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    智動化 / 文章 /

    透過即時網(wǎng)路實現(xiàn)同步多軸運動控制
    [作者 Jens Sorensen等人]   2019年12月10日 星期二 瀏覽人次: [39806]

    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(dá)終端和感測器全程保持馬達(dá)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(dá)控制器、功率逆變器和馬達(dá)/編碼器所組成。


    即時網(wǎng)路通訊協(xié)定採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(dá)控制器之間有兩條中斷線,第一條通知馬達(dá)控制器何時需要收集輸入並將其放到網(wǎng)路上,第二條通知馬達(dá)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(dá)控制器之間以同步方式進(jìn)行資料交換,並且可以實現(xiàn)非常高的定時精度。但是,僅將同步資料傳送到馬達(dá)控制器還不夠;馬達(dá)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(dá)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(dá)控制器的I/O將會出現(xiàn)問題。


    馬達(dá)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(dāng)控制演算法改變Mx時,新的工作週期要到下一個PWM週期才會生效,這相當(dāng)於一個零階保持效應(yīng),意味著每個PWM週期T內(nèi),工作週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)
    圖1 : 典型的兩軸網(wǎng)路運動控制系統(tǒng)

    圖2 : PWM計時器的占空比更新
    圖2 : PWM計時器的占空比更新

    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(dāng)接收到新的指令值時,無法在新的工作週期生效之前對其進(jìn)行回應(yīng)。這導(dǎo)致時間不確定性最長可達(dá)一個PWM週期(通常在50 μs至100 μs範(fàn)圍內(nèi))。


    實際上,網(wǎng)路同步週期和PWM週期之間將存在一個未經(jīng)定義且可變的相位關(guān)係,將其與即時網(wǎng)路上低於1 μs的時間不確定性相比較,很顯然,馬達(dá)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。它們實際上並不同步,具有最長可達(dá)一個PWM週期的可變不確定性。


    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(dá)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(dá)速度指令值(藍(lán)色曲線)上升後再下降。如果斜坡速率在機電系統(tǒng)的能力範(fàn)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)將滯後於指令值,從而導(dǎo)致位置誤差Δθ。



    圖3 : 時序延遲對位置精度的影響。
    圖3 : 時序延遲對位置精度的影響。

    在多軸機器中,根據(jù)機器的機械結(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(biāo)路徑以一組(x, y)座標(biāo)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(dāng)?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(jìn)行補償。此外,可變延遲會導(dǎo)致控制迴路增益發(fā)生改變,從而使調(diào)整迴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(zhǔn)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)。



    圖4 : 時序延遲對位置精度的影響。
    圖4 : 時序延遲對位置精度的影響。

    同步和新型控制拓?fù)?/span>

    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(dá)控制器。馬達(dá)控制器由三個級聯(lián)的回饋迴路組成,包括控制轉(zhuǎn)矩/電流(T/i)的內(nèi)部迴路、控制速度(ω)的中間迴路和另一個控制位置(θ)的迴路。轉(zhuǎn)矩迴路的頻寬最高,位置迴路的頻寬最低。來自工廠的回饋保持在馬達(dá)控制器本地,並與控制演算法和脈寬調(diào)變器緊密同步。


    當(dāng)採用這種系統(tǒng)拓?fù)鋾r,運動控制器和馬達(dá)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(dá)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。位置迴路通常具有相當(dāng)?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位於不同的同步域中,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?fù)浜艹R姡部梢允褂闷渌目刂品謪^(qū)方法,例如在運動控制器側(cè)實現(xiàn)位置和/或速度迴路,並透過網(wǎng)路傳送速度/轉(zhuǎn)矩指令值。工業(yè)領(lǐng)域近期趨於轉(zhuǎn)向一種新的分區(qū)方法,即所有的控制迴路都由馬達(dá)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(dá)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?fù)溆晒δ軓姶蟮亩嗪薖LC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,還可以輕鬆地添加/移除軸,無需擔(dān)心馬達(dá)控制器的處理能力;其次,由於軌跡規(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?fù)湟灿衅淙秉c,在馬達(dá)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,控制迴路的頻寬越高,損失I/O同步的問題就越大,轉(zhuǎn)矩/電流迴路對同步特別敏感。



    圖5 : 傳統(tǒng)(上)和新興(下)的運動控制拓?fù)洹? border=
    圖5 : 傳統(tǒng)(上)和新興(下)的運動控制拓?fù)洹?/td>

    圖6 : I/O調(diào)度器將同步域綁定在一起。
    圖6 : I/O調(diào)度器將同步域綁定在一起。

    建議的解決方案

    @內(nèi)文;將更快速的控制迴路移至運動控制器,則產(chǎn)生了從網(wǎng)路主機直到馬達(dá)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顯示了一個位於網(wǎng)路控制器和馬達(dá)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)位脈衝,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,該訊號來源於網(wǎng)路控制器的本地時脈,並為必須與網(wǎng)路保持同步的所有I/O輸出適當(dāng)?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提供訂製的觸發(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(zhǔn)。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,並根據(jù)本地時脈連續(xù)調(diào)整觸發(fā)/重定脈衝,生成I/O事件調(diào)度器每個輸出脈衝的原理概述,如圖7所示。



    圖7 : I/O調(diào)度器生成觸發(fā)脈衝。
    圖7 : I/O調(diào)度器生成觸發(fā)脈衝。

    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於或低於馬達(dá)控制器的PWM更新速率。這意味著I/O事件調(diào)度器必須每幀週期提供至少一個、也可能是多個觸發(fā)脈衝。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)脈衝,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)脈衝。


    這相當(dāng)於圖7中的倍頻器。對每個同步脈衝施加延遲時間tD,以補償每個I/O的固有延遲,I/O事件調(diào)度器的最後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)脈衝的抖動,並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 : 同步方案的實現(xiàn)
    圖8 : 同步方案的實現(xiàn)

    圖8顯示了一個在網(wǎng)路運動控制系統(tǒng)中實施並進(jìn)行測試的推薦的同步方案示例。網(wǎng)路主機採用Beckhoff CX2020 PLC,並連接到PC用於開發(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(dá)控制器主要採用ADI公司的fido5200和ADSP-CM408。兩者結(jié)合,為網(wǎng)路連接的馬達(dá)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(jìn)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?fù)渲гh(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,並且只有一個乙太網(wǎng)路埠處於活動狀態(tài)。


    REM交換晶片透過並行記憶體匯流排與主機處理器通訊,藉以確保高輸送量和低延遲。


    用於實現(xiàn)馬達(dá)控制器的主機處理器採用ADSP-CM408。它是基於ARM Cortex-M4F核心的專用處理器,用於實現(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,如用於PWM逆變器控制的計時器、ADC採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,採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)製器、用於相電流測量的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。



    圖9 : 為I/O生成同步事件
    圖9 : 為I/O生成同步事件

    在圖9中,請注意如何利用REM交換晶片上的TCU和馬達(dá)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(dá)控制器回饋三相伺服馬達(dá)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週期執(zhí)行一次控制演算法。如本文所述,TCU在每個PWM週期內(nèi)為ADSP-CM408提供一次同步脈衝。


    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(dá)控制器以PWM方式運行,並且控制更新週期為100 μs(10 kHz),因此需要以此速率生成同步脈衝。結(jié)果如圖11所示。



    圖10 : 同步方案的實現(xiàn)
    圖10 : 同步方案的實現(xiàn)

    圖11 : 為I/O生成同步事件
    圖11 : 為I/O生成同步事件

    Data Ready(資料就緒)訊號指示REM交換晶片何時向馬達(dá)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,用於使馬達(dá)控制器的I/O與網(wǎng)路流量保持同步。由於PWM週期為100 μs,REM交換晶片每個EtherCAT幀調(diào)度兩次PWM同步脈衝。圖11中下方的兩個訊號HSPWM和LSPWM是其中一個馬達(dá)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)廣泛用於運動控制系統(tǒng),相關(guān)協(xié)定可實現(xiàn)精度小於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(dá)終端的全程同步。由於同步性能大幅改善,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,可以輕鬆地添加軸,並根據(jù)單個馬達(dá)控制器訂製同步。


    同步基於I/O事件調(diào)度器,該調(diào)度器位於網(wǎng)路控制器和馬達(dá)控制器之間。I/O事件調(diào)度器可即時高速編程,並且可進(jìn)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,並展示其結(jié)果。實驗採用的通訊協(xié)定是EtherCAT。然而建議的方案適用於任何即時乙太網(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(dá)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(xiàn)

    [1]Jie Ma,“基於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。


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