多軸機器人的時(shí)序挑戰
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在工業(yè)機器人和機床應用中，可能涉及在特定空間內精準協(xié)調多個(gè)軸的移動(dòng)，以完成手頭的工作。機器人一般有6個(gè)軸，這些軸必須協(xié)調有序，如果有時(shí)候機器人沿軌道移動(dòng)，則會(huì )有7個(gè)軸。 在CNC加工中，5軸協(xié)調很常見(jiàn)，但是有些應用會(huì )用到多達12個(gè)軸，其中工具和工件在特定空間內相對移動(dòng)。 每個(gè)軸都包含一個(gè)伺服驅動(dòng)器、一個(gè)電機，有時(shí)候，在電機和軸接頭，或者末端執行器之間會(huì )加裝一個(gè)變速箱。 然后，系統通過(guò)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換為每個(gè)伺服軸所需的單個(gè)位置基準，然后在網(wǎng)絡(luò )上循環(huán)傳輸。
本文引用地址：http://dyxdggzs.com/article/202410/464022.htm
圖1.多軸機床的網(wǎng)絡(luò )拓撲結構。
控制周期
這些應用按定義的周期時(shí)間運行，這個(gè)時(shí)間一般等于，或者是底層伺服電機驅動(dòng)器的基波控制/脈寬調制(PWM)開(kāi)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(gè)重要參數。在每個(gè)周期內，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(gè)節點(diǎn)。然后，PWM周期內需要余留足夠的時(shí)間，以供每個(gè)節點(diǎn)使用新位置基準和任何新傳感器數據來(lái)更新伺服控制算法計算。然后，各個(gè)節點(diǎn)通過(guò)依賴(lài)于工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議的分布式時(shí)鐘機制，在同一時(shí)間點(diǎn)將更新后的PWM矢量應用于伺服驅動(dòng)器。根據具體的控制架構，部分控制回路算法可以在PLC中實(shí)現，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(shí)間才能實(shí)現。
圖2.PWM周期和網(wǎng)絡(luò )傳輸時(shí)間。
數據傳輸延遲
假設網(wǎng)絡(luò )上唯一的流量是機床控制器和伺服節點(diǎn)之間的周期性數據流，網(wǎng)絡(luò )延遲(TNW)由網(wǎng)絡(luò )跳轉到最遠節點(diǎn)的次數、網(wǎng)絡(luò )數據速率和每個(gè)節點(diǎn)遭受的延遲決定。在使用機器人和機床時(shí)，線(xiàn)路導致的信號傳輸延遲可以忽略，這是因為線(xiàn)纜長(cháng)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(xiàn)路所需的時(shí)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(shuō)，6軸機器人的有效載荷為30個(gè)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(cháng)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(guò)每個(gè)伺服網(wǎng)絡(luò )接口的PHY和雙端口開(kāi)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(dòng)的部分是穿過(guò)PHY進(jìn)入MAC(1-2)，通過(guò)目標地址分析時(shí)，只需要對幀的前導和目標部分進(jìn)行計時(shí)管控。路徑2-3a表示對當前節點(diǎn)有效載荷數據的截取，路徑2-3b則表示幀向目標節點(diǎn)行進(jìn)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(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(guò)傳輸隊列、通過(guò)PHY，然后回到線(xiàn)纜。圖中所示的線(xiàn)路終端節點(diǎn)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(fā)，后者的延遲時(shí)間更長(cháng)，因為整個(gè)幀都要計入開(kāi)關(guān)，然后再被轉發(fā)。
圖4.幀延遲：(a)雙端口模式幀延遲和(b)線(xiàn)路終端節點(diǎn)。
圖5按時(shí)間線(xiàn)顯示幀的延時(shí)元素，其中描述了幀穿過(guò)一個(gè)軸節點(diǎn)的全部傳輸時(shí)間。T BW 表示帶寬延遲，T L_1node 表示幀通過(guò)單個(gè)節點(diǎn)的延遲。除了與位通過(guò)線(xiàn)路進(jìn)行物理傳輸，以及計入地址位用于實(shí)施目標地址分析相關(guān)的延遲外，PHY和開(kāi)關(guān)組件延遲是其他會(huì )影響系統內的傳輸延遲的因素。隨著(zhù)線(xiàn)路上的位速率增加，節點(diǎn)數量增多，這些延遲對整個(gè)端到端幀傳輸延遲的影響會(huì )更大。
圖5.幀傳輸時(shí)間線(xiàn)。
低延遲解決方案
ADI的兩款工業(yè)以太網(wǎng)PHY，專(zhuān)用于在更廣泛的環(huán)境溫度范圍（最高105°C）內，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格。ADIN1300 和ADIN1200 專(zhuān)用于解決本文中提到的挑戰，成為工業(yè)應用的理想選擇。有了fido5000 實(shí)時(shí)以太網(wǎng)、多協(xié)議嵌入式雙端口開(kāi)關(guān)后，ADI公司開(kāi)發(fā)出了適用于確定性時(shí)間敏感型應用的解決方案。
表1列出了PHY和開(kāi)關(guān)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(wǎng)絡(luò )。
表1.PHY和開(kāi)關(guān)延遲
舉例來(lái)說(shuō)，將這些延遲計入多達7個(gè)軸的線(xiàn)路網(wǎng)絡(luò )，并將總有效載荷計入最終節點(diǎn)（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(wǎng)絡(luò )中沒(méi)有其他流量，或者網(wǎng)絡(luò )能夠優(yōu)先訪(fǎng)問(wèn)時(shí)間敏感型流量。它在某種程度上依賴(lài)協(xié)議，根據具體使用的工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議，計算得出的值會(huì )存在微小差異?；仡檲D2，將機械系統的周期時(shí)間降低至50 μs至100 μs時(shí)，將幀傳輸到最遠的節點(diǎn)可能占用整個(gè)周期的近50%，導致留給下一周期更新電機控制和移動(dòng)控制算法計算的時(shí)間減少。最大程度縮短這段傳輸時(shí)間對于優(yōu)化性能而言非常重要，因為它允許實(shí)施更長(cháng)、更復雜的控制計算。鑒于與線(xiàn)路數據相關(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(kāi)關(guān)）將是優(yōu)化性能的關(guān)鍵，尤其是在節點(diǎn)數量增加（例如，12軸CNC機床），周期時(shí)間縮短時(shí)。轉而使用千兆以太網(wǎng)可以大幅降低帶寬延遲造成的影響，但是會(huì )增加開(kāi)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(huì )造成任何差別。網(wǎng)絡(luò )延遲大致可以由PHY和開(kāi)關(guān)均分，隨著(zhù)工業(yè)系統轉而采用千兆網(wǎng)速、控制周期時(shí)間縮短(WEtherCAT ? 顯示的周期時(shí)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點(diǎn)數增加，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(jià)值。 結論 在高性能多軸同步移動(dòng)應用中，控制時(shí)序要求非常精準，具有確定性和時(shí)間關(guān)鍵性，要求最大程度縮短端到端延遲，在控制周期時(shí)間縮短，控制算法的復雜性增加時(shí)尤其如此。低延遲PHY和嵌入式直通開(kāi)關(guān)是優(yōu)化這些系統的重要組件。為解決本文所述挑戰，ADI的兩款穩健型工業(yè)以太網(wǎng)PHY，即ADIN1300 (10 Mb/100 Mb/1 Gb)和ADIN1200 (10 Mb/100 Mb)。
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