MEMS技术能让Cobots更安全、更快速吗?

翻译自——electronicdesign，Thomas Mauer

随着半导体工艺速度和集成度的提高，以及模拟集成电路设计能力的提升，锁相环芯片的产品形态越来越丰富，大大提升了系统时钟方案设计的灵活性，同时降低了系统时钟方案总成本。目前，锁相环集成芯片已被广泛应用于无线通信、数据网络、消费电子、医疗设备和安防监控等领域，可以实现通信网定时同步、时钟产生、时钟恢复和抖动滤除、频率合成和转换、时钟分发和驱动等功能。面对时钟器件供应商提供的种类繁多的芯片，为系统设计选择满足性能规格，同时总体方案成本又具有竞争力的时钟电路，是电路设计者面临的一个难题。

当体声波这种MEMS技术与抖动滤除器件(Jitter Cleaner) 集成到一个锁相回路中时，它会有助于改善快速移动组件之间的时钟和时间同步。

诸如体声波(BAW)这样的MEMS技术，由于它能够在快速移动的组件之间同步时钟和时间，所以为工厂自动化系统带来了好处。BAW是一种微谐振器技术，能够集成高精度和超低抖动时钟。该技术比外部石英晶体体积更小，提供了更清洁、更精确的时钟源。协作机器人(Cobots)中快速移动的机械臂就受益于BAW技术，因为多轴电机和传感器上的运动同步是高速运动控制的关键，同时也适用于取放式和注塑机。

协作机器人(简称Cobots)在当今的工厂自动化和生产流水线上越来越受欢迎，它们能够与人类同时工作。这要得益于具有集成安全功能的大量精确传感器的功劳，这些传感器对周围的工厂区域有越来越强的感知能力。

为了保证人们在工作中的安全，Cobots机器人需要缓慢地移动，但为了有效地执行任务，也需要尽可能快地操作。如果Cobots机器人检测到系统出现故障，或者危及到人身安全，则需要迅速行动，进入“安全状态”，防止周围的工具和工作空间受到损坏。

BAW的妙用

本文将介绍一种称为BAW的微电子机械系统(MEMS)技术，通过能够在快速移动的组件之间同步时钟和时间，从而使工厂自动化系统受益。微谐振器技术让高精度和超低抖动时钟与抖动清除器集成到锁相环(PLL)成为可能，后者用于同步以太网系统。

协作机器人的运动臂得益于BAW技术而实现，因为多轴电机和传感器上的运动同步是高速运动控制的关键。不仅合作机器人受益于这项技术，其他快速移动的机器，如报纸印刷机、注塑成型、计算机数控(CNC)机器、3D打印机和取放式机器也因这项技术提高了性能。

下图显示了带有多轴电机、传感器和执行器的协作机器人的系统架构。该系统包括连接到驱动级(D)的Cobots运动控制器和连接到手臂位置的电机(M)，以及检测手臂位置和工具操作压力的传感器。传感器(如安全帘)和执行器可以处理执行工件组装和修改的工具。

前几代使用的是由步进电机驱动器方向信号上DIR组成的星形拓扑来控制来自运动控制器单元的电机、传感器和执行器。同时，也用于反馈信号(FB)的串行现场总线接口，如编码器数据、电机级的电流测量、温度、错误和故障，以及如紧急停止按钮和安全围栏条件等其他数据，也可以读取回读位置(pos)和错误。

运动控制器单元运行闭环电机控制算法对马达驱动器新数据的更新速度在62.5µs(16赫兹)，这是基于测量电流的电机分流，电机轴读编码器的位置和其他数据的更新。闭环运动控制通常需要快速交换过程数据。

新的Cobots系统正在取代先前的串行现场总线接口(图，左)，并转移到工业以太网线路拓扑结构上(图，右)。工业以太网协议达到千兆速度并且能够以62.5µs启用更新电动机控制器单元，运动控制和反馈数据发送同一以太网连接,减少了布线和现场总线的复杂性。

时钟和时间同步的挑战

同步以太网(SyncE)国际电信联盟电信标准化部门G.8262技术在简化时间和时钟同步以实现快速准确的电机控制方面起着至关重要的作用。SyncE提供了一种通过以太网电缆分配主时钟频率(如25 MHz)的机制。IEEE 1588精密时间协议或另一个时间同步标准内置于工业以太网协议之一—例如EtherCAT分布式时钟或PROFINET精密透明时钟协议—可以处理所需的时间同步。

在SyncE中，当许多以太网设备以线路拓扑连接时，BAW技术提供了一个显著的优势。下图显示了一个同步线路拓扑结构，其中参考时钟信号分布在多个以太网节点上。

图中显示的是多个以太网节点上的同步线路拓扑结构，以及参考时钟信号的分布。

SyncE技术的工作原理: 每个以太网物理层(PHY)收发器需要一个25 MHz的时钟源。第一个以太网物理层(发射机)使用这个时钟在两个以太网节点之间传输以太网帧。接收以太网PHY(接收器)将锁定在发送时钟上，并恢复发送器的25MHz时钟。

一些工业以太网物理系统，如德州仪器(TI) DP83869，可以在外部引脚上输出25MHz时钟。25MHz的时钟通过集成的抖动滤除器件输入到锁相环中，产生一个25MHz恢复时钟的抖动清理版本。这个恢复和抖动清理的25MHz时钟提供给第二个以太网节点中的第二个以太网物理层(发射机)。当使用同步线拓扑时，参考时钟信号会被分配到每个同步节点。

带抖动滤除器件的锁相环

配有抖动滤除器件的锁相环在同步架构中起着至关重要的作用。它必须清除以太网物理层发射机和接收机设备引入的频率和相位抖动。与抖动滤除器件集成到锁相环中的BAW技术最大限度地减少了通过以太网节点传播的抖动。

体声波技术

BAW谐振器是一种类似于传统石英晶体的薄膜谐振器。如图3所示，压电薄膜夹在两个金属薄膜和其他几个层之间以限制机械能。这种结构在创造低损耗和高品质的谐振器元件的同时，还能捕获声波能量。BAW谐振器曾用于移动设备无线收发器前端的射频滤波器。

现在BAW技术已经集成到产品中，使用BAW谐振器作为低噪声电压控制的BAW振荡器来产生超低噪声时钟。

使用如上所述的BAW谐振器为同步系统提供了以下优势:

高质量因数(在2.5 GHz时约为1,000)支持超低抖动。

高谐振频率(2至3 GHz)支持分频以实现多个时钟频率(例如，2.5 GHz的BAW可分频产生156.25 MHz、125 MHz和100 MHz时钟)。

优越的均方根抖动不受外部源影响，易于设计:156.25 MHz <60-fs RMS (12 kHz-20 MHz)， 1.25 GHz <30-fs RMS (12 kHz-20 MHz)。

在本地25MHz时钟和以太网物理层恢复的时钟之间进行无故障切换。

对机械冲击的免疫力由Cobots手臂的运动引入。

LMK05318产生的抖动清洗25 MHz时钟也被以太网介质访问控制(MAC)和微处理器单元(MPU)用于最小化以太网PHY和MAC之间的同步抖动。此外，MPU使用回收的时钟为电机驱动程序生成脉宽调制(PWM)，启动电流测量采样，并读出电机位置的编码器数据。当所有的时钟在以太网节点上同步时，Cobots系统中的运动控制器同步电机PWM信号的产生。

总结

SyncE简化了在多个以太网节点上的Cobots中的时钟和时间同步的问题。同时，带有抖动滤除器件的锁相环在多个以太网节点上分布累积的抖动，在同步节点中起着重要的作用。BAW技术与抖动滤除器集成到锁相环中，将恢复的时钟从以太网节点传递到另一以太网节点恢复时钟的分布抖动降到最低。

MAC和MPU使用经过抖动清理的恢复时钟有助于在时间同步协议(如IEEE 1588 PTP)上同步时钟和时间，使Cobots以快速和精确的方式有效地执行任务和生产产品上的工作。

在选择时钟器件时，抖动指标是最重要的关键参数之一。但不同的时钟器件，对抖动的描述不尽相同，如不带锁相环的时钟驱动器有附加抖动指标要求，而带锁相环实现零延时的时钟驱动器则有周期抖动和周期间抖动指。同时，不同厂家对相关时钟器件的抖动指标定义条件也不一样，如在时钟合成器条件下测试，还是在抖动滤除条件下测试等。

TI的LMK05318 是一款高性能网络同步器时钟器件，提供抖动消除、时钟生成、先进的时钟监控和卓越的无中断切换性能，可满足通信基础设施和工业 应用的严格计时要求。该器件具有超低抖动和高电源噪声抑制 (PSNR) 性能，可降低高速串行链路中的误码率 (BER)。该器件可使用 TI 专有的体声波 (BAW) VCO 技术生成具有 50fs RMS 抖动的输出时钟，而不受 XO 和基准输入的抖动和频率的影响。

本文作者Thomas Mauer是TI工厂自动化控制&机器人部门的系统工程师(MGTS)。

延伸阅读——抖动和锁相环名词解释

对时钟器件而言，抖动和锁相环是两个最基本的概念。

时钟抖动可分为三种抖动类型：时间间隔误差TIE（Time Interval Error）、周期抖动PJ（Period Jitter）和相邻周期间抖动CCJ（Cycle to Cycle Jitter）。周期抖动是多个周期内对时钟周期的变化进行统计与测量的结果，相邻周期间抖动是时钟相邻周期的周期差值进行统计与测量的结果，由于这两种抖动是单个周期或相邻周期的偏差，表征的是短期抖动行为。时间间隔误差又称为相位抖动（Phase Jitter），是指信号在电平转换时，其边沿与理想时间位置的偏移量，通常表征的是长期抖动行为。

从时钟抖动的来源分析，可以把抖动归纳为两大类：确定性抖动和随机性抖动。确定性抖动是由可识别的各种干扰信号造成的，如EMI 辐射、电源噪声、同步切换噪声等等，这种抖动幅度是有边界的，而且可以通过电路设计优化把干扰源消除或大幅降低，一般是不直接描述时钟器件的抖动性能。随机抖动是不能预测的噪声源，如热噪声（也称为Johnson 噪声或散粒噪声），以及半导体加工工艺的局限性等。

相位噪声

相位噪声是对时钟信号噪声特性的频域表征方式，表征时钟信号频率的稳定度，是指偏离载波频率（f-fc）处1Hz 带宽内噪声功率与载波信号总功率的比值，符号为L(f)，单位为dBc/Hz。图2 是一个时钟信号的频谱特性，如果单频信号非常稳定的话，从频谱上看其边带会随着远离主频的位置逐渐降低，在偏离载波（f-fc）处，相位噪声约等于载波频率处曲线的高度与f 处曲线的高度之差，即图中L（f-fc）

锁相环

锁相环 (phase locked loop)是一种利用相位同步产生的电压，去调谐压控振荡器以产生目标频率的负反馈控制系统。学过自动控制原理的人都知道，这是一种典型的反馈控制电路，利用外部输入的参考信号控制环路内部振荡信号的频率和相位，实现输出信号频率对输入信号频率的自动跟踪，一般用于闭环跟踪电路。是无线电发射中使频率较为稳定的一种方法，主要有VCO（压控振荡器）和PLL IC（锁相环集成电路），压控振荡器给出一个信号，一部分作为输出，另一部分通过分频与PLL IC所产生的本振信号作相位比较，为了保持频率不变，就要求相位差不发生改变，如果有相位差的变化，则PLL IC的电压输出端的电压发生变化，去控制VCO，直到相位差恢复，达到锁相的目的。能使受控振荡器的频率和相位均与输入信号保持确定关系的闭环电子电路。

锁相环时钟器件

随着半导体制造工艺的迅速发展，模拟器件的集成度越来越高。目前，单芯片集成锁相环时钟IC 芯片，可以实现多锁相环集成、多VCO 集成以及时钟分布电路于一体，时钟器件种类繁多，同时有些器件即可作为时钟合成器应用，也可用作抖动滤除功能实现高性能时钟输出。

抖动滤除器件（Jitter Cleaner）

当输入噪声较大时，无法满足系统时钟的设计规格，此时可以采用抖动滤除器件对输入时钟信号进行噪声滤除，实现时钟同步的基础上输出低抖动的时钟信号，以满足系统抖动的应用要求。根据前面对锁相环噪声特性分析，抖动滤除器为了实现对输入时钟噪声的滤除功能，必须要用较窄的环路带宽，如几十Hz 到几百Hz。对于抖动滤除器件，多数应用场景是借助本地高性能的压控振荡器，如VCXO、OCXO 等，可以把参考时钟输入的噪声滤除干净。