在工業(yè)機器人和機床應用中，可能涉及在特定空間內(nèi)精準協(xié)調(diào)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(xié)調(diào)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(xié)調(diào)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(nèi)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(zhí)行器之間會加裝一個變速箱。然后，系統(tǒng)通過工業(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伺服軸所需的單個位置基準，然后在網(wǎng)絡上循環(huán)傳輸。
圖1.多軸機床的網(wǎng)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(diào)制(PWM)開關周期的幾倍。在圖2所示的這種環(huán)境中，端到端網(wǎng)絡傳輸延遲是一個重要參數(shù)。在每個周期內(nèi)，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(jié)點。然后，PWM周期內(nèi)需要余留足夠的時間，以供每個節(jié)點使用新位置基準和任何新傳感器數(shù)據(jù)來更新伺服控制算法計算。然后，各個節(jié)點通過依賴于工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)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(jù)具體的控制架構，部分控制回路算法可以在PLC中實現(xiàn)，如果在網(wǎng)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(xiàn)。
圖2.PWM周期和網(wǎng)絡傳輸時間。
數(shù)據(jù)傳輸延遲
假設網(wǎng)絡上唯一的流量是機床控制器和伺服節(jié)點之間的周期性數(shù)據(jù)流，網(wǎng)絡延遲(TNW)由網(wǎng)絡跳轉到最遠節(jié)點的次數(shù)、網(wǎng)絡數(shù)據(jù)速率和每個節(jié)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(shù)據(jù)傳輸?shù)骄€路所需的時間。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100 Mbps和1 Gbps位速率的帶寬延遲，請參考圖3。這就等于數(shù)據(jù)包尺寸/數(shù)據(jù)速率。對于多軸系統(tǒng)，從控制器到伺服器的典型數(shù)據(jù)有效載荷由各伺服器的4字節(jié)速度/位置基準更新和1字節(jié)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(jié)。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(shù)據(jù)包的尺寸要大于最小尺寸。
圖3.最小長度以太網(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)幀通過每個伺服網(wǎng)絡接口的PHY和雙端口開關產(chǎn)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(jié)點有效載荷數(shù)據(jù)的截取，路徑2-3b則表示幀向目標節(jié)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?shù)膸拇蟛糠郑贿@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，通過傳輸隊列、通過PHY，然后回到線纜。圖中所示的線路終端節(jié)點中不存在這種路徑。這里假設采用直通數(shù)據(jù)包交換，而不是存儲轉發(fā)，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(fā)。
圖4.幀延遲：(a)雙端口模式幀延遲和(b)線路終端節(jié)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(jié)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(jié)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(tǒng)內(nèi)的傳輸延遲的因素。隨著線路上的位速率增加，節(jié)點數(shù)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(yè)以太網(wǎng)PHY，專用于在更廣泛的環(huán)境溫度范圍（最高105°C）內(nèi)，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(guī)格。ADIN1300 和ADIN1200 專用于解決本文中提到的挑戰(zhàn)，成為工業(yè)應用的理想選擇。有了fido5000 實時以太網(wǎng)、多協(xié)議嵌入式雙端口開關后，ADI公司開發(fā)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(wǎng)絡。
舉例來說，將這些延遲計入多達7個軸的線路網(wǎng)絡，并將總有效載荷計入最終節(jié)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(jié)被讀取后，余下的58字節(jié)有效載荷。
這項計算假設網(wǎng)絡中沒有其他流量，或者網(wǎng)絡能夠優(yōu)先訪問時間敏感型流量。它在某種程度上依賴協(xié)議，根據(jù)具體使用的工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議，計算得出的值會存在微小差異。回顧圖2，將機械系統(tǒng)的周期時間降低至50 μs至100 μs時，將幀傳輸?shù)阶钸h的節(jié)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(yōu)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(shù)據(jù)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(yōu)化性能的關鍵，尤其是在節(jié)點數(shù)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(wǎng)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(wǎng)絡的12軸CNC機床的網(wǎng)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(wǎng)幀尺寸不會造成任何差別。網(wǎng)絡延遲大致可以由PHY和開關均分，隨著工業(yè)系統(tǒng)轉而采用千兆網(wǎng)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(wǎng)絡中增加以太網(wǎng)連接的傳感器而導致節(jié)點數(shù)增加，以及網(wǎng)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(yōu)化這些系統(tǒng)的重要組件。為解決本文所述挑戰(zhàn)，ADI公司近期推出了兩款新的穩(wěn)健型工業(yè)以太網(wǎng)PHY，即ADIN1300 (10 Gb/100 Gb/1000 Gb)和ADIN1200 (10 Gb/100 Gb)。
作者簡介：
Dara O'Sullivan是ADI公司自動化、能源與傳感器業(yè)務部電機和電源控制團隊(MPC)的高級系統(tǒng)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(yè)領域的工業(yè)與可再生能源應用方面的工作。