通过实时网络实现多轴运动控制的同步

介绍了一种从网络控制器到电机终端和传感器保持电机驱动同步的新概念。所提出的技术可以大大提高同步性，从而显著提高控制性能。

为了解释现有解决方案的局限性，考虑了双轴网络化运动控制系统，如如图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。

实时网络协议使用不同的方法来同步从节点和主机，一个常见的方法是在每个节点配置本地同步时钟。这种时间上的一致性确保了所有伺服轴的命令值和命令紧密同步。换句话说，实时网络上的所有网络控制器都是同步的。

网络控制器和电机控制器之间一般有两条断线。第一个通知电机控制器何时需要收集输入并将其放到网络上。第二个告诉电机控制器何时从网络中读取数据。根据该方法，运动控制器和电机控制器之间的数据交换是同步的，并且可以实现非常高的定时精度。但是向电机控制器传输同步数据是不够的。电机控制器还必须能够以同步方式响应数据。没有这种能力，电机控制器就不能充分利用网络的定时精度。电机控制器的输入/输出在响应命令值和命令时会有问题。

电机控制器中的每一个I/O，比如脉宽调制(PWM)定时器和ADC，都有固有的延时和时间量化。例如，让我们看看为图2所示的功率逆变器产生栅极驱动信号的脉宽调制定时器。定时器通过比较命令值Mx和升降计数器产生门信号。当控制算法改变Mx时，新的占空比直到下一个PWM周期才会生效。这相当于零阶保持效应，也就是说，占空比在每个PWM周期t内只更新一次或两次(如果使用双更新模式)。

在实时网络中，无论数据交换同步的多么紧密，PWM定时器的时间量化最终都会成为轴同步的决定性因素。当接收到新的命令值时，不可能在新的占空比生效之前对其做出响应。这导致时间不确定性高达一个脉宽调制周期(通常在50 s至100 s的范围内)。实际上，网络同步周期和脉宽调制周期之间会存在未定义的可变相位关系。与实时网络中小于1 s的时间不确定性相比，显然电机控制器的I/O在网络同步运动控制中起着更重要的作用。其实决定同步精度的不是实时网络，而是系统I/O。

在机器人和机床的高性能多轴伺服系统中，我们可以清楚地看到时间不确定性的影响。输入/输出电机控制轴之间的时间偏移的变化将对机器人或机床的最终三维定位精度产生直接和显著的影响。

考虑一个简单的运动曲线，如如图3所示。在本例中，电机速度指令值(蓝色色曲线)先上升后下降。如果斜坡率在机电系统的能力范围内，实际速度期望值将遵循命令值。然而，如果系统中有任何延迟，实际速度(红色色曲线)将落后于命令值，导致位置误差 。

在多轴机器中，目标位置(x，y，z)被转换成角轴描述(1，n)根据机器的机械结构。角轴描述为每个轴定义了一系列时间间隔相等的位置/速度命令。轴之间的任何正时差异都会导致机器的精度降低。考虑图4所示的双轴示例。机器的目标路径由一组(x，y)坐标描述。延迟会导致Y轴命令出现时序错误，最终导致实际路径不规则。

在某些情况下，固定延迟的影响可以通过适当的补偿来最小化。然而，更重要的是，可变和未知的延迟无法补偿。此外，可变延迟会导致控制环路的增益发生变化，这使得很难调整环路以获得最佳性能。

应该注意的是，系统中任何地方的延迟都会导致机器精度不准确。因此，尽可能减少或消除延迟可以提高生产率和最终产品质量。

显示了传统运动控制方法如图5的上部。运动控制器(通常为PLC)通过实时网络向电机控制器发送位置指令( *)。电机控制器由三个级联的反馈环路组成，包括一个控制转矩/电流(T/i)的内环、一个控制速度()的中间环路和另一个控制位置()的环路。扭矩环带宽最高，位置环带宽最低。来自工厂的反馈被本地保存在电机控制器中，并与控制算法和脉宽调制器紧密同步。