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

實時確定性以太網協議（如 EtherCAT）實現了多軸運動控制系統的同步運行。1此同步有兩個方面。首先，各個控制節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行必須同步到同一個時鐘。第一種同步很好理解，是網絡控制器的固有部分。然而，到目前為止，第二種同步一直被忽視，現在是運動控制性能的瓶頸。

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

問題陳述和最新技術

為了定義最先進解決方案的局限性，請考慮一個2軸聯網運動控制系統，如圖1所示。運動控制主機通過實時網絡向兩個伺服控制器發送命令和參考，每個伺服控制器構成網絡上的從節點。伺服控制器本身由網絡控制器、電機控制器、電源逆變器和電機/編碼器組成。

圖1.典型的 2 軸網絡運動控制系統。

實時網絡協議采用不同的方法將從節點同步到主節點，但常用的方法是在每個節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，實時網絡上的所有網絡控制器都是同步的。

通常，網絡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絡。第二個通知電機控制器何時從網絡讀取數據。按照這種方法，運動控制器和電機控制器之間的數據交換以同步方式進行，并且可以實現非常高的定時精度。然而，僅僅將同步數據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數據。如果沒有此功能，電機控制器就無法利用網絡的定時精度。在響應參考和命令時，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動信號，如圖2所示。定時器通過將參考Mx與上下計數器進行比較來生成柵極信號。當控制算法改變Mx時，新的占空比要到下一個PWM周期才會生效。這相當于零階保持效應，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。

無論數據交換在實時網絡上同步得多么緊密，PWM定時器的時間量化最終都會成為軸同步的決定因素。當收到新的基準時，在新占空比生效之前無法響應它。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。實際上，網絡同步周期和PWM周期之間將存在未定義且不斷變化的相位關系。將此與實時網絡上低于1 μs的時間不確定性進行比較，很明顯，電機控制器的I/O在通過網絡同步運動控制時起著至關重要的作用。事實上，決定同步精度的不是實時網絡，而是系統的I/O。

再次參考圖 1，系統有三個同步域 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。

同步不確定性和應用影響

在用于機器人和機械加工等應用的高性能多軸伺服系統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的能力范圍內，則實際速度應遵循參考值。但是，如果系統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，根據機床的機械結構，將目標位置（x，y，z）轉換為角軸輪廓（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致機器精度降低?？紤]圖 4 中所示的 2 軸示例。機器的目標路徑由一組 （x， y） 坐標描述。延遲會導致 y 軸命令出現時序錯誤，并且實際路徑最終變得不規則。在某些情況下，可以通過適當的補償將持續延遲的影響降至最低。更關鍵的是無法補償的可變和未知的延遲。此外，不同的延遲會導致不同的控制環路增益，這使得調整環路以獲得最佳性能變得困難。

應該注意的是，系統中任何地方的延遲都會導致機器精度不準確。因此，最大限度地減少或消除延遲可以提高生產率和最終產品質量。

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）通過實時網絡將位置參考 （θ*） 發送到電機控制器。電機控制器由三個級聯反饋回路組成，內回路控制扭矩/電流 （T/i），中間回路控制速度 （ω），另一個回路控制位置 （θ）。扭矩環路具有最高的帶寬，位置環路具有最低的帶寬。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制器緊密同步。

圖5.傳統（頂部）和新興（底部）運動控制拓撲。

使用這種系統拓撲結構，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）與同步的相關性僅在CNC加工等非常高精度的應用中成為一個問題。位置環路通常具有相當低的帶寬，因此對I/O同步不太敏感。這意味著在參考級別同步節點通常提供可接受的性能，即使網絡和 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方法，其中在運動控制器端實現位置和/或速度環路，并通過網絡傳遞速度/扭矩參考。業界的最新趨勢表明，正在向一種新的分區方法發展，其中所有控制環路都從電機控制器轉移到網絡主機側的強大運動控制器（參見圖5底部）。實時網絡上的數據交換是電機控制器的基準電壓（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和實時網絡實現，具有多個優點。首先，架構非常可擴展。軸也可以輕松添加/移除，而不必擔心電機控制器的處理能力。其次，由于軌跡規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，代碼執行和I/O的緊密同步將丟失。控制環路的帶寬越高，I/O同步丟失的問題就越嚴重。轉矩/電流環路對同步特別敏感。

建議的解決方案

將更快的控制環路移動到運動控制器會產生從網絡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 與網絡同步，以便所有內容都在一個同步域中運行。圖6所示為位于網絡控制器和電機控制器之間的I/O事件調度器。I/O 事件調度器的主要功能是生成到所有外設的同步/復位脈沖，以便它們與網絡流量保持同步。I/O 事件調度程序獲取幀同步信號（源自網絡控制器的本地時鐘），并為必須與網絡保持同步的所有 I/O 輸出適當的硬件觸發器。

圖6.I/O 調度程序將同步域綁定在一起。

每個 I/O 都有自己的一組計時/重置要求，這意味著 I/O 事件調度程序必須為每個 I/O 提供定制的觸發器。雖然觸發要求不同，但一般原則適用于所有觸發要求。首先，所有觸發器都必須引用到幀同步。其次，每個觸發器都有一個延遲/偏移。這種延遲與I/O的固有延遲有關，例如，ADC的轉換時間或sinc濾波器的群延遲。第三，I/O的響應時間，例如，從ADC傳輸數據。I/O事件調度器知道每個I/O的時序要求，并根據本地時鐘連續調整觸發/復位脈沖。生成I/O事件調度器每個輸出脈沖的原理總結于圖7。

圖7.I/O 調度程序生成觸發脈沖。

在大多數聯網運動控制系統中，幀速率以及幀同步速率等于或低于電機控制器的PWM更新速率。這意味著 I/O 事件調度器必須在每個幀周期提供至少一個甚至多個觸發脈沖。例如，如果幀速率為 10 kHz，PWM 速率為 10 kHz，則 I/O 事件調度器必須為每個網絡幀提供 1 個觸發脈沖，同樣，如果幀速率為 1 kHz，PWM 速率為 10 kHz，則 I/O 事件調度器必須為每個網絡幀提供 10 個觸發脈沖。這相當于圖7中的倍頻器。延遲，tD，應用于每個同步脈沖，以補償每個 I/O 的固有延遲。I/O 事件調度程序的最后一個元素是智能篩選功能。在每個網絡上，流量都會有一些抖動。濾波器可降低觸發脈沖上的抖動，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同步的示例時序圖。在本例中，請注意幀同步頻率如何是PWM頻率的倍數，以及如何減少I/O觸發信號上的抖動。

實現

圖8顯示了在聯網運動控制系統中實現和測試的擬議同步方案的示例。網絡主機是 Beckhoff CX2020 PLC，它連接到 PC 以開發和部署 PLC 程序。實時網絡的協議（紅色箭頭）是EtherCAT。

圖8.同步方案的實現。

電機控制器的主要元件是ADI公司的fido5200和ADSP-CM408。兩者共同為網絡連接的電機驅動器提供了高度集成的芯片組。

fido5200 是一款具有兩個以太網端口的實時以太網多協議 （REM） 交換機。它在主機處理器和工業以太網物理層之間提供靈活的接口。fido5200包括一個可配置的定時器控制單元（TCU），可以為各種工業以太網協議實現高級同步方案。輸入捕獲和方波信號輸出等附加功能也可以通過專用定時器引腳實現。定時器輸入/輸出與同步的本地時間保持同相，因此與網絡流量保持同相。這樣不僅可以同步單個從節點的 I/O，還可以同步整個網絡中的從節點。

REM 交換機有兩個以太網端口，因此連接到兩個物理（PHY1 和 PHY2）。此拓撲同時支持環形和線形網絡。但是，在實驗設置中，只有一個從節點用于說明，并且只有一個以太網端口處于活動狀態。

REM 交換機通過并行內存總線與主機處理器通信，從而確保高吞吐量和低延遲。

用于實現電機控制器的主機處理器是ADSP-CM408。它是基于 ARM Cortex-M4F 內核的特定應用處理器，用于實現控制和應用功能。該處理器包括支持工業控制應用的外設，例如用于PWM逆變器控制的定時器、ADC采樣和位置編碼器接口。為了使所有外圍設備與網絡保持同步，使用了靈活的觸發路由單元（TRU）。TRU將fido5200的TCU生成的觸發器重定向到ADSP-CM408上的所有時序關鍵型外設。這些器件包括脈寬調制器、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 背后的原理如圖 9 所示。??

圖9.為 I/O 生成同步事件。

在圖 9 中，請注意如何使用 REM 交換機上的 TCU 和電機控制處理器上的 TRU 實現 I/O 事件調度器。換句話說，該功能是通過兩個集成電路實現的。

電機控制器的反饋是三相伺服電機的相電流和轉子位置。相電流使用隔離式Σ-Δ型ADC測量，轉子位置使用EnDat絕對編碼器測量。Σ-Δ型ADC和編碼器均可直接與ADSP-CM408接口，無需任何外部FPGA或CPLD。

PWM 開關頻率為 10 kHz，每個 PWM 周期執行一次控制算法。如本文所述，TCU在每個PWM周期向ADSP-CM408提供一次同步脈沖。

實驗結果

實驗設置的照片如圖10所示。為了說明系統的同步，PLC被設置為運行任務時間為200 μs的程序。任務時間還決定了 EtherCAT 網絡上的幀速率。電機控制器以 PWM 運行，控制更新周期為 100 μs （10 kHz），因此需要以該速率發生同步脈沖。結果如圖 11 所示。

圖10.同步方案的實現。

圖11.為 I/O 生成同步事件。

信號“數據就緒”指示 REM 開關何時將網絡數據提供給電機控制應用。信號每 200 μs 置位一次，對應于 EtherCAT 幀速率。PWM同步信號也由REM開關產生，用于保持電機控制器的I/O與網絡流量同步。由于PWM周期為100 μs，REM開關為每個EtherCAT幀安排兩個PWM同步脈沖。圖11中較低的兩個信號HS PWM和LS PWM是其中一個電機相位的高邊和低邊PWM。請注意 PWM 信號如何與網絡流量同步。

總結

實時以太網廣泛用于運動控制系統，一些協議實現了精度低于1 μs的時間同步。但是，同步僅涉及網絡主站和從站之間的數據流量?，F有的網絡解決方案不包括運動控制I/O的同步，這限制了可實現的控制性能。

本文提出的同步方案可實現從網絡主站到電機端子的全程同步。由于同步性大大改進，所提出的方案在控制性能方面提供了顯著的改進。所提出的方案還提供了跨多個軸的無縫同步?？梢暂p松添加軸，并根據單個電機控制器定制同步。

同步基于 I/O 事件調度程序，該調度程序位于網絡控制器和電機控制器之間。I/O事件調度器可動態編程，并可進行調節以最大程度地減少抖動/頻率變化的影響。

本文提出的方案已在實驗設置中得到驗證，并給出了結果。實驗中以EtherCAT作為通信協議。但是，所提出的想法適用于任何實時以太網協議。

審核編輯：郭婷