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从多轴机器人的同步控制解读工业以太网延迟及应对方案

时间:2021-09-07 15:15:32来源:ADI

导语:​工业生产中,传统的工业机器人在生产适用性上已经不能满足日益增长的多任务需求,多轴机器人顺势发展,趋势明显。作为能够实现自动控制、可重复编程、运动自由度建成空间直角关系的操作机,多轴机器人是以XYZ直角坐标系统为基本数学模型,以伺服电机、步进电机为驱动的单轴机械臂为基本工作单元,以滚珠丝杆、同步皮带、齿轮齿条为常用的传动方式所架构起来的机器人系统。

  工业生产中,传统的工业机器人在生产适用性上已经不能满足日益增长的多任务需求,多轴机器人顺势发展,趋势明显。作为能够实现自动控制、可重复编程、运动自由度建成空间直角关系的操作机,多轴机器人是以XYZ直角坐标系统为基本数学模型,以伺服电机、步进电机为驱动的单轴机械臂为基本工作单元,以滚珠丝杆、同步皮带、齿轮齿条为常用的传动方式所架构起来的机器人系统。因此,其完整的机器控制功能包括多个级联控制环路,每种运动配置由时间中的位置或速度集合来定义,轴间的时序同步非常重要。

  多轴控制时序延迟的产生原因

  在CNC加工中,5/6/7轴协调很常见,甚至有些应用会用到多达12个轴,其工具和工件在特定空间内相对移动。每个轴都包含一个伺服驱动器、一个电机,在电机和轴接头,或者末端执行器之间有时候会加装一个变速箱。然后,系统通过工业以太网互联,一般采用LINE型拓扑,如下图所示。电机控制器将所需的空间轨迹转换为每个伺服轴所需的单个位置基准,然后在网络上循环传输。

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多轴机床的网络拓扑结构

  这些应用按定义的周期时间运行,这个时间一般等于,或者是底层伺服电机驱动器的基波控制/脉宽调制(PWM)开关周期的几倍。端到端网络传输延迟是一个重要参数,在每个周期内,电机控制器必须将新位置基准和其他相关信息传输给上图中的各个节点。然后,PWM周期内需要预留足够的时间,以供每个节点使用新位置基准和任何新传感器数据来更新伺服控制算法计算。然后,各个节点通过依赖于工业以太网协议的分布式时钟机制,在同一时间点将更新后的PWM矢量应用于伺服驱动器。根据具体的控制架构,部分控制回路算法可以在PLC中实现,如果在网络上接收到任何相关传感器信息更新后,需要足够的时间才能实现。

  假设网络上唯一的流量是机床控制器和伺服节点之间的周期性数据流,网络延迟(TNW)由网络跳转到最远节点的次数、网络数据速率和每个节点遭受的延迟决定。在使用机器人和机床时,线路导致的信号传输延迟可以忽略,这是因为线缆长度一般相对较短。主要的延迟为带宽延迟,即将数据传输到线路所需的时间。除了带宽延迟外,其他延迟元素是由于以太网帧通过每个伺服网络接口的PHY和双端口开关产生的。

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时序延迟对位置不确定性的影响

  在面向机器人和机床等应用的高性能多轴伺服系统中,这种时序延迟等在I/O级的电机控制轴之间的时间偏移量变化会对机器人或机床的最终三维定位精度产生直接且显著的影响。

  考虑一个简单的运动曲线如下图所示,电机速度指令值(蓝色曲线)上升后再下降。如果斜坡速率在机电系统的能力范围内,则实际速度预期值将遵循指令值。但是,如果在系统中任何位置存在延迟,则实际速度(红色曲线)将滞后于指令值,从而导致位置误差Δθ。

  时序延迟对多轴机器人位置精度的影响

  在多轴机器中,根据机器的机械结构将目标位置(x, y, z)转换为角度轴向描述(θ1, ..., θn)。角度轴向描述为每个轴定义了一系列相等时间间隔的位置/速度命令。轴之间的任何时序差异都会导致机器的精度降低。机器的目标路径以一组(x, y)坐标来描述,延迟使y轴命令产生时序误差,最终导致不规则的实际路径。

  在某些情况下,通过适当的补偿可以最大程度地降低固定延迟的影响。然而,更关键的是无法对可变且未知的延迟进行补偿。此外,可变延迟会导致控制环路增益发生改变,从而使调整环路获得最佳性能变得很困难。应该注意的是,系统中任何地方的延迟都会导致机器精度不准确。因此,尽可能减小或消除延迟才能提高生产率和最终产品质量。

  低延迟通信的可靠工业以太网解决方案

  实时确定性以太网协议(例如EtherCAT)已经能够支持多轴运动控制系统的同步运行。该同步包含两方面含义——各个控制节点之间的命令和指令的传递必须与一个公共时钟同步与控制算法和反馈函数的执行必须与同一个时钟同步。

  ADI公司推出的两款新工业以太网PHY ADIN1300和ADIN1200,具备出色的功率和延迟规格,为工业应用的理想选择。其中,ADIN1300是业界具有出色的功耗、延迟和封装尺寸特性的10Mbps/100 Mbps/1000 Mbps工业以太网PHY,其EMC和ESD稳健性已经过广泛测试,可在高达105°C的环境温度下运行。ADIN1300 PHY已通过EMC/ESD标准测试,如表3所示。通过使用已通过IEC和EN标准广泛测试的以太网PHY技术,可显著降低产品合规性测试和认证的相关成本和时间。ADIN1200低功耗10 Mbps/100 Mbps稳健型工业以太网PHY已经过广泛的EMC和ESD稳健性测试,可在高达105°C的环境温度下运行。带fido5200的ADIN1200为多协议、实时工业以太网设备连接提供系统级解决方案,支持Profinet®, EtherNet/IP™、EtherCAT、Modbus TCP和Powerlink实现嵌入式双端口设备连接。

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带有fido5200的ADIN1200,用于实时多协议工业以太网器件连接

  fido5200则是一个带有两个以太网端口的实时以太网多协议(REM)交换芯片,它在主机处理器和工业以太网物理层之间提供一个灵活的接口,包括一个可配置的定时器控制单元(TCU),可针对各种工业以太网协议实现先进的同步方案。还可以借助专用定时器引脚实现输入捕获和方波信号输出等附加功能。定时器输入/输出与本地同步时间保持同相,因此也与网络流量保持同相,这使其不仅可以同步单个从机节点的I/O,而且可以同步整个网络中的从机节点。

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PHY和开关导致的延迟

  本文小结

  在高性能多轴同步移动应用中,控制时序要求非常精准,具有确定性和时间关键性,要求最大程度缩短端到端延迟,在控制周期时间缩短,控制算法的复杂性增加时尤其如此。实时以太网广泛用于运动控制系统,一些协议可实现精度小于1 μs的时间同步,ADI低延迟PHY ADIN1300/1200和嵌入式直通开关与实时以太网多协议(REM)交换芯片fidp5200是优化这些系统的重要组件,适用于广泛的工业实时以太网应用中。

标签: 工业以太网伺服控制器

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