多轴机器人和机床应用中的时序挑战

简介

在工业机器人和机床应用中，可能涉及在特定空间内精准协调多个轴的移动，以完成手头的工作。机器人一般有 6 个轴，这些轴必须协调有序，如果有时候机器人沿轨道移动，则会有 7 个轴。在 CNC 加工中，5 轴协调很常见，但是有些应用会用到多达 12 个轴，其中工具和工件在特定空间内相对移动。每个轴都包含一个伺服驱动器、一个电机，有时候，在电机和轴接头，或者末端执行器之间会加装一个变速箱。然后，系统通过工业以太网互联，一般采用 LINE 型拓扑，具体如图 1 所示。电机控制器将所需的空间轨迹转换为每个伺服轴所需的单个位置基准，然后在网络上循环传输。

图 1. 多轴机床的网络拓扑结构。

控制周期
这些应用按定义的周期时间运行，这个时间一般等于，或者是底层伺服电机驱动器的基波控制 / 脉宽调制(PWM)开关周期的几倍。在图 2 所示的这种环境中，端到端网络传输延迟是一个重要参数。在每个周期内，电机控制器必须将新位置基准和其他相关信息传输给图 1 中的各个节点。然后，PWM 周期内需要余留足够的时间，以供每个节点使用新位置基准和任何新传感器数据来更新伺服控制算法计算。然后，各个节点通过依赖于工业以太网协议的分布式时钟机制，在同一时间点将更新后的 PWM 矢量应用于伺服驱动器。根据具体的控制架构，部分控制回路算法可以在 PLC 中实现，如果在网络上接收到任何相关传感器信息更新后，需要足够的时间才能实现。

图 2.PWM 周期和网络传输时间。

数据传输延迟
假设网络上唯一的流量是机床控制器和伺服节点之间的周期性数据流，网络延迟(TNW)由网络跳转到最远节点的次数、网络数据速率和每个节点遭受的延迟决定。在使用机器人和机床时，线路导致的信号传输延迟可以忽略，这是因为线缆长度一般相对较短。主要的延迟为带宽延迟；即将数据传输到线路所需的时间。对于最小的以太网帧（一般适用于机床和机器人控制），有关 100 Mbps 和 1 Gbps 位速率的带宽延迟，请参考图 3。这就等于数据包尺寸 / 数据速率。对于多轴系统，从控制器到伺服器的典型数据有效载荷由各伺服器的 4 字节速度 / 位置基准更新和 1 字节控制器更新组成，也就是说，6 轴机器人的有效载荷为 30 个字节。当然，有些应用的更新中包含更多信息，并且 / 或有更多轴，在这些情况下，数据包的尺寸要大于最小尺寸。

图 3. 最小长度以太网帧的带宽延迟。

除了带宽延迟外，其他延迟元素是由于以太网帧通过每个伺服网络接口的 PHY 和双端口开关产生的。这些延迟如图 4 和图 5 所示，其中显示帧移动的部分是穿过 PHY 进入 MAC(1-2)，通过目标地址分析时，只需要对帧的前导和目标部分进行计时管控。路径 2-3a 表示对当前节点有效载荷数据的截取，路径 2-3b 则表示帧向目标节点行进的路程。图 4a 只显示传输给 2-3a 中的应用的有效载荷，图 4b 则显示被传输的帧的大部分；这表明以太网协议之间可能存在细微的差异。路径 3b-4 表示帧出站传输，通过传输队列、通过 PHY，然后回到线缆。图中所示的线路终端节点中不存在这种路径。这里假设采用直通数据包交换，而不是存储转发，后者的延迟时间更长，因为整个帧都要计入开关，然后再被转发。

图 4. 帧延迟：(a)双端口模式帧延迟和(b)线路终端节点。

图 5 按时间线显示帧的延时元素，其中描述了帧穿过一个轴节点的全部传输时间。TBW 表示带宽延迟，TL_1node 表示帧通过单个节点的延迟。除了与位通过线路进行物理传输，以及计入地址位用于实施目标地址分析相关的延迟外，PHY 和开关组件延迟是其他会影响系统内的传输延迟的因素。随着线路上的位速率增加，节点数量增多，这些延迟对整个端到端帧传输延迟的影响会更大。

图 5. 帧传输时间线。

低延迟解决方案
ADI 公司最近推出了两款新工业以太网 PHY，专用于在更广泛的环境温度范围（最高 105°C）内，在严苛的工业条件下可靠运行，具备出色的功率和延迟规格。ADIN1300 和 ADIN1200 专用于解决本文中提到的挑战，成为工业应用的理想选择。有了 fido5000 实时以太网、多协议嵌入式双端口开关后，ADI 公司开发出了适用于确定性时间敏感型应用的解决方案。

表 1 列出了 PHY 和开关导致的延迟，前提是假设接收缓冲器分析是以目标地址为基础，且假设采用 100 Mbps 网络。

举例来说，将这些延迟计入多达 7 个轴的线路网络，并将总有效载荷计入最终节点（图 4 中为 3a），总传输延迟变成

其中 58 × 80 ns 表示前导和目标地址字节被读取后，余下的 58 字节有效载荷。

这项计算假设网络中没有其他流量，或者网络能够优先访问时间敏感型流量。它在某种程度上依赖协议，根据具体使用的工业以太网协议，计算得出的值会存在微小差异。回顾图 2，将机械系统的周期时间降低至 50 µs 至 100 µs 时，将帧传输到最远的节点可能占用整个周期的近 50%，导致留给下一周期更新电机控制和移动控制算法计算的时间减少。最大程度缩短这段传输时间对于优化性能而言非常重要，因为它允许实施更长、更复杂的控制计算。鉴于与线路数据相关的延迟是固定的，且与位速率相关，使用低延迟组件（例如 ADIN1200 PHY 和 fido5000 嵌入式开关）将是优化性能的关键，尤其是在节点数量增加（例如，12 轴 CNC 机床），周期时间缩短时。转而使用千兆以太网可以大幅降低带宽延迟造成的影响，但是会增加开关和 PHY 组件导致的总体延迟的比例。例如，采用千兆网络的 12 轴 CNC 机床的网络传输延迟约为 7.5 µs。在这种情况下，带宽元素可以忽略不计，使用最小或最大以太网帧尺寸不会造成任何差别。网络延迟大致可以由 PHY 和开关均分，随着工业系统转而采用千兆网速、控制周期时间缩短(EtherCAT® 显示的周期时间为 12.5 µs）、因为在控制网络中增加以太网连接的传感器而导致节点数增加，以及网络拓扑不断趋于扁平，凸显了最小化这些元素的延迟的价值。

结论
在高性能多轴同步移动应用中，控制时序要求非常精准，具有确定性和时间关键性，要求最大程度缩短端到端延迟，在控制周期时间缩短，控制算法的复杂性增加时尤其如此。低延迟 PHY 和嵌入式直通开关是优化这些系统的重要组件。为解决本文所述挑战，ADI 公司近期推出了两款新的稳健型工业以太网 PHY，即 ADIN1300 (10 Gb/100 Gb/1000 Gb)和 ADIN1200 (10 Gb/100 Gb)。欲了解有关 ADI 物理层技术的更多信息，请访问 analog.com/ADIN1300 和 analog.com/ADIN1200。