多軸機器人和機床應用中的時序挑戰

簡介

在工業機器人和機床應用中，可能涉及在特定空間內精準協調多個軸的移動，以完成手頭的工作。機器人一般有6個軸，這些軸必須協調有序，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軸協調很常見，但是有些應用會用到多達12個軸，其中工具和工件在特定空間內相對移動。每個軸都包含一個伺服驅動器、一個電機，有時候，在電機和軸接頭，或者末端執行器之間會加裝一個變速箱。然后，系統通過工業以太網互聯，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換為每個伺服軸所需的單個位置基準，然后在網絡上循環傳輸。

圖1 多軸機床的網絡拓撲結構

控制周期

這些應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動器的基波控制/脈寬調制(PWM)開關周期的幾倍。在圖2所示的這種環境中，端到端網絡傳輸延遲是一個重要參數。在每個周期內，電機控制器必須將新位置基準和其他相關信息傳輸給圖1中的各個節點。然后，PWM周期內需要余留足夠的時間，以供每個節點使用新位置基準和任何新傳感器數據來更新伺服控制算法計算。然后，各個節點通過依賴于工業以太網協議的分布式時鐘機制，在同一時間點將更新后的PWM矢量應用于伺服驅動器。根據具體的控制架構，部分控制回路算法可以在PLC中實現，如果在網絡上接收到任何相關傳感器信息更新后，需要足夠的時間才能實現。

圖2 PWM周期和網絡傳輸時間

數據傳輸延遲

假設網絡上唯一的流量是機床控制器和伺服節點之間的周期性數據流，網絡延遲(TNW)由網絡跳轉到最遠節點的次數、網絡數據速率和每個節點遭受的延遲決定。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；即將數據傳輸到線路所需的時間。對于最小的以太網幀（一般適用于機床和機器人控制），有關100 Mbps和1 Gbps位速率的帶寬延遲，請參考圖3。這就等于數據包尺寸/數據速率。對于多軸系統，從控制器到伺服器的典型數據有效載荷由各伺服器的4字節速度/位置基準更新和1字節控制器更新組成，也就是說，6軸機器人的有效載荷為30個字節。當然，有些應用的更新中包含更多信息，并且/或有更多軸，在這些情況下，數據包的尺寸要大于最小尺寸。

圖3 最小長度以太網幀的帶寬延遲

除了帶寬延遲外，其他延遲元素是由于以太網幀通過每個伺服網絡接口的PHY和雙端口開關產生的。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表示對當前節點有效載荷數據的截取，路徑2-3b則表示幀向目標節點行進的路程。圖4a只顯示傳輸給2-3a中的應用的有效載荷，圖4b則顯示被傳輸的幀的大部分；這表明以太網協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點中不存在這種路徑。這里假設采用直通數據包交換，而不是存儲轉發，后者的延遲時間更長，因為整個幀都要計入開關，然后再被轉發。

圖4 幀延遲：(a)雙端口模式幀延遲和(b)線路終端節點

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的延遲外，PHY和開關組件延遲是其他會影響系統內的傳輸延遲的因素。隨著線路上的位速率增加，節點數量增多，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以太網PHY，專用于在更廣泛的環境溫度范圍（最高105°C）內，在嚴苛的工業條件下可靠運行，具備出色的功率和延遲規格。ADIN1300 和ADIN1200 專用于解決本文中提到的挑戰，成為工業應用的理想選擇。有了fido5000 實時以太網、多協議嵌入式雙端口開關后，ADI公司開發出了適用于確定性時間敏感型應用的解決方案。

表1列出了PHY和開關導致的延遲，前提是假設接收緩沖器分析是以目標地址為基礎，且假設采用100 Mbps網絡。

舉例來說，將這些延遲計入多達7個軸的線路網絡，并將總有效載荷計入最終節點（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被讀取后，余下的58字節有效載荷。

這項計算假設網絡中沒有其他流量，或者網絡能夠優先訪問時間敏感型流量。它在某種程度上依賴協議，根據具體使用的工業以太網協議，計算得出的值會存在微小差異。回顧圖2，將機械系統的周期時間降低至50 μs至100 μs時，將幀傳輸到最遠的節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。鑒于與線路數據相關的延遲是固定的，且與位速率相關，使用低延遲組件（例如ADIN1200 PHY和fido5000嵌入式開關）將是優化性能的關鍵，尤其是在節點數量增加（例如，12軸CNC機床），周期時間縮短時。轉而使用千兆以太網可以大幅降低帶寬延遲造成的影響，但是會增加開關和PHY組件導致的總體延遲的比例。例如，采用千兆網絡的12軸CNC機床的網絡傳輸延遲約為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幀尺寸不會造成任何差別。網絡延遲大致可以由PHY和開關均分，隨著工業系統轉而采用千兆網速、控制周期時間縮短(EtherCAT? 顯示的周期時間為12.5 μs）、因為在控制網絡中增加以太網連接的傳感器而導致節點數增加，以及網絡拓撲不斷趨于扁平，凸顯了最小化這些元素的延遲的價值。

結論

在高性能多軸同步移動應用中，控制時序要求非常精準，具有確定性和時間關鍵性，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和嵌入式直通開關是優化這些系統的重要組件。為解決本文所述挑戰，ADI公司近期推出了兩款新的穩健型工業以太網PHY，即ADIN1300 (10 Gb/100 Gb/1000 Gb)和ADIN1200 (10 Gb/100 Gb)。欲了解有關ADI物理層技術的更多信息，請訪問analog.com/ADIN1300和analog.com/ADIN1200。欲了解有關ADI的 Chronous? 工業以太網解決方案產品系列，以及它們如何加快真正的工業以太網的速度，請訪問analog.com/chronous。

作者

Dara O’Sullivan

Dara O'Sullivan是ADI公司自動化、能源與傳感器業務部電機和電源控制團隊(MPC)的高級系統應用工程師。其專長領域是交流電機控制應用的功率轉換和控制。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、咨詢和工業領域的工業與可再生能源應用方面的工作。