IEEE1588在分散運動(dòng)控制系統中的應用

引言
　　本文說(shuō)明IEEE1588在一個(gè)分散運動(dòng)控制系統中的應用，目前的解決方案依靠分散運動(dòng)部件對時(shí)間同步的專(zhuān)門(mén)實(shí)現。隨著(zhù)IEEE1588的出現，可以開(kāi)發(fā)一種在標準網(wǎng)絡(luò )(如以太網(wǎng))上使用商用技術(shù)的運動(dòng)控制解決方案。本文要說(shuō)明在一個(gè)網(wǎng)絡(luò )范例內IEEE1588和運動(dòng)的基本操作。
　　分散運動(dòng)控制要求系統節點(diǎn)之間緊密地同步，通常這要求在系統內時(shí)鐘間的波動(dòng)是微秒數量級。更高性能的應用驅動(dòng)將這個(gè)性能提高到幾分一微秒范圍。當前的解決方案是使用適當的網(wǎng)絡(luò )和接口部件達到使分散系統內節點(diǎn)間的緊密同步。定制的接口卡控制整個(gè)系統時(shí)鐘的分配和同步以及控制數據的定時(shí)傳送。
　　IEEE1588精確時(shí)間協(xié)議提供分布網(wǎng)絡(luò )上的標準化的同步機制，通過(guò)使用IEEE1588協(xié)議就可在標準網(wǎng)絡(luò )上用標準化的解決方案取代專(zhuān)用解決方案。就可用現成的部件代替專(zhuān)用的網(wǎng)絡(luò )接口部件。
　　現使用IEEE1588協(xié)議和以太網(wǎng)實(shí)現一個(gè)簡(jiǎn)單的分布運動(dòng)控制系統，用以演示這個(gè)原理。

范例說(shuō)明
　　范例運動(dòng)系統由三個(gè)控制器組成，每個(gè)控制器通過(guò)一個(gè)SERCOS適配器連接一個(gè)驅動(dòng)器。SERCOS是連接數字驅動(dòng)器的工業(yè)標準。所有的運動(dòng)節點(diǎn)都用以太網(wǎng)卡連接到標準的以太網(wǎng)。
　　調節器內的“運動(dòng)計劃器”管理每個(gè)驅動(dòng)器的位置信息，以控制點(diǎn)動(dòng)、移動(dòng)、和聯(lián)動(dòng)操作。每個(gè)驅動(dòng)器作為一個(gè)運動(dòng)軸，其中一個(gè)軸是主軸，其它兩個(gè)為從動(dòng)軸。每個(gè)從動(dòng)軸都與主軸以1：1的比率聯(lián)動(dòng)。連接到主軸的控制器以一定時(shí)間間隔向連接到從動(dòng)軸的控制器發(fā)送位置基準。
　　在系統內所有節點(diǎn)的時(shí)鐘是同步的，它使用IEEE1588協(xié)議達到以太網(wǎng)的時(shí)鐘同步。在底板上的時(shí)鐘同步是用先與IEEE1588的專(zhuān)用協(xié)議實(shí)現的。

系統時(shí)鐘同步
　　網(wǎng)絡(luò )時(shí)鐘同步是在以太網(wǎng)適配卡上實(shí)現的，這個(gè)適配卡包含一個(gè)FPGA硬件輔助電路，用于對進(jìn)入和輸出的IEEE1588協(xié)議報文打上時(shí)間印記。這個(gè)FPGA包含一個(gè)64位，每片25納秒的高分辨率的可調諧時(shí)鐘。
　　1588協(xié)議運行在一個(gè)50MHz PowerPC CPU上，1588代碼和按1588協(xié)議的規定的FPGA交互作用使從站的時(shí)間與子網(wǎng)上與此相關(guān)的主站時(shí)鐘同步。調諧算法在每個(gè)1588同步刷新周期調節這個(gè)FPGA可調諧時(shí)鐘的頻率。
　　這個(gè)適配器也包含一個(gè)連接底版的接口芯片，底版芯片的時(shí)鐘與1588時(shí)鐘同步。在這個(gè)適配器上的底版接口作為主時(shí)鐘，在底版上的其它時(shí)鐘都與這個(gè)適配器上的主時(shí)鐘同步。底版時(shí)鐘與1588時(shí)鐘的同步使用一個(gè)簡(jiǎn)單的算法。這個(gè)適配器表示一個(gè)1588邊界時(shí)鐘節點(diǎn)而底版時(shí)鐘劃為“外部”時(shí)鐘。

運動(dòng)的同步
　　基本的運動(dòng)控制要求在一個(gè)節點(diǎn)的運動(dòng)任務(wù)的運行要與其它所有節點(diǎn)同步。節點(diǎn)之間的所有事務(wù)都建立在同步刷新周期基礎上。對控制器與傳動(dòng)和控制器與控制器之間的兩種事務(wù)是相同的。
　　控制器對驅動(dòng)的事務(wù)：在周期的開(kāi)始控制器發(fā)送插值位置刷新每個(gè)驅動(dòng)器，驅動(dòng)器使用這個(gè)位置刷新值控制電機的閉環(huán)位置和速度，每臺驅動(dòng)器向控制器返回它的實(shí)際位置，控制器計算一個(gè)新位置并周期重復，這個(gè)操作持續一個(gè)位置刷新周期。
　　控制器對控制器的事務(wù)：在周期的開(kāi)始，主軸控制器向每個(gè)從動(dòng)軸發(fā)送位置基準，每個(gè)從動(dòng)軸的控制器用這個(gè)位置基準計劃本軸的運動(dòng)。
　　為了同步整個(gè)系統的運動(dòng)，運動(dòng)任務(wù)和位置的刷新要與1588時(shí)鐘同步，FPGA內的一個(gè)小電路提供對CPU的周期中斷來(lái)觸發(fā)這個(gè)位置刷新周期。這個(gè)電路將一個(gè)裝入目標寄存器的時(shí)間與當前的1588時(shí)鐘時(shí)間比較，在當前時(shí)間與目標時(shí)間符合時(shí)產(chǎn)生一個(gè)中斷。在這個(gè)中斷子程序內，CPU還會(huì )裝入一個(gè)新的目標時(shí)間，它等于當前目標時(shí)間加上周期時(shí)間，然后重復這個(gè)過(guò)程。周期時(shí)間和相位是在節點(diǎn)配置過(guò)程中設置的。