關于實時網(wǎng)絡實現(xiàn)兩軸網(wǎng)絡運動控制系統(tǒng)的設計

兩軸運動控制系統(tǒng)在許多自動化設備中都有應用。如X-Y臺控制，醫(yī)療器械(如X光機)等。常用的上位控制單元有自開發(fā)單片機系統(tǒng)、具有運動控制功能的專用PLC(如松下FP0)等。本文介紹一種控制更靈活、更具開放性的上位控制單元——運動控制卡。

實時確定性以太網(wǎng)協(xié)議(例如EtherCAT)已經(jīng)能夠支持多軸運動控制系統(tǒng)的同步運行。1 該同步包含兩方面含義。首先，各個控制節(jié)點之間的命令和指令的傳遞必須與一個公共時鐘同步;其次，控制算法和反饋函數(shù)的執(zhí)行必須與同一個時鐘同步。第一種同步很好理解，它是網(wǎng)絡控制器的固有部分。然而，第二種同步到目前為止一直為人所忽視，如今成為運動控制性能的瓶頸。

本文介紹從網(wǎng)絡控制器到電機終端和傳感器全程保持電機驅(qū)動同步的新概念。所提出的技術能夠大幅改善同步，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)絡運動控制系統(tǒng)，如圖1所示。運動控制主機通過實時網(wǎng)絡向兩個伺服控制器發(fā)送命令和指令值，每個伺服控制器構成網(wǎng)絡上的一個從機節(jié)點。伺服控制器本身由網(wǎng)絡控制器、電機控制器、功率逆變器和電機/編碼器組成。

實時網(wǎng)絡協(xié)議采用不同的方法使從機節(jié)點與主機同步，一種常用方法是在每個節(jié)點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，實時網(wǎng)絡上的所有網(wǎng)絡控制器都保持同步。

通常，在網(wǎng)絡控制器和電機控制器之間有兩條中斷線。第一條通知電機控制器何時需要收集輸入并將其放到網(wǎng)絡上。第二條通知電機控制器何時從網(wǎng)絡中讀取數(shù)據(jù)。遵照這種方法，運動控制器和電機控制器之間以同步方式進行數(shù)據(jù)交換，并且可以實現(xiàn)非常高的定時精度。但是，僅將同步數(shù)據(jù)傳送到電機控制器還不夠;電機控制器還必須能以同步方式響應數(shù)據(jù)。如果沒有這一能力，電機控制器就無法充分利用網(wǎng)絡的定時精度。在響應指令值和命令時，電機控制器的I/O會出現(xiàn)問題。

電機控制器中的每個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與上下計數(shù)器來產(chǎn)生柵極信號。當控制算法改變Mx時，新的占空比要到下一個PWM周期才會生效。這相當于一個零階保持效應，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1.典型的兩軸網(wǎng)絡運動控制系統(tǒng)

圖2.PWM定時器的占空比更新

在實時網(wǎng)絡上，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。當接收到新的指令值時，無法在新的占空比生效之前對其進行響應。這導致時間不確定性最長可達一個PWM周期(通常在50 μs至100 μs范圍內(nèi))。實際上，網(wǎng)絡同步周期和PWM周期之間將存在一個未經(jīng)定義且可變的相位關系。將其與實時網(wǎng)絡上低于1 μs的時間不確定性相比較，很顯然，電機控制器的I/O在網(wǎng)絡同步運動控制中起到更至關重要的作用。實際上，決定同步精度的不是實時網(wǎng)絡，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。它們實際上并不同步，具有最長可達一個PWM周期的可變不確定性。

同步不確定性及應用影響

在面向機器人和機床等應用的高性能多軸伺服系統(tǒng)中，可以清楚地看到時間不確定性的影響。在I/O級的電機控制軸之間的時間偏移量變化會對機器人或機床的最終三維定位精度產(chǎn)生直接且顯著的影響。

考慮一個簡單的運動曲線，如圖3所示。在此示例中，電機速度指令值(藍色曲線)上升后再下降。如果斜坡速率在機電系統(tǒng)的能力范圍內(nèi)，則實際速度預期值將遵循指令值。但是，如果在系統(tǒng)中任何位置存在延遲，則實際速度(紅色曲線)將滯后于指令值，從而導致位置誤差Δθ。

圖3.時序延遲對位置精度的影響

在多軸機器中，根據(jù)機器的機械結(jié)構將目標位置(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致機器的精度降低。考慮圖4所示的兩軸示例。機器的目標路徑以一組(x, y)坐標來描述。延遲使y軸命令產(chǎn)生時序誤差，最終導致不規(guī)則的實際路徑。

在某些情況下，通過適當?shù)难a償可以最大程度地降低固定延遲的影響。然而，更關鍵的是無法對可變且未知的延遲進行補償。此外，可變延遲會導致控制環(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。

應該注意的是，系統(tǒng)中任何地方的延遲都會導致機器精度不準確。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