通過實時網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)多軸運動控制的同步

介紹了一種從網(wǎng)絡(luò)控制器到電機終端和傳感器保持電機驅(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)化運動控制系統(tǒng)，如如圖1所示。運動控制主機通過實時網(wǎng)絡(luò)向兩個伺服控制器發(fā)送命令和指令值，每個伺服控制器構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)上的一個從節(jié)點。伺服控制器本身由網(wǎng)絡(luò)控制器、電機控制器、功率逆變器和電機/編碼器組成。

實時網(wǎng)絡(luò)協(xié)議使用不同的方法來同步從節(jié)點和主機，一個常見的方法是在每個節(jié)點配置本地同步時鐘。這種時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，實時網(wǎng)絡(luò)上的所有網(wǎng)絡(luò)控制器都是同步的。

網(wǎng)絡(luò)控制器和電機控制器之間一般有兩條斷線。第一個通知電機控制器何時需要收集輸入并將其放到網(wǎng)絡(luò)上。第二個告訴電機控制器何時從網(wǎng)絡(luò)中讀取數(shù)據(jù)。根據(jù)該方法，運動控制器和電機控制器之間的數(shù)據(jù)交換是同步的，并且可以實現(xiàn)非常高的定時精度。但是向電機控制器傳輸同步數(shù)據(jù)是不夠的。電機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，電機控制器就不能充分利用網(wǎng)絡(luò)的定時精度。電機控制器的輸入/輸出在響應(yīng)命令值和命令時會有問題。

電機控制器中的每一個I/O，比如脈寬調(diào)制(PWM)定時器和ADC，都有固有的延時和時間量化。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)制定時器。定時器通過比較命令值Mx和升降計數(shù)器產(chǎn)生門信號。當(dāng)控制算法改變Mx時，新的占空比直到下一個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)。

在實時網(wǎng)絡(luò)中，無論數(shù)據(jù)交換同步的多么緊密，PWM定時器的時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，不可能在新的占空比生效之前對其做出響應(yīng)。這導(dǎo)致時間不確定性高達一個脈寬調(diào)制周期(通常在50 s至100 s的范圍內(nèi))。實際上，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。與實時網(wǎng)絡(luò)中小于1 s的時間不確定性相比，顯然電機控制器的I/O在網(wǎng)絡(luò)同步運動控制中起著更重要的作用。其實決定同步精度的不是實時網(wǎng)絡(luò)，而是系統(tǒng)I/O。

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

考慮一個簡單的運動曲線，如如圖3所示。在本例中，電機速度指令值(藍色色曲線)先上升后下降。如果斜坡率在機電系統(tǒng)的能力范圍內(nèi)，實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)機器的機械結(jié)構(gòu)。角軸描述為每個軸定義了一系列時間間隔相等的位置/速度命令。軸之間的任何正時差異都會導(dǎo)致機器的精度降低?？紤]圖4所示的雙軸示例。機器的目標(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)時序錯誤，最終導(dǎo)致實際路徑不規(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償來最小化。然而，更重要的是，可變和未知的延遲無法補償。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)運動控制方法如圖5的上部。運動控制器(通常為PLC)通過實時網(wǎng)絡(luò)向電機控制器發(fā)送位置指令( *)。電機控制器由三個級聯(lián)的反饋環(huán)路組成，包括一個控制轉(zhuǎn)矩/電流(T/i)的內(nèi)環(huán)、一個控制速度()的中間環(huán)路和另一個控制位置()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控制器中，并與控制算法和脈寬調(diào)制器緊密同步。