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。
為了解釋現(xiàn)有解決方案的局限性，考慮一個兩軸網(wǎng)絡(luò)運(yùn)動控制系統(tǒng)，如圖1所示。運(yùn)動控制主機(jī)通過實(shí)時網(wǎng)絡(luò)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)絡(luò)上的一個從機(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。
圖1. 典型的兩軸網(wǎng)絡(luò)運(yùn)動控制系統(tǒng)。
實(shí)時網(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節(jié)點(diǎn)處配置一個本地同步時鐘。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，實(shí)時網(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)控制器何時從網(wǎng)絡(luò)中讀取數(shù)據(jù)。遵照這種方法，運(yùn)動控制器和電機(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)的定時精度。在響應(yīng)指令值和命令時，電機(jī)控制器的I/O會出現(xiàn)問題。
電機(jī)控制器中的每個I/O（例如脈寬調(diào)制(PWM)定時器和ADC）都具有固有的延遲和時間量化。例如，我們來看圖2所示的為功率逆變器產(chǎn)生柵極驅(qū)動信號的PWM定時器。該定時器通過比較指令值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，新的占空比要到下一個PWM周期才會生效。這相當(dāng)于一個零階保持效應(yīng)，意味著每個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2. PWM定時器的占空比更新。
在實(shí)時網(wǎng)絡(luò)上，無論數(shù)據(jù)交換如何緊密地同步，PWM定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，無法在新的占空比生效之前對其進(jìn)行響應(yīng)。這導(dǎo)致時間不確定性最長可達(dá)一個PWM周期(通常在50μs至100μs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未經(jīng)定義且可變的相位關(guān)系。將其與實(shí)時網(wǎng)絡(luò)上低于1μs的時間不確定性相比較，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PWM周期的可變不確定性。
考慮一個簡單的運(yùn)動曲線，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(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. 時序延遲對位置精度的影響。
圖5. 傳統(tǒng)（上圖）和新興（下圖）的運(yùn)動控制拓?fù)洹?/span>
采用這種系統(tǒng)拓?fù)洌\(yùn)動控制器和電機(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)動控制器(見圖5的下半部分所示)。在實(shí)時網(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6. I/O調(diào)度器將同步域綁定在一起。
每個I/O都有自己的一組時序/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)換時間或sinc濾波器的群延遲。第三，存在I/O響應(yīng)時間，例如，來自ADC的數(shù)據(jù)傳輸。I/O事件調(diào)度器掌握每個I/O的時序要求，并根據(jù)本地時鐘連續(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、也可能是多個觸發(fā)脈沖。例如，如果幀速率為10kHz且PWM速率為10 kHz，則I/O事件調(diào)度器必須為每一個網(wǎng)絡(luò)幀提供1個觸發(fā)脈沖，類似地，如果幀速率為1kHz且PWM速率為10kHz，I/O事件調(diào)度器必須為每一個網(wǎng)絡(luò)幀提供10個觸發(fā)脈沖。這相當(dāng)于圖7中的倍頻器。對每個同步脈沖施加延遲時間tD，以補(bǔ)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能濾波功能。每個網(wǎng)絡(luò)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)信號抖動是如何減小的。
圖8. 同步方案的實(shí)現(xiàn)。
電機(jī)控制器主要采用ADI的fido5200和ADSP-CM408。兩者結(jié)合，為網(wǎng)絡(luò)連接的電機(jī)驅(qū)動器提供高度集成的芯片組。
fido5200是一個帶有兩個以太網(wǎng)端口的實(shí)時以太網(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靈活的接口。fido5200包括一個可配置的定時器控制單元(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。定時器輸入/輸出與本地同步時間保持同相，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從機(jī)節(jié)點(diǎn)的I/O，而且可以同步整個網(wǎng)絡(luò)中的從機(jī)節(jié)點(diǎn)。
REM交換芯片有兩個以太網(wǎng)端口，因此可連接兩個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，僅使用一個從機(jī)節(jié)點(diǎn)，并且只有一個以太網(wǎng)端口處于活動狀態(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-ΔADC測量，轉(zhuǎn)子位置則使用EnDat絕對編碼器測量。-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PWM周期執(zhí)行一次控制算法。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。
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交換芯片何時向電機(jī)控制應(yīng)用提供網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)。信號每200μs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100μs，REM交換芯片每個EtherCAT幀調(diào)度兩次PWM同步脈沖。圖11中下方的兩個信號HSPWM和LSPWM是其中一個電機(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。
實(shí)時以太網(wǎng)廣泛用于運(yùn)動控制系統(tǒng)，一些協(xié)議可實(shí)現(xiàn)精度小于1μs的時間同步。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軸的無縫同步。可以輕松地添加軸，并根據(jù)單個電機(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)時高速編程，并且可進(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(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)時以太網(wǎng)協(xié)議。
ADI網(wǎng)站再度更新升級
