通過實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)多軸運(yùn)動(dòng)控制的同步

采用這種系統(tǒng)拓?fù)?，運(yùn)動(dòng)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(huì)使之成為問題。位置環(huán)路通常具有相當(dāng)?shù)偷膸?，因此對I/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?，但也可以使用其他的控制分區(qū)方法，例如在運(yùn)動(dòng)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(dòng)控制器（見圖5的下半部分所示）。在實(shí)時(shí)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(dòng)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(shí)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(dòng)控制都在同一個(gè)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?？刂骗h(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。

建議的解決方案

將更快速的控制環(huán)路移至運(yùn)動(dòng)控制器提出了從網(wǎng)絡(luò)主機(jī)直到電機(jī)終端全程同步的要求。

總體思路是使所有軸的I/O與網(wǎng)絡(luò)同步，以使它們?nèi)荚谝粋€(gè)同步域中運(yùn)行。圖6顯示了一個(gè)位于網(wǎng)絡(luò)控制器和電機(jī)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外設(shè)生成同步/復(fù)位脈沖，使它們與網(wǎng)絡(luò)流量保持同步。I/O事件調(diào)度器獲取幀同步信號，該信號來源于網(wǎng)絡(luò)控制器的本地時(shí)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)?a href='http://www.wenjunhu.com/v/tag/1751/' target='_blank' class='arckwlink_none'>硬件觸發(fā)信號。

每個(gè)I/O都有自己的一組時(shí)序/復(fù)位要求，這意味著I/O事件調(diào)度器必須為每個(gè)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(gè)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(shí)間或sinc濾波器的群延遲。第三，存在I/O響應(yīng)時(shí)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(gè)I/O的時(shí)序要求，并根據(jù)本地時(shí)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(gè)輸出脈沖的原理概述如圖7所示。

在大多數(shù)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)動(dòng)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(gè)、也可能是多個(gè)觸發(fā)脈沖。例如，如果幀速率為10 kHz且PWM速率為10 kHz，則I/O事件調(diào)度器必須為每一個(gè)網(wǎng)絡(luò)幀提供1個(gè)觸發(fā)脈沖，類似地，如果幀速率為1 kHz且PWM速率為10 kHz，I/O事件調(diào)度器必須為每一個(gè)網(wǎng)絡(luò)幀提供10個(gè)觸發(fā)脈沖。這相當(dāng)于圖7中的倍頻器。對每個(gè)同步脈沖施加延遲時(shí)間tD，以補(bǔ)償每個(gè)I/O的固有延遲。I/O事件調(diào)度器的最后一個(gè)要素是智能濾波功能。每個(gè)網(wǎng)絡(luò)上都會(huì)存在一些流量抖動(dòng)。濾波器可減少觸發(fā)脈沖的抖動(dòng)，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(gè)示例時(shí)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(dòng)是如何減小的。

實(shí)現(xiàn)方案

圖8顯示了一個(gè)在網(wǎng)絡(luò)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)中實(shí)施并進(jìn)行測試的推薦的同步方案示例。網(wǎng)絡(luò)主機(jī)采用Beckhoff CX2020 PLC，并連接到PC用于開發(fā)和部署PLC程序。實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議（紅色箭頭）為EtherCAT。

電機(jī)控制器主要采用ADI公司的fido5200和ADSP-CM408。兩者結(jié)合，為網(wǎng)絡(luò)連接的電機(jī)驅(qū)動(dòng)器提供高度集成的芯片組。

fido5200是一個(gè)帶有兩個(gè)以太網(wǎng)端口的實(shí)時(shí)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(gè)靈活的接口。fido5200包括一個(gè)可配置的定時(shí)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(shí)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(shí)器輸入/輸出與本地同步時(shí)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(gè)從機(jī)節(jié)點(diǎn)的I/O，而且可以同步整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中的從機(jī)節(jié)點(diǎn)。

REM交換芯片有兩個(gè)以太網(wǎng)端口，因此可連接兩個(gè)Phys（PHY1和PHY2）。該拓?fù)渲С?a target='_blank' class='arckwlink_none'>環(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(gè)從機(jī)節(jié)點(diǎn)，并且只有一個(gè)以太網(wǎng)端 口處于活動(dòng)狀態(tài)。

REM交換芯片通過并行存儲(chǔ)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(shí)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(gè)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(shí)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。

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(gè)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(gè)PWM周期執(zhí)行一次控制算法。如本文所述，TCU在每個(gè)PWM周期內(nèi)為ADSP-CM408提供一次同步脈沖。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)設(shè)置照片如圖10所示。為了說明系統(tǒng)的同步功能，設(shè)置PLC使之運(yùn)行一個(gè)持續(xù)200 μs的程序任務(wù)。任務(wù)時(shí)間還決定了EtherCAT網(wǎng)絡(luò)上的幀速率。電機(jī)控制器以PWM方式運(yùn)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（數(shù)據(jù)就緒）信號指示REM交換芯片何時(shí)向電機(jī)控制應(yīng)用提供網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)。信號每200 μs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100 μs，REM交換芯片每個(gè)EtherCAT幀調(diào)度兩次PWM同步脈沖。圖11中下方的兩個(gè)信號HSPWM和LSPWM是其中一個(gè)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。

總結(jié)

實(shí)時(shí)以太網(wǎng)廣泛用于運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，一些協(xié)議可實(shí)現(xiàn)精度小于1 μs的時(shí)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?，F(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)解決方案不包括運(yùn)動(dòng)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(gè)軸的無縫同步?？梢暂p松地添加軸，并根據(jù)單個(gè)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(shí)高速編程，并且可進(jìn)行調(diào)節(jié)以最小化抖動(dòng)/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(shí)以太網(wǎng)協(xié)議。

參考電路

1 Jie Ma. “2016年第六屆儀器測量、計(jì)算機(jī)、通信與控制國際會(huì) 議，2016年7月。”2016年第六屆儀器測量、計(jì)算機(jī)、通信與控制國際會(huì)議，2016年7月。

作者：Jens Sorensen

Jens Sorensen 是ADI公司應(yīng)用工程師，負(fù)責(zé)工業(yè)應(yīng)用的電機(jī)控制解決方案。他的主要興趣在于控制算法、電源電子和控制處理器。Sorensen目前專注工業(yè)應(yīng)用，而在早期職業(yè)生涯中致力于開發(fā)家用電器和汽車應(yīng)用中的電機(jī)控制和電源電子元件。

Dara O’Sullivan

Dara O'Sullivan是ADI公司自動(dòng)化、能源與傳感器業(yè)務(wù)部電機(jī)和電源控制團(tuán)隊(duì)(MPC)的高級系統(tǒng)應(yīng)用工程師。其專長領(lǐng)域是交流電機(jī)控制應(yīng)用的功率轉(zhuǎn)換和控制。Dara擁有愛爾蘭科克大學(xué)工程學(xué)士、工程碩士和博士學(xué)位。自2001年起，Dara便從事研究、咨詢和工業(yè)領(lǐng)域的工業(yè)與可再生能源應(yīng)用方面的工作。

Christian Aaen

Christian Aaen 是ADI公司的確定性以太網(wǎng)技術(shù)部的軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)工程師。他的專業(yè)領(lǐng)域是嵌入式軟件設(shè)計(jì)，并具有功率轉(zhuǎn)換和電機(jī)驅(qū)動(dòng)方面的技術(shù)背景。他擁有丹麥奧爾堡大學(xué)理學(xué)學(xué)士和理學(xué)碩士學(xué)位。