部分所示）。在即時網(wǎng)路上交換的資料是馬達控制器的電壓指令（v*）和運動控制器的工廠回饋（i, ω, θ）。這種控制拓撲由功能強大的多核PLC和即時網(wǎng)路實現(xiàn)，具有諸多優(yōu)勢。首先，該架構(gòu)具有很高的可擴展性，還可以輕松地添加/移除軸，無需擔心馬達控制器的處理能力；其次，由于軌跡規(guī)劃和運動控制都在同一個中心位置完成，因此可以提高精度。
新的控制拓撲也有其缺點，在馬達控制器中去除了控制演算法，因此損失了代碼執(zhí)行和I/O的緊密同步，控制回路的頻寬越高，損失I/O同步的問題就越大，轉(zhuǎn)矩/電流回路對同步特別敏感。
| 圖5 : 傳統(tǒng)（上）和新興（下）的運動控制拓撲。 |
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| 圖6 : I/O調(diào)度器將同步域綁定在一起。 |
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建議的解決方案
@內(nèi)文;將更快速的控制回路移至運動控制器，則產(chǎn)生了從網(wǎng)路主機直到馬達終端全程同步的要求。
總體思路，是使所有軸的I/O與網(wǎng)路同步，以使它們?nèi)荚谝粋€同步域中運行。圖6顯示了一個位于網(wǎng)路控制器和馬達控制器之間的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周邊生成同步/復(fù)位脈沖，使它們與網(wǎng)路流量保持同步。 I/O事件調(diào)度器獲取幀同步訊號，該訊號來源于網(wǎng)路控制器的本地時脈，并為必須與網(wǎng)路保持同步的所有I/O輸出適當?shù)挠搀w觸發(fā)訊號。
每個I/O都具有自己的一組時序/復(fù)位要求，這意味著I/O事件調(diào)度器必須為每個I/O提供訂制的觸發(fā)訊號。雖然觸發(fā)訊號的要求不同，但它們?nèi)該碛幸恍┩ㄓ梅▌t。首先，所有觸發(fā)訊號必須以幀同步為基準。其次，存在與每個觸發(fā)訊號相關(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)換時間或sinc濾波器的群延遲。第三，存在I/O回應(yīng)時間，例如來自ADC的資料傳輸。I/O事件調(diào)度器掌握每個I/O的時序要求，并根據(jù)本地時脈連續(xù)調(diào)整觸發(fā)/重定脈沖，生成I/O事件調(diào)度器每個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。 |
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在大多數(shù)網(wǎng)路運動控制系統(tǒng)中，畫面播放速率以及幀同步速率等于或低于馬達控制器的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、也可能是多個觸發(fā)脈沖。例如，如果畫面播放速率為10 kHz且PWM速率為10 kHz，則I/O事件調(diào)度器必須為每一個網(wǎng)路幀提供1個觸發(fā)脈沖，類似地，如果畫面播放速率為1 kHz且PWM速率為10 kHz，I/O事件調(diào)度器必須為每一個網(wǎng)路幀提供10個觸發(fā)脈沖。
這相當于圖7中的倍頻器。對每個同步脈沖施加延遲時間tD，以補償每個I/O的固有延遲，I/O事件調(diào)度器的最后一個要素是智慧濾波功能。每個網(wǎng)路上都會存在一些流量抖動，濾波器可減少觸發(fā)脈沖的抖動，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同步的一個示例時序圖。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)訊號抖動如何減小。
實現(xiàn)方案
圖8顯示了一個在網(wǎng)路運動控制系統(tǒng)中實施并進行測試的推薦的同步方案示例。網(wǎng)路主機采用Beckhoff CX2020 PLC，并連接到PC用于開發(fā)和部署PLC程式，即時網(wǎng)路通訊協(xié)定（紅色箭頭）為EtherCAT。
馬達控制器主要采用ADI公司的fido5200和ADSP-CM408。兩者結(jié)合，為網(wǎng)路連接的馬達驅(qū)動器提供高度整合的晶片組。
fido5200是一個帶有兩個乙太網(wǎng)路埠的即時乙太網(wǎng)路多協(xié)定（REM）交換晶片，它在主機處理器和工業(yè)乙太網(wǎng)路實體層之間提供一個靈活的介面，fido5200包括一個可配置的計時器控制單元（TCU），可針對各種工業(yè)乙太網(wǎng)協(xié)定實現(xiàn)先進的同步方案，還可以借助專用計時器針腳實現(xiàn)輸入捕獲和方波訊號輸出等附加功能。計時器輸入/輸出與本地同步時間保持同相，因此也與網(wǎng)路流量保持同相，這使其不僅可以同步單個從機節(jié)點的I/O，而且可以同步整個網(wǎng)路中的從機節(jié)點。
REM交換晶片有兩個乙太網(wǎng)路埠，因此可連接兩個Phys（PHY1和PHY2），該拓撲支援環(huán)形和線形網(wǎng)路。但在本實驗設(shè)定中，作為展示說明，僅使用一個從機節(jié)點，并且只有一個乙太網(wǎng)路埠處于活動狀態(tài)。
REM交換晶片透過并行記憶體匯流排與主機處理器通訊，借以確保高輸送量和低延遲。
用于實現(xiàn)馬達控制器的主機處理器采用ADSP-CM408。它是基于ARM Cortex-M4F核心的專用處理器，用于實現(xiàn)控制和應(yīng)用功能。該處理器包括支援工業(yè)控制應(yīng)用的周邊，如用于PWM逆變器控制的計時器、ADC采樣和位置編碼器介面，為了使所有外設(shè)與網(wǎng)路保持同步，采用了一個靈活的觸發(fā)路由單元（TRU），TRU將fido5200的TCU生成的觸發(fā)訊號重定向至ADSP-CM408上的所有時序關(guān)鍵型周邊，這些周邊包括脈寬調(diào)制器、用于相電流測量的sinc濾波器、ADC和絕對編碼器介面。同步I/O的原理，如圖9所示。
在圖9中，請注意如何利用REM交換晶片上的TCU和馬達控制處理器上的TRU來實現(xiàn)I/O事件調(diào)度器，換言之，該功能由兩個積體電路實現(xiàn)。
馬達控制器回饋三相伺服馬達的相電流和轉(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切換開關(guān)頻率為10 kHz，每個PWM周期執(zhí)行一次控制演算法。如本文所述，TCU在每個PWM周期內(nèi)為ADSP-CM408提供一次同步脈沖。
實驗結(jié)果
實驗設(shè)置照片如圖10所示。為了說明系統(tǒng)的同步功能，設(shè)定PLC使之運行一個持續(xù)200 μs的程式任務(wù)，任務(wù)時間還決定了EtherCAT網(wǎng)路上的畫面播放速率。馬達控制器以PWM方式運行，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。
Data Ready（資料就緒）訊號指示REM交換晶片何時向馬達控制應(yīng)用提供網(wǎng)路資料，訊號每200 μs置位元一次，與EtherCAT畫面播放速率相對應(yīng)。 PWM同步訊號也由REM交換晶片產(chǎn)生，用于使馬達控制器的I/O與網(wǎng)路流量保持同步。由于PWM周期為100 μs，REM交換晶片每個EtherCAT幀調(diào)度兩次PWM同步脈沖。圖11中下方的兩個訊號HSPWM和LSPWM是其中一個馬達相位的高端和低端PWM，請注意PWM訊號是如何與網(wǎng)路流量同步的。
總結(jié)
即時乙太網(wǎng)廣泛用于運動控制系統(tǒng)，相關(guān)協(xié)定可實現(xiàn)精度小于1 μs的時間同步，但是，同步僅涉及網(wǎng)路主機和從機之間的資料通訊?，F(xiàn)有的網(wǎng)路解決方案不包括運動控制I/O同步，而這就限制了可實現(xiàn)的控制性能。
本文提出的同步方案可實現(xiàn)從網(wǎng)路主機直至馬達終端的全程同步。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軸的無縫同步，可以輕松地添加軸，并根據(jù)單個馬達控制器訂制同步。
同步基于I/O事件調(diào)度器，該調(diào)度器位于網(wǎng)路控制器和馬達控制器之間。 I/O事件調(diào)度器可即時高速編程，并且可進行調(diào)節(jié)以最小化抖動/頻率變化效應(yīng)。
本文提出的方案已經(jīng)在實驗設(shè)置中得到驗證，并展示其結(jié)果。實驗采用的通訊協(xié)定是EtherCAT。然而建議的方案適用于任何即時乙太網(wǎng)協(xié)定。
（本文作者Jens Sorensen1、Dara O’Sullivan2、Christian Aaen3為ADI公司1系統(tǒng)應(yīng)用工程師、2自動化、能源與感測器業(yè)務(wù)部馬達和電源控制團隊（MPC）資深系統(tǒng)應(yīng)用工程師、3確定性乙太網(wǎng)路技術(shù)部軟體系統(tǒng)設(shè)計工程師）
參考文獻
[1]Jie Ma，“基于EtherCAT的多自由度運動控制系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)?！?016年第六屆儀器測量、電腦、通訊與控制國際會議，2016年7月。
