通过实时网络实现多轴运动控制的同步

发布时间:2021-12-28 阅读量:1087 来源: 我爱方案网 作者: 我爱方案网整理

为了解释现有解决方案的局限性,考虑一个两轴网络运动控制系统,如图1所示。运动控制主机通过实时网络向两个伺服控制器发送命令和指令值,每个伺服控制器构成网络上的一个从机节点。伺服控制器本身由网络控制器、电机控制器、功率逆变器和电机/编码器组成。


时网络协议采用不同的方法使从机节点与主机同步,一种常用方法是在每个节点处配置一个本地同步时钟。这种对时间的共识确保了所有伺服轴的指令值和命令均紧密同步。换言之,实时网络上的所有网络控制器都保持同步。


通常,在网络控制器和电机控制器之间有两条中断线。第一条通知电机控制器何时需要收集输入并将其放到网络上。第二条通知电机控制器何时从网络中读取数据。遵照这种方法,运动控制器和电机控制器之间以同步方式进行数据交换,并且可以实现非常高的定时精度。但是,仅将同步数据传送到电机控制器还不够;电机控制器还必须能以同步方式响应数据。如果没有这一能力,电机控制器就无法充分利用网络的定时精度。在响应指令值和命令时,电机控制器的I/O会出现问题。


电机控制器中的每个I/O(例如脉宽调制(PWM)定时器和ADC)都具有固有的延迟和时间量化。例如,我们来看图2所示的为功率逆变器产生栅极驱动信号的PWM定时器。该定时器通过比较指令值Mx与上下计数器来产生栅极信号。当控制算法改变Mx时,新的占空比要到下一个PWM周期才会生效。这相当于一个零阶保持效应,意味着每个PWM周期T内占空比仅更新一次或两次(若使用双更新模式)。


通过实时网络实现多轴运动控制的同步

典型的两轴网络运动控制系统。


通过实时网络实现多轴运动控制的同步

PWM定时器的占空比更新。


在实时网络上,无论数据交换如何紧密地同步,PWM定时器的时间量化将最终成为轴同步的决定性因素。当接收到新的指令值时,无法在新的占空比生效之前对其进行响应。这导致时间不确定性最长可达一个PWM周期(通常在50 μs至100 μs范围内)。实际上,网络同步周期和PWM周期之间将存在一个未经定义且可变的相位关系。将其与实时网络上低于1 μs的时间不确定性相比较,很显然,电机控制器的I/O在网络同步运动控制中起到更至关重要的作用。实际上,决定同步精度的不是实时网络,而是系统I/O。


再次参考图中该系统具有A、B、C三个同步域,它们没有绑定在一起。它们实际上并不同步,具有最长可达一个PWM周期的可变不确定性。



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