工業機器人和機床應用的時序挑戰分析

工業機器人和機床應用涉及加工空間中多個軸的精確、協調運動。機器人通常具有六個需要統籌控制的軸，如果機器人可沿軌道移動，則將會有七個軸。盡管有應用會使用到多達12個軸，其中刀具和工件均在空間進行相對移動，但在數控加工中，5軸加工屬于較為常見的應用。每個軸由一個伺服驅動器和一個電機組成，有時還包括一個位于電機和軸接頭或末端執行器之間的齒輪箱。系統通過工業以太網進行互連，通常采用線路拓撲結構，如圖1所示。機床控制器將所需的空間軌跡轉換為每個伺服軸的單獨位置參考，并通過網絡周期性地進行通信。

圖 1：多軸機床的網絡拓撲。

控制周期

此類應用在規定的周期時間內運行，該周期通常等于或者是基礎伺服電機驅動的基本控制/脈沖寬度調制（PWM）開關周期的數倍。因此，端到端網絡傳輸時延構成了一大關鍵參數，如圖2所示。在每個周期內，新的位置參考和其他相關信息必須從機床控制器傳輸到圖1的每個節點。然后每個節點要在PWM周期內能有足夠的時間來使用新的位置參考以及任何新的傳感器數據更新伺服控制算法計算。每個節點將通過基于工業以太網協議的分布式時鐘機制，在同一時間點將更新后的PWM矢量應用到伺服驅動器中。根據控制結構的不同，部分控制回路算法可在PLC中實現，并在通過網絡接收到任何相關傳感器信息更新后，需要足夠的響應時間才可使用。

PWM周期 PWM周期

圖 2：PWM周期和網絡傳輸時間。

數據傳輸延遲

假設網絡上唯一的流量來自機床控制器和伺服節點之間的周期性數據，則網絡時延（TNW）將受到最遠節點的網絡躍點數、網絡數據速率和每個節點遇到的延遲影響。在機器人和機床環境中，因為線纜長度通常相對較短，信號沿線路的傳播延遲可忽略。主要的延遲來自帶寬延遲；及將數據傳輸到線路所需的時間。對于最小尺寸的以太網幀（通常用于機床和機器人控制），100Mbps和1Gbps比特率的帶寬延遲如圖3所示。此方法可簡單地通過數據包大小除以數據速率得出結果。從控制器到伺服的多軸系統的典型數據有效負載包括一個4字節速度/位置參考更新和每個伺服的一個1字節控制字更新，這意味著6軸機器人的有效載荷為30字節。當然，有些應用在更新時會攜帶更多的信息和/或采用更多的軸，在這種情況下，可能需要大于最小尺寸的數據包。

圖 3：最小長度以太網幀的帶寬延遲。

圖4幀時延：（a）2端口節點幀時延和（b）線路端節點。

圖5：幀傳輸時間表。

低延遲解決方案

ADI最近發布了兩款新型工業以太網PHY，針對惡劣的工業條件可以高達105°C的環境溫度可靠運行，并具有行業領先的功耗和時延規格。ADIN1300和ADIN1200專為解決本文概述的挑戰而開發，并為工業應用提供了理想的選擇。借助fido5000實時以太網、多協議、嵌入式2端口交換機，ADI為確定性時間敏感型應用提供了解決方案。

表1列出了PHY和交換機引入的時延，其中假設接收緩存分析基于目的地地址，并且采用100Mbps網絡環境運行。

例如，將這些延遲匯總到一個7軸線路網絡，并將整個有效負載的時鐘輸入到最終節點（圖4中的3a），則總傳輸延遲變為

6 × TL_1node + TBW + Tnode7 =

6 × （248 ns + 330 ns + 1120 ns + 52 ns ） + 5760 ns + （1）

（248 ns + 1120 ns + 58 × 80 ns） = 22.3 μs

其中，58×80ns表示前導碼和目標地址字節被讀取后剩余的58字節有效負載。

此計算假定網絡上不存在其他流量，或者對網絡進行管理以啟用時間敏感型流量的優先級訪問。這在某種程度上也依賴于協議，根據所使用的具體工業以太網協議，在計算中會存在一些細微的變化。回到圖2，在周期時間低至50μs到100μs的機床系統中，到最遠節點的幀傳輸可能占用幾乎50%的周期，從而減少了更新下一個周期的電機控制和運動控制算法計算的可用時間。最大限度地降低傳輸時間對于性能優化非常重要，因為它能夠支持更長和更復雜的控制計算。考慮到與線路上的數據相關延遲是固定的并且與比特率有關，利用低時延組件（如ADIN1200 PHY和fido5000嵌入式交換機）成為了性能優化的關鍵，尤其是當節點數增加（例如，12軸數控機床）和周期時間減少時。升級千兆位以太網能夠顯著減少帶寬延遲的影響，但是增加了交換機和PHY組件引入的總時延的占比。例如，千兆位網絡上的12軸數控機床的網絡傳輸延遲約為7.5μs。帶寬因素可忽略不計，使用最小或最大以太網幀大小幾乎沒有區別。網絡延遲在PHY和交換機之間大致平均分配，這顯示了隨著工業系統向千兆速度發展、控制周期時間縮短（EtherCAT?已經演示過12.5μs周期時間），最大限度減少這些因素中時延的價值，以及節點數隨著控制網絡中連接以太網傳感器的增加和網絡拓撲的扁平化而不斷增長。

結論

在高性能、多軸、同步運動應用中，控制時序要求精確、確定且時間要求嚴格，還需要最大限度地減少端到端時延，尤其是當控制周期時間變短以及控制算法復雜度增加時。低時延PHY和嵌入式直通交換機是優化這些系統的重要因素。為了應對其中，58×80ns表示前導碼和目標地址字節被讀取后剩余的58字節有效負載。

此計算假定網絡上不存在其他流量，或者對網絡進行管理以啟用時間敏感型流量的優先級訪問。這在某種程度上也依賴于協議，根據所使用的具體工業以太網協議，在計算中會存在一些細微的變化。回到本文中所列的挑戰，ADI最近發布了兩款新型強大工業以太網PHY，ADIN1300（10Mb/100Mb/1Gb）和ADIN1200（10Mb/100Mb）。