作者：Jens Sorensen, Dara O’Sullivan, and Christian Aaen

實時確定性以太網(wǎng)協(xié)議（如 EtherCAT）實現(xiàn)了多軸運動控制系統(tǒng)的同步運行。1此同步有兩個方面。首先，各個控制節(jié)點之間的命令和參考傳遞必須同步到一個公共時鐘，其次，控制算法和反饋功能的執(zhí)行必須同步到同一個時鐘。第一種同步很好理解，是網(wǎng)絡(luò)控制器的固有部分。然而，到目前為止，第二種同步一直被忽視，現(xiàn)在是運動控制性能的瓶頸。

本文介紹了從網(wǎng)絡(luò)控制器到電機端子和傳感器一路同步電機驅(qū)動器的新概念。所提出的技術(shù)能夠大大改善同步，從而顯著提高控制性能。

問題陳述和最新技術(shù)

為了定義最先進解決方案的局限性，請考慮一個2軸聯(lián)網(wǎng)運動控制系統(tǒng)，如圖1所示。運動控制主機通過實時網(wǎng)絡(luò)向兩個伺服控制器發(fā)送命令和參考，每個伺服控制器構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)上的從節(jié)點。伺服控制器本身由網(wǎng)絡(luò)控制器、電機控制器、電源逆變器和電機/編碼器組成。

圖1.典型的 2 軸網(wǎng)絡(luò)運動控制系統(tǒng)。

實時網(wǎng)絡(luò)協(xié)議采用不同的方法將從節(jié)點同步到主節(jié)點，但常用的方法是在每個節(jié)點上有一個本地同步時鐘。這種對時間的共同理解確保了所有伺服軸的參考和命令緊密同步。換句話說，實時網(wǎng)絡(luò)上的所有網(wǎng)絡(luò)控制器都是同步的。

通常，網(wǎng)絡(luò)控制器和電機控制器之間有兩條中斷線。第一個通知電機控制器何時需要收集輸入并將其放入網(wǎng)絡(luò)。第二個通知電機控制器何時從網(wǎng)絡(luò)讀取數(shù)據(jù)。按照這種方法，運動控制器和電機控制器之間的數(shù)據(jù)交換以同步方式進行，并且可以實現(xiàn)非常高的定時精度。然而，僅僅將同步數(shù)據(jù)傳遞到電機控制器是不夠的;電機控制器還必須能夠以同步方式響應(yīng)數(shù)據(jù)。如果沒有此功能，電機控制器就無法利用網(wǎng)絡(luò)的定時精度。在響應(yīng)參考和命令時，電機控制器的I/O會帶來問題。

電機控制器中的每個I/O（如脈寬調(diào)制（PWM）定時器和ADC）都具有固有的延遲和時間量化。例如，PWM定時器為電源逆變器生成柵極驅(qū)動信號，如圖2所示。定時器通過將參考Mx與上下計數(shù)器進行比較來生成柵極信號。當(dāng)控制算法改變Mx時，新的占空比要到下一個PWM周期才會生效。這相當(dāng)于零階保持效應(yīng)，這意味著占空比在每個PWM周期T中僅更新一次，如果使用雙更新模式，則更新兩次。

圖2.更新PWM定時器的占空比。

無論數(shù)據(jù)交換在實時網(wǎng)絡(luò)上同步得多么緊密，PWM定時器的時間量化最終都會成為軸同步的決定因素。當(dāng)收到新的基準(zhǔn)時，在新占空比生效之前無法響應(yīng)它。這引入了高達一個PWM周期的時間不確定性，通常在50 μs至100 μs的范圍內(nèi)。實際上，網(wǎng)絡(luò)同步周期和PWM周期之間將存在未定義且不斷變化的相位關(guān)系。將此與實時網(wǎng)絡(luò)上低于1 μs的時間不確定性進行比較，很明顯，電機控制器的I/O在通過網(wǎng)絡(luò)同步運動控制時起著至關(guān)重要的作用。事實上，決定同步精度的不是實時網(wǎng)絡(luò)，而是系統(tǒng)的I/O。

再次參考圖 1，系統(tǒng)有三個同步域 A、B 和 C，它們沒有綁定在一起。它們實際上與高達一個PWM周期的可變不確定性不同步。

同步不確定性和應(yīng)用影響

在用于機器人和機械加工等應(yīng)用的高性能多軸伺服系統(tǒng)中可以清楚地看到時序不確定性的影響。I/O級電機控制軸之間的時間偏移變化對機器人或機床的最終三維定位精度有直接且可測量的影響。

考慮一個簡單的運動曲線，如圖3所示。在此示例中，電機速度參考（紅色曲線）斜坡上升，然后再次下降。如果斜坡速率在機電系統(tǒng)的能力范圍內(nèi)，則實際速度應(yīng)遵循參考值。但是，如果系統(tǒng)中任何地方存在延遲，則實際速度（藍色曲線）將滯后于參考，從而導(dǎo)致位置誤差Δθ。

圖3.定時延遲對位置精度的影響。

在多軸機床中，根據(jù)機床的機械結(jié)構(gòu)，將目標(biāo)位置（x，y，z）轉(zhuǎn)換為角軸輪廓（θ1，...，θn）。角度軸輪廓為每個軸定義一系列等時間間隔的位置/速度命令。軸之間的任何時序差異都會導(dǎo)致機器精度降低。考慮圖 4 中所示的 2 軸示例。機器的目標(biāo)路徑由一組 （x， y） 坐標(biāo)描述。延遲會導(dǎo)致 y 軸命令出現(xiàn)時序錯誤，并且實際路徑最終變得不規(guī)則。在某些情況下，可以通過適當(dāng)?shù)难a償將持續(xù)延遲的影響降至最低。更關(guān)鍵的是無法補償?shù)目勺兒臀粗难舆t。此外，不同的延遲會導(dǎo)致不同的控制環(huán)路增益，這使得調(diào)整環(huán)路以獲得最佳性能變得困難。

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，最大限度地減少或消除延遲可以提高生產(chǎn)率和最終產(chǎn)品質(zhì)量。

圖4.定時延遲對位置精度的影響。

同步和新的控制拓撲

傳統(tǒng)的運動控制方法如圖5的頂部所示。運動控制器（通常是 PLC）通過實時網(wǎng)絡(luò)將位置參考 （θ*） 發(fā)送到電機控制器。電機控制器由三個級聯(lián)反饋回路組成，內(nèi)回路控制扭矩/電流 （T/i），中間回路控制速度 （ω），另一個回路控制位置 （θ）。扭矩環(huán)路具有最高的帶寬，位置環(huán)路具有最低的帶寬。來自工廠的反饋保存在電機控制器的本地，并與控制算法和脈寬調(diào)制器緊密同步。

圖5.傳統(tǒng)（頂部）和新興（底部）運動控制拓撲。

使用這種系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)，軸通過運動控制器和電機控制器之間的位置參考交換來同步，但電機控制器的I/O（反饋和PWM）與同步的相關(guān)性僅在CNC加工等非常高精度的應(yīng)用中成為一個問題。位置環(huán)路通常具有相當(dāng)?shù)偷膸?，因此對I/O同步不太敏感。這意味著在參考級別同步節(jié)點通常提供可接受的性能，即使網(wǎng)絡(luò)和 I/O 位于不同的同步域中也是如此。

雖然圖5頂部所示的控制拓撲很常見，但也使用了其他控制分區(qū)方法，其中在運動控制器端實現(xiàn)位置和/或速度環(huán)路，并通過網(wǎng)絡(luò)傳遞速度/扭矩參考。業(yè)界的最新趨勢表明，正在向一種新的分區(qū)方法發(fā)展，其中所有控制環(huán)路都從電機控制器轉(zhuǎn)移到網(wǎng)絡(luò)主機側(cè)的強大運動控制器（參見圖5底部）。實時網(wǎng)絡(luò)上的數(shù)據(jù)交換是電機控制器的基準(zhǔn)電壓（v*）和運動控制器的工廠反饋（i，ω，θ）。這種控制拓撲由強大的多核PLC和實時網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)，具有多個優(yōu)點。首先，架構(gòu)非?？蓴U展。軸也可以輕松添加/移除，而不必擔(dān)心電機控制器的處理能力。其次，由于軌跡規(guī)劃和運動控制都在一個中心位置完成，因此可以提高精度。

新的控制拓撲也有缺點。從電機控制器中移除控制算法后，代碼執(zhí)行和I/O的緊密同步將丟失?？刂骗h(huán)路的帶寬越高，I/O同步丟失的問題就越嚴(yán)重。轉(zhuǎn)矩/電流環(huán)路對同步特別敏感。

建議的解決方案

將更快的控制環(huán)路移動到運動控制器會產(chǎn)生從網(wǎng)絡(luò)主站一直到電機端子的同步需求。

總體思路是使所有軸的 I/O 與網(wǎng)絡(luò)同步，以便所有內(nèi)容都在一個同步域中運行。圖6所示為位于網(wǎng)絡(luò)控制器和電機控制器之間的I/O事件調(diào)度器。I/O 事件調(diào)度器的主要功能是生成到所有外設(shè)的同步/復(fù)位脈沖，以便它們與網(wǎng)絡(luò)流量保持同步。I/O 事件調(diào)度程序獲取幀同步信號（源自網(wǎng)絡(luò)控制器的本地時鐘），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)器。

圖6.I/O 調(diào)度程序?qū)⑼接蚪壎ㄔ谝黄稹?/strong>