多軸機(jī)器人和機(jī)床應(yīng)用中的時(shí)序挑戰(zhàn)

控制周期

這些應(yīng)用在定義的周期時(shí)間上運(yùn)行，該周期時(shí)間通常等于底層伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的基本控制/脈寬調(diào)制 （PWM） 開關(guān)周期或倍數(shù)。在這種情況下，端到端網(wǎng)絡(luò)傳輸延遲是一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)，如圖 2 所示。在每個(gè)周期內(nèi)，新的位置參考和其他相關(guān)信息必須從機(jī)器控制器傳輸?shù)綀D 1 的每個(gè)節(jié)點(diǎn)。然后，每個(gè)節(jié)點(diǎn)在PWM周期內(nèi)需要有足夠的剩余時(shí)間，以使用新的位置參考以及任何新的傳感器數(shù)據(jù)更新伺服控制算法計(jì)算。然后，每個(gè)節(jié)點(diǎn)通過依賴于工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議的分布式時(shí)鐘機(jī)制在同一時(shí)間點(diǎn)在伺服驅(qū)動(dòng)器中應(yīng)用更新的PWM矢量。根據(jù)控制架構(gòu)，部分控制環(huán)路算法可以在PLC中實(shí)現(xiàn)，并且需要足夠的時(shí)間才能可用，通過網(wǎng)絡(luò)接收任何相關(guān)的傳感器信息更新。

圖2.PWM周期和網(wǎng)絡(luò)傳輸時(shí)間。

數(shù)據(jù)傳輸延遲

假設(shè)網(wǎng)絡(luò)上唯一的流量是機(jī)器控制器和伺服節(jié)點(diǎn)之間流動(dòng)的循環(huán)數(shù)據(jù)，則網(wǎng)絡(luò)延遲（T西北） 由到最遠(yuǎn)節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)躍點(diǎn)數(shù)、網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)速率以及每個(gè)節(jié)點(diǎn)中遇到的延遲決定。在機(jī)器人和機(jī)床的背景下，信號(hào)沿導(dǎo)線的傳播延遲可以忽略不計(jì)，因?yàn)殡娎|長(zhǎng)度通常相對(duì)較短。主要延遲是帶寬延遲;也就是說，將數(shù)據(jù)放到線路上所需的時(shí)間。對(duì)于最小尺寸的以太網(wǎng)幀（通常用于機(jī)床和機(jī)器人控制），圖 3 顯示了 100 Mbps 和 1 Gbps 比特率的帶寬延遲。這只是數(shù)據(jù)包大小除以數(shù)據(jù)速率。從控制器到伺服的多軸系統(tǒng)的典型數(shù)據(jù)有效載荷包括每個(gè)伺服的 4 字節(jié)速度/位置參考更新和 1 字節(jié)控制字更新，這意味著 6 軸機(jī)器人的有效載荷為 30 字節(jié)。當(dāng)然，某些應(yīng)用程序?qū)⒃诟轮袛y帶更多信息和/或具有更多軸，在這種情況下，可能需要大于最小大小的數(shù)據(jù)包。

圖3.最小長(zhǎng)度以太網(wǎng)幀的帶寬延遲。

除了帶寬延遲之外，其他延遲元素是由于以太網(wǎng)幀通過每個(gè)伺服網(wǎng)絡(luò)接口上的 PHY 和 2 端換機(jī)而發(fā)生的。這些延遲如圖4和圖5所示，其中幀通過PHY進(jìn)入MAC（1-2），通過目標(biāo)地址分析顯示，其中只有幀的前導(dǎo)碼和目標(biāo)部分必須通過時(shí)鐘。路徑 2-3a 表示提取當(dāng)前節(jié)點(diǎn)的有效負(fù)載數(shù)據(jù)，而路徑 2-3b 表示幀到目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的后續(xù)旅程。圖 4a 僅顯示了在 2-3a 中傳遞給應(yīng)用程序的有效負(fù)載，而圖 4b 顯示了正在傳遞的大部分幀;這表明以太網(wǎng)協(xié)議之間可能發(fā)生的微小差異。路徑 3b-4 表示幀通過傳輸隊(duì)列、PHY 并返回到線路上的出站傳輸。如圖所示，此路徑不存在于行端節(jié)點(diǎn)上。這里假設(shè)直通數(shù)據(jù)包交換，而不是存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)，后者具有更高的延遲，因?yàn)檎麄€(gè)幀在轉(zhuǎn)發(fā)之前都進(jìn)入交換機(jī)。

圖4.幀延遲：（a） 2 端口節(jié)點(diǎn)幀延遲和 （b） 線路端節(jié)點(diǎn)。

圖5還顯示了幀的延遲元素，如圖5所示，其中顯示了通過一個(gè)軸節(jié)點(diǎn)的總幀傳輸時(shí)間。TBW表示帶寬延遲，而 TL_1node表示幀通過單個(gè)節(jié)點(diǎn)的延遲。除了與通過線路的位物理傳輸和用于目標(biāo)地址分析的地址位的時(shí)鐘輸入相關(guān)的延遲外，PHY和開關(guān)組件延遲是影響系統(tǒng)內(nèi)傳輸延遲的其他因素。隨著線路上比特率的增加和節(jié)點(diǎn)數(shù)量的增加，這些延遲在整個(gè)端到端幀傳輸延遲中變得更加重要。

圖5.幀傳輸時(shí)間軸。

低延遲解決方案

ADI公司發(fā)布了兩款新型工業(yè)以太網(wǎng)PHY，設(shè)計(jì)用于在惡劣的工業(yè)條件下可靠運(yùn)行，環(huán)境溫度范圍高達(dá)105°C，并具有業(yè)界領(lǐng)先的功耗和延遲規(guī)格。ADIN1300和ADIN1200專為應(yīng)對(duì)本文概述的挑戰(zhàn)而開發(fā)，是工業(yè)應(yīng)用的理想選擇。憑借fido5000實(shí)時(shí)以太網(wǎng)、多協(xié)議、嵌入式2端換機(jī)，ADI公司可為確定性時(shí)間敏感型應(yīng)用提供解決方案。

表 1 列出了 PHY 和交換機(jī)引入的延遲，假設(shè)接收緩沖區(qū)分析基于目標(biāo)地址并假設(shè)網(wǎng)絡(luò)為 100 Mbps。

例如，將這些延遲聚合到7軸線路網(wǎng)絡(luò)，并將全部有效載荷的時(shí)鐘連接到最終節(jié)點(diǎn)（圖4中的3a），總傳輸延遲變?yōu)?/p>

其中 58 × 80 ns 表示讀取前導(dǎo)碼和目標(biāo)地址字節(jié)后剩余的 58 字節(jié)有效負(fù)載。

此計(jì)算假定網(wǎng)絡(luò)上沒有其他流量，或者管理網(wǎng)絡(luò)以啟用對(duì)時(shí)間敏感的流量的優(yōu)先訪問。它也在某種程度上依賴于協(xié)議，根據(jù)所使用的確切工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議，計(jì)算略有不同?；氐綀D2，在周期時(shí)間低至50 μs至100 μs的機(jī)器系統(tǒng)中，到最遠(yuǎn)節(jié)點(diǎn)的幀傳輸可能占用近50%的周期，從而減少了可用于更新下一個(gè)周期的電機(jī)控制和運(yùn)動(dòng)控制算法計(jì)算的時(shí)間。最小化這種傳輸時(shí)間對(duì)于性能優(yōu)化非常重要，因?yàn)樗试S更長(zhǎng)和更復(fù)雜的控制計(jì)算。鑒于與線路上數(shù)據(jù)相關(guān)的延遲是固定的，并且與比特率相關(guān)，因此使用低延遲元件（如ADIN1200 PHY和fido5000嵌入式開關(guān)）是性能優(yōu)化的關(guān)鍵，尤其是在節(jié)點(diǎn)數(shù)量增加（例如12軸CNC機(jī)床）和周期時(shí)間縮短的情況下。遷移到千兆以太網(wǎng)可顯著降低帶寬延遲的影響，但會(huì)增加交換機(jī)和 PHY 組件引入的總體延遲比例。例如，千兆網(wǎng)絡(luò)上的 12 軸 CNC 機(jī)床的網(wǎng)絡(luò)傳輸延遲約為 7.5 μs。其帶寬元素可以忽略不計(jì)，并且使用最小或最大以太網(wǎng)幀大小幾乎沒有區(qū)別。網(wǎng)絡(luò)延遲在PHY和交換機(jī)之間大致平均分配，這突顯了隨著工業(yè)系統(tǒng)向千兆位速度發(fā)展、控制周期時(shí)間縮短（EtherCAT已證明循環(huán)時(shí)間為12.5 μs）以及節(jié)點(diǎn)數(shù)量隨著控制網(wǎng)絡(luò)中以太網(wǎng)連接傳感器的添加和網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞谋馄交鴶U(kuò)展的價(jià)值。

結(jié)論

在高性能、多軸、同步運(yùn)動(dòng)應(yīng)用中，控制時(shí)序要求精確、確定性和時(shí)間關(guān)鍵性，需要最大限度地減少端到端延遲，尤其是在控制周期時(shí)間縮短和控制算法復(fù)雜性增加的情況下。低延遲 PHY 和嵌入式直通開關(guān)是優(yōu)化這些系統(tǒng)的重要元素。

審核編輯：郭婷