多軸機器人和機床應(yīng)用中的時序挑戰(zhàn)

簡介

在工業(yè)機器人和機床應(yīng)用中，可能涉及在特定空間內(nèi)精準協(xié)調(diào)多個軸的移動，以完成手頭的工作。機器人一般有6個軸，這些軸必須協(xié)調(diào)有序，如果有時候機器人沿軌道移動，則會有7個軸。在CNC加工中，5軸協(xié)調(diào)很常見，但是有些應(yīng)用會用到多達12個軸，其中工具和工件在特定空間內(nèi)相對移動。每個軸都包含一個伺服驅(qū)動器、一個電機，有時候，在電機和軸接頭，或者末端執(zhí)行器之間會加裝一個變速箱。然后，系統(tǒng)通過工業(yè)以太網(wǎng)互聯(lián)，一般采用LINE型拓撲，具體如圖1所示。電機控制器將所需的空間軌跡轉(zhuǎn)換為每個伺服軸所需的單個位置基準，然后在網(wǎng)絡(luò)上循環(huán)傳輸。

圖1 多軸機床的網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)

控制周期

這些應(yīng)用按定義的周期時間運行，這個時間一般等于，或者是底層伺服電機驅(qū)動器的基波控制/脈寬調(diào)制(PWM)開關(guān)周期的幾倍。在圖2所示的這種環(huán)境中，端到端網(wǎng)絡(luò)傳輸延遲是一個重要參數(shù)。在每個周期內(nèi)，電機控制器必須將新位置基準和其他相關(guān)信息傳輸給圖1中的各個節(jié)點。然后，PWM周期內(nèi)需要余留足夠的時間，以供每個節(jié)點使用新位置基準和任何新傳感器數(shù)據(jù)來更新伺服控制算法計算。然后，各個節(jié)點通過依賴于工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議的分布式時鐘機制，在同一時間點將更新后的PWM矢量應(yīng)用于伺服驅(qū)動器。根據(jù)具體的控制架構(gòu)，部分控制回路算法可以在PLC中實現(xiàn)，如果在網(wǎng)絡(luò)上接收到任何相關(guān)傳感器信息更新后，需要足夠的時間才能實現(xiàn)。

圖2 PWM周期和網(wǎng)絡(luò)傳輸時間

數(shù)據(jù)傳輸延遲

假設(shè)網(wǎng)絡(luò)上唯一的流量是機床控制器和伺服節(jié)點之間的周期性數(shù)據(jù)流，網(wǎng)絡(luò)延遲(TNW)由網(wǎng)絡(luò)跳轉(zhuǎn)到最遠節(jié)點的次數(shù)、網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)速率和每個節(jié)點遭受的延遲決定。在使用機器人和機床時，線路導致的信號傳輸延遲可以忽略，這是因為線纜長度一般相對較短。主要的延遲為帶寬延遲；即將數(shù)據(jù)傳輸?shù)骄€路所需的時間。對于最小的以太網(wǎng)幀（一般適用于機床和機器人控制），有關(guān)100 Mbps和1 Gbps位速率的帶寬延遲，請參考圖3。這就等于數(shù)據(jù)包尺寸/數(shù)據(jù)速率。對于多軸系統(tǒng)，從控制器到伺服器的典型數(shù)據(jù)有效載荷由各伺服器的4字節(jié)速度/位置基準更新和1字節(jié)控制器更新組成，也就是說，6軸機器人的有效載荷為30個字節(jié)。當然，有些應(yīng)用的更新中包含更多信息，并且/或有更多軸，在這些情況下，數(shù)據(jù)包的尺寸要大于最小尺寸。

圖3 最小長度以太網(wǎng)幀的帶寬延遲

除了帶寬延遲外，其他延遲元素是由于以太網(wǎng)幀通過每個伺服網(wǎng)絡(luò)接口的PHY和雙端口開關(guān)產(chǎn)生的。這些延遲如圖4和圖5所示，其中顯示幀移動的部分是穿過PHY進入MAC(1-2)，通過目標地址分析時，只需要對幀的前導和目標部分進行計時管控。路徑2-3a表示對當前節(jié)點有效載荷數(shù)據(jù)的截取，路徑2-3b則表示幀向目標節(jié)點行進的路程。圖4a只顯示傳輸給2-3a中的應(yīng)用的有效載荷，圖4b則顯示被傳輸?shù)膸拇蟛糠?；這表明以太網(wǎng)協(xié)議之間可能存在細微的差異。路徑3b-4表示幀出站傳輸，通過傳輸隊列、通過PHY，然后回到線纜。圖中所示的線路終端節(jié)點中不存在這種路徑。這里假設(shè)采用直通數(shù)據(jù)包交換，而不是存儲轉(zhuǎn)發(fā)，后者的延遲時間更長，因為整個幀都要計入開關(guān)，然后再被轉(zhuǎn)發(fā)。

圖4 幀延遲：(a)雙端口模式幀延遲和(b)線路終端節(jié)點

圖5按時間線顯示幀的延時元素，其中描述了幀穿過一個軸節(jié)點的全部傳輸時間。TBW表示帶寬延遲，TL_1node 表示幀通過單個節(jié)點的延遲。除了與位通過線路進行物理傳輸，以及計入地址位用于實施目標地址分析相關(guān)的延遲外，PHY和開關(guān)組件延遲是其他會影響系統(tǒng)內(nèi)的傳輸延遲的因素。隨著線路上的位速率增加，節(jié)點數(shù)量增多，這些延遲對整個端到端幀傳輸延遲的影響會更大。

圖5 幀傳輸時間線

低延遲解決方案

ADI公司最近推出了兩款新工業(yè)以太網(wǎng)PHY，專用于在更廣泛的環(huán)境溫度范圍（最高105°C）內(nèi)，在嚴苛的工業(yè)條件下可靠運行，具備出色的功率和延遲規(guī)格。ADIN1300 和ADIN1200 專用于解決本文中提到的挑戰(zhàn)，成為工業(yè)應(yīng)用的理想選擇。有了fido5000 實時以太網(wǎng)、多協(xié)議嵌入式雙端口開關(guān)后，ADI公司開發(fā)出了適用于確定性時間敏感型應(yīng)用的解決方案。

表1列出了PHY和開關(guān)導致的延遲，前提是假設(shè)接收緩沖器分析是以目標地址為基礎(chǔ)，且假設(shè)采用100 Mbps網(wǎng)絡(luò)。

舉例來說，將這些延遲計入多達7個軸的線路網(wǎng)絡(luò)，并將總有效載荷計入最終節(jié)點（圖4中為3a），總傳輸延遲變成

其中58 × 80 ns表示前導和目標地址字節(jié)被讀取后，余下的58字節(jié)有效載荷。

這項計算假設(shè)網(wǎng)絡(luò)中沒有其他流量，或者網(wǎng)絡(luò)能夠優(yōu)先訪問時間敏感型流量。它在某種程度上依賴協(xié)議，根據(jù)具體使用的工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議，計算得出的值會存在微小差異?；仡檲D2，將機械系統(tǒng)的周期時間降低至50 μs至100 μs時，將幀傳輸?shù)阶钸h的節(jié)點可能占用整個周期的近50%，導致留給下一周期更新電機控制和移動控制算法計算的時間減少。最大程度縮短這段傳輸時間對于優(yōu)化性能而言非常重要，因為它允許實施更長、更復雜的控制計算。鑒于與線路數(shù)據(jù)相關(guān)的延遲是固定的，且與位速率相關(guān)，使用低延遲組件（例如ADIN1200 PHY和fido5000嵌入式開關(guān)）將是優(yōu)化性能的關(guān)鍵，尤其是在節(jié)點數(shù)量增加（例如，12軸CNC機床），周期時間縮短時。轉(zhuǎn)而使用千兆以太網(wǎng)可以大幅降低帶寬延遲造成的影響，但是會增加開關(guān)和PHY組件導致的總體延遲的比例。例如，采用千兆網(wǎng)絡(luò)的12軸CNC機床的網(wǎng)絡(luò)傳輸延遲約為7.5 μs。在這種情況下，帶寬元素可以忽略不計，使用最小或最大以太網(wǎng)幀尺寸不會造成任何差別。網(wǎng)絡(luò)延遲大致可以由PHY和開關(guān)均分，隨著工業(yè)系統(tǒng)轉(zhuǎn)而采用千兆網(wǎng)速、控制周期時間縮短(EtherCAT? 顯示的周期時間為12.5 μs）、因為在控制網(wǎng)絡(luò)中增加以太網(wǎng)連接的傳感器而導致節(jié)點數(shù)增加，以及網(wǎng)絡(luò)拓撲不斷趨于扁平，凸顯了最小化這些元素的延遲的價值。

結(jié)論

在高性能多軸同步移動應(yīng)用中，控制時序要求非常精準，具有確定性和時間關(guān)鍵性，要求最大程度縮短端到端延遲，在控制周期時間縮短，控制算法的復雜性增加時尤其如此。低延遲PHY和嵌入式直通開關(guān)是優(yōu)化這些系統(tǒng)的重要組件。為解決本文所述挑戰(zhàn)，ADI公司近期推出了兩款新的穩(wěn)健型工業(yè)以太網(wǎng)PHY，即ADIN1300 (10 Gb/100 Gb/1000 Gb)和ADIN1200 (10 Gb/100 Gb)。欲了解有關(guān)ADI物理層技術(shù)的更多信息，請訪問analog.com/ADIN1300和analog.com/ADIN1200。欲了解有關(guān)ADI的 Chronous? 工業(yè)以太網(wǎng)解決方案產(chǎn)品系列，以及它們?nèi)绾渭涌煺嬲墓I(yè)以太網(wǎng)的速度，請訪問analog.com/chronous。

作者

Dara O’Sullivan

Dara O'Sullivan是ADI公司自動化、能源與傳感器業(yè)務(wù)部電機和電源控制團隊(MPC)的高級系統(tǒng)應(yīng)用工程師。其專長領(lǐng)域是交流電機控制應(yīng)用的功率轉(zhuǎn)換和控制。Dara擁有愛爾蘭科克大學工程學士、工程碩士和博士學位。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。