實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)上多軸運(yùn)動(dòng)控制的同步

每個(gè) I/O 都有自己的一組計(jì)時(shí)/重置要求，這意味著 I/O 事件調(diào)度程序必須為每個(gè) I/O 提供定制的觸發(fā)器。雖然觸發(fā)要求不同，但一般原則適用于所有觸發(fā)要求。首先，所有觸發(fā)器都必須引用到幀同步。其次，每個(gè)觸發(fā)器都有一個(gè)延遲/偏移。這種延遲與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，I/O的響應(yīng)時(shí)間，例如，從ADC傳輸數(shù)據(jù)。I/O事件調(diào)度器知道每個(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)輸出脈沖的原理總結(jié)于圖7。

圖7.I/O 調(diào)度程序生成觸發(fā)脈沖。

在大多數(shù)聯(lián)網(wǎng)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)度器必須在每個(gè)幀周期提供至少一個(gè)甚至多個(gè)觸發(fā)脈沖。例如，如果幀速率為 10 kHz，PWM 速率為 10 kHz，則 I/O 事件調(diào)度器必須為每個(gè)網(wǎng)絡(luò)幀提供 1 個(gè)觸發(fā)脈沖，同樣，如果幀速率為 1 kHz，PWM 速率為 10 kHz，則 I/O 事件調(diào)度器必須為每個(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。延遲，tD，應(yīng)用于每個(gè)同步脈沖，以補(bǔ)償每個(gè) I/O 的固有延遲。I/O 事件調(diào)度程序的最后一個(gè)元素是智能篩選功能。在每個(gè)網(wǎng)絡(luò)上，流量都會(huì)有一些抖動(dòng)。濾波器可降低觸發(fā)脈沖上的抖動(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同步的示例時(shí)序圖。在本例中，請(qǐng)注意幀同步頻率如何是PWM頻率的倍數(shù)，以及如何減少I(mǎi)/O觸發(fā)信號(hào)上的抖動(dòng)。

實(shí)現(xiàn)

圖8顯示了在聯(lián)網(wǎng)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)和測(cè)試的擬議同步方案的示例。網(wǎng)絡(luò)主機(jī)是 Beckhoff CX2020 PLC，它連接到 PC 以開(kāi)發(fā)和部署 PLC 程序。實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)的協(xié)議（紅色箭頭）是EtherCAT。

圖8.同步方案的實(shí)現(xiàn)。

電機(jī)控制器的主要元件是ADI公司的fido5200和ADSP-CM408。兩者共同為網(wǎng)絡(luò)連接的電機(jī)驅(qū)動(dòng)器提供了高度集成的芯片組。

fido5200 是一款具有兩個(gè)以太網(wǎng)端口的實(shí)時(shí)以太網(wǎng)多協(xié)議 （REM） 交換機(jī)。它在主機(jī)處理器和工業(yè)以太網(wǎng)物理層之間提供靈活的接口。fido5200包括一個(gè)可配置的定時(shí)器控制單元（TCU），可以為各種工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議實(shí)現(xiàn)高級(jí)同步方案。輸入捕獲和方波信號(hào)輸出等附加功能也可以通過(guò)專(zhuān)用定時(shí)器引腳實(shí)現(xiàn)。定時(shí)器輸入/輸出與同步的本地時(shí)間保持同相，因此與網(wǎng)絡(luò)流量保持同相。這樣不僅可以同步單個(gè)從節(jié)點(diǎn)的 I/O，還可以同步整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中的從節(jié)點(diǎn)。

REM 交換機(jī)有兩個(gè)以太網(wǎng)端口，因此連接到兩個(gè)物理（PHY1 和 PHY2）。此拓?fù)渫瑫r(shí)支持環(huán)形和線(xiàn)形網(wǎng)絡(luò)。但是，在實(shí)驗(yàn)設(shè)置中，只有一個(gè)從節(jié)點(diǎn)用于說(shuō)明，并且只有一個(gè)以太網(wǎng)端口處于活動(dòng)狀態(tài)。

REM 交換機(jī)通過(guò)并行內(nèi)存總線(xiàn)與主機(jī)處理器通信，從而確保高吞吐量和低延遲。

用于實(shí)現(xiàn)電機(jī)控制器的主機(jī)處理器是ADSP-CM408。它是基于 ARM Cortex-M4F 內(nèi)核的特定應(yīng)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)，例如用于PWM逆變器控制的定時(shí)器、ADC采樣和位置編碼器接口。為了使所有外圍設(shè)備與網(wǎng)絡(luò)保持同步，使用了靈活的觸發(fā)路由單元（TRU）。TRU將fido5200的TCU生成的觸發(fā)器重定向到ADSP-CM408上的所有時(shí)序關(guān)鍵型外設(shè)。這些器件包括脈寬調(diào)制器、用于相電流測(cè)量的sinc濾波器、ADC和絕對(duì)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(qǐng)注意如何使用 REM 交換機(jī)上的 TCU 和電機(jī)控制處理器上的 TRU 實(shí)現(xiàn) I/O 事件調(diào)度器。換句話(huà)說(shuō)，該功能是通過(guò)兩個(gè)集成電路實(shí)現(xiàn)的。

電機(jī)控制器的反饋是三相伺服電機(jī)的相電流和轉(zhuǎn)子位置。相電流使用隔離式Σ-Δ型ADC測(cè)量，轉(zhuǎn)子位置使用EnDat絕對(duì)編碼器測(cè)量。Σ-Δ型ADC和編碼器均可直接與ADSP-CM408接口，無(wú)需任何外部FPGA或CPLD。

PWM 開(kāi)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周期向ADSP-CM408提供一次同步脈沖。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)設(shè)置的照片如圖10所示。為了說(shuō)明系統(tǒng)的同步，PLC被設(shè)置為運(yùn)行任務(wù)時(shí)間為200 μs的程序。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 運(yùn)行，控制更新周期為 100 μs （10 kHz），因此需要以該速率發(fā)生同步脈沖。結(jié)果如圖 11 所示。

圖10.同步方案的實(shí)現(xiàn)。

圖11.為 I/O 生成同步事件。

信號(hào)“數(shù)據(jù)就緒”指示 REM 開(kāi)關(guān)何時(shí)將網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)提供給電機(jī)控制應(yīng)用。信號(hào)每 200 μs 置位一次，對(duì)應(yīng)于 EtherCAT 幀速率。PWM同步信號(hào)也由REM開(kāi)關(guān)產(chǎn)生，用于保持電機(jī)控制器的I/O與網(wǎng)絡(luò)流量同步。由于PWM周期為100 μs，REM開(kāi)關(guān)為每個(gè)EtherCAT幀安排兩個(gè)PWM同步脈沖。圖11中較低的兩個(gè)信號(hào)HS PWM和LS PWM是其中一個(gè)電機(jī)相位的高邊和低邊PWM。請(qǐng)注意 PWM 信號(hào)如何與網(wǎng)絡(luò)流量同步。

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)議實(shí)現(xiàn)了精度低于1 μs的時(shí)間同步。但是，同步僅涉及網(wǎng)絡(luò)主站和從站之間的數(shù)據(jù)流量?，F(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)解決方案不包括運(yùn)動(dòng)控制I/O的同步，這限制了可實(shí)現(xiàn)的控制性能。

本文提出的同步方案可實(shí)現(xiàn)從網(wǎng)絡(luò)主站到電機(jī)端子的全程同步。由于同步性大大改進(jìn)，所提出的方案在控制性能方面提供了顯著的改進(jìn)。所提出的方案還提供了跨多個(gè)軸的無(wú)縫同步?？梢暂p松添加軸，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)度程序，該調(diào)度程序位于網(wǎng)絡(luò)控制器和電機(jī)控制器之間。I/O事件調(diào)度器可動(dòng)態(tài)編程，并可進(jìn)行調(diào)節(jié)以最大程度地減少抖動(dòng)/頻率變化的影響。

本文提出的方案已在實(shí)驗(yàn)設(shè)置中得到驗(yàn)證，并給出了結(jié)果。實(shí)驗(yàn)中以EtherCAT作為通信協(xié)議。但是，所提出的想法適用于任何實(shí)時(shí)以太網(wǎng)協(xié)議。

審核編輯：郭婷