通過實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)多軸運(yùn)動控制的同步

介紹了一種從網(wǎng)絡(luò)控制器到電機(jī)終端和傳感器保持電機(jī)驅(qū)動同步的新概念。所提出的技術(shù)可以大大提高同步性，從而顯著提高控制性能。

為了解釋現(xiàn)有解決方案的局限性，考慮了雙軸網(wǎng)絡(luò)化運(yùn)動控制系統(tǒng)，如如圖1所示。運(yùn)動控制主機(jī)通過實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)向兩個(gè)伺服控制器發(fā)送命令和指令值，每個(gè)伺服控制器構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)上的一個(gè)從節(jié)點(diǎn)。伺服控制器本身由網(wǎng)絡(luò)控制器、電機(jī)控制器、功率逆變器和電機(jī)/編碼器組成。

實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議使用不同的方法來同步從節(jié)點(diǎn)和主機(jī)，一個(gè)常見的方法是在每個(gè)節(jié)點(diǎn)配置本地同步時(shí)鐘。這種時(shí)間上的一致性確保了所有伺服軸的命令值和命令緊密同步。換句話說，實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)上的所有網(wǎng)絡(luò)控制器都是同步的。

網(wǎng)絡(luò)控制器和電機(jī)控制器之間一般有兩條斷線。第一個(gè)通知電機(jī)控制器何時(shí)需要收集輸入并將其放到網(wǎng)絡(luò)上。第二個(gè)告訴電機(jī)控制器何時(shí)從網(wǎng)絡(luò)中讀取數(shù)據(jù)。根據(jù)該方法，運(yùn)動控制器和電機(jī)控制器之間的數(shù)據(jù)交換是同步的，并且可以實(shí)現(xiàn)非常高的定時(shí)精度。但是向電機(jī)控制器傳輸同步數(shù)據(jù)是不夠的。電機(jī)控制器還必須能夠以同步方式響應(yīng)數(shù)據(jù)。沒有這種能力，電機(jī)控制器就不能充分利用網(wǎng)絡(luò)的定時(shí)精度。電機(jī)控制器的輸入/輸出在響應(yīng)命令值和命令時(shí)會有問題。

電機(jī)控制器中的每一個(gè)I/O，比如脈寬調(diào)制(PWM)定時(shí)器和ADC，都有固有的延時(shí)和時(shí)間量化。例如，讓我們看看為圖2所示的功率逆變器產(chǎn)生柵極驅(qū)動信號的脈寬調(diào)制定時(shí)器。定時(shí)器通過比較命令值Mx和升降計(jì)數(shù)器產(chǎn)生門信號。當(dāng)控制算法改變Mx時(shí)，新的占空比直到下一個(gè)PWM周期才會生效。這相當(dāng)于零階保持效應(yīng)，也就是說，占空比在每個(gè)PWM周期t內(nèi)只更新一次或兩次(如果使用雙更新模式)。

在實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)中，無論數(shù)據(jù)交換同步的多么緊密，PWM定時(shí)器的時(shí)間量化最終都會成為軸同步的決定性因素。當(dāng)接收到新的命令值時(shí)，不可能在新的占空比生效之前對其做出響應(yīng)。這導(dǎo)致時(shí)間不確定性高達(dá)一個(gè)脈寬調(diào)制周期(通常在50 s至100 s的范圍內(nèi))。實(shí)際上，網(wǎng)絡(luò)同步周期和脈寬調(diào)制周期之間會存在未定義的可變相位關(guān)系。與實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)中小于1 s的時(shí)間不確定性相比，顯然電機(jī)控制器的I/O在網(wǎng)絡(luò)同步運(yùn)動控制中起著更重要的作用。其實(shí)決定同步精度的不是實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)，而是系統(tǒng)I/O。

在機(jī)器人和機(jī)床的高性能多軸伺服系統(tǒng)中，我們可以清楚地看到時(shí)間不確定性的影響。輸入/輸出電機(jī)控制軸之間的時(shí)間偏移的變化將對機(jī)器人或機(jī)床的最終三維定位精度產(chǎn)生直接和顯著的影響。

考慮一個(gè)簡單的運(yùn)動曲線，如如圖3所示。在本例中，電機(jī)速度指令值(藍(lán)色色曲線)先上升后下降。如果斜坡率在機(jī)電系統(tǒng)的能力范圍內(nèi)，實(shí)際速度期望值將遵循命令值。然而，如果系統(tǒng)中有任何延遲，實(shí)際速度(紅色色曲線)將落后于命令值，導(dǎo)致位置誤差 。

在多軸機(jī)器中，目標(biāo)位置(x，y，z)被轉(zhuǎn)換成角軸描述(1，n)根據(jù)機(jī)器的機(jī)械結(jié)構(gòu)。角軸描述為每個(gè)軸定義了一系列時(shí)間間隔相等的位置/速度命令。軸之間的任何正時(shí)差異都會導(dǎo)致機(jī)器的精度降低?？紤]圖4所示的雙軸示例。機(jī)器的目標(biāo)路徑由一組(x，y)坐標(biāo)描述。延遲會導(dǎo)致Y軸命令出現(xiàn)時(shí)序錯誤，最終導(dǎo)致實(shí)際路徑不規(guī)則。

在某些情況下，固定延遲的影響可以通過適當(dāng)?shù)难a(bǔ)償來最小化。然而，更重要的是，可變和未知的延遲無法補(bǔ)償。此外，可變延遲會導(dǎo)致控制環(huán)路的增益發(fā)生變化，這使得很難調(diào)整環(huán)路以獲得最佳性能。

應(yīng)該注意的是，系統(tǒng)中任何地方的延遲都會導(dǎo)致機(jī)器精度不準(zhǔn)確。因此，盡可能減少或消除延遲可以提高生產(chǎn)率和最終產(chǎn)品質(zhì)量。

顯示了傳統(tǒng)運(yùn)動控制方法如圖5的上部。運(yùn)動控制器(通常為PLC)通過實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)向電機(jī)控制器發(fā)送位置指令( *)。電機(jī)控制器由三個(gè)級聯(lián)的反饋環(huán)路組成，包括一個(gè)控制轉(zhuǎn)矩/電流(T/i)的內(nèi)環(huán)、一個(gè)控制速度()的中間環(huán)路和另一個(gè)控制位置()的環(huán)路。扭矩環(huán)帶寬最高，位置環(huán)帶寬最低。來自工廠的反饋被本地保存在電機(jī)控制器中，并與控制算法和脈寬調(diào)制器緊密同步。