工业机器人和机床应用的时序挑战分析

工业机器人和机床应用的时序挑战分析

工业机器人和机床应用涉及加工空间中多个轴的精确、协调运动。机器人通常具有六个需要统筹控制的轴，如果机器人可沿轨道移动，则将会有七个轴。尽管有应用会使用到多达12个轴，其中刀具和工件均在空间进行相对移动，但在数控加工中，5轴加工属于较为常见的应用。每个轴由一个伺服驱动器和一个电机组成，有时还包括一个位于电机和轴接头或末端执行器之间的齿轮箱。系统通过工业以太网进行互连，通常采用线路拓扑结构，如图1所示。机床控制器将所需的空间轨迹转换为每个伺服轴的单独位置参考，并通过网络周期性地进行通信。

图 1：多轴机床的网络拓扑。

控制周期

此类应用在规定的周期时间内运行，该周期通常等于或者是基础伺服电机驱动的基本控制/脉冲宽度调制（PWM）开关周期的数倍。因此，端到端网络传输时延构成了一大关键参数，如图2所示。在每个周期内，新的位置参考和其他相关信息必须从机床控制器传输到图1的每个节点。然后每个节点要在PWM周期内能有足够的时间来使用新的位置参考以及任何新的传感器数据更新伺服控制算法计算。每个节点将通过基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矢量应用到伺服驱动器中。根据控制结构的不同，部分控制回路算法可在PLC中实现，并在通过网络接收到任何相关传感器信息更新后，需要足够的响应时间才可使用。

PWM周期 PWM周期

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来自机床控制器和伺服节点之间的周期性数据，则网络时延（TNW）将受到最远节点的网络跃点数、网络数据速率和每个节点遇到的延迟影响。在机器人和机床环境中，因为线缆长度通常相对较短，信号沿线路的传播延迟可忽略。主要的延迟来自带宽延迟；及将数据传输到线路所需的时间。对于最小尺寸的以太网帧（通常用于机床和机器人控制），100Mbps和1Gbps比特率的带宽延迟如图3所示。此方法可简单地通过数据包大小除以数据速率得出结果。从控制器到伺服的多轴系统的典型数据有效负载包括一个4字节速度/位置参考更新和每个伺服的一个1字节控制字更新，这意味着6轴机器人的有效载荷为30字节。当然，有些应用在更新时会携带更多的信息和/或采用更多的轴，在这种情况下，可能需要大于最小尺寸的数据包。

图 3：最小长度以太网帧的带宽延迟。

图4帧时延：（a）2端口节点帧时延和（b）线路端节点。

图5：帧传输时间表。

低延迟解决方案

ADI最近发布了两款新型工业以太网PHY，针对恶劣的工业条件可以高达105°C的环境温度可靠运行，并具有行业领先的功耗和时延规格。ADIN1300和ADIN1200专为解决本文概述的挑战而开发，并为工业应用提供了理想的选择。借助fido5000实时以太网、多协议、嵌入式2端口交换机，ADI为确定性时间敏感型应用提供了解决方案。

表1列出了PHY和交换机引入的时延，其中假设接收缓存分析基于目的地地址，并且采用100Mbps网络环境运行。

例如，将这些延迟汇总到一个7轴线路网络，并将整个有效负载的时钟输入到最终节点（图4中的3a），则总传输延迟变为

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表示前导码和目标地址字节被读取后剩余的58字节有效负载。

此计算假定网络上不存在其他流量，或者对网络进行管理以启用时间敏感型流量的优先级访问。这在某种程度上也依赖于协议，根据所使用的具体工业以太网协议，在计算中会存在一些细微的变化。回到图2，在周期时间低至50µs到100µs的机床系统中，到最远节点的帧传输可能占用几乎50%的周期，从而减少了更新下一个周期的电机控制和运动控制算法计算的可用时间。最大限度地降低传输时间对于性能优化非常重要，因为它能够支持更长和更复杂的控制计算。考虑到与线路上的数据相关延迟是固定的并且与比特率有关，利用低时延组件（如ADIN1200 PHY和fido5000嵌入式交换机）成为了性能优化的关键，尤其是当节点数增加（例如，12轴数控机床）和周期时间减少时。升级千兆位以太网能够显著减少带宽延迟的影响，但是增加了交换机和PHY组件引入的总时延的占比。例如，千兆位网络上的12轴数控机床的网络传输延迟约为7.5µs。带宽因素可忽略不计，使用最小或最大以太网帧大小几乎没有区别。网络延迟在PHY和交换机之间大致平均分配，这显示了随着工业系统向千兆速度发展、控制周期时间缩短（EtherCAT®已经演示过12.5µs周期时间），最大限度减少这些因素中时延的价值，以及节点数随着控制网络中连接以太网传感器的增加和网络拓扑的扁平化而不断增长。

结论

在高性能、多轴、同步运动应用中，控制时序要求精确、确定且时间要求严格，还需要最大限度地减少端到端时延，尤其是当控制周期时间变短以及控制算法复杂度增加时。低时延PHY和嵌入式直通交换机是优化这些系统的重要因素。为了应对其中，58×80ns表示前导码和目标地址字节被读取后剩余的58字节有效负载。

此计算假定网络上不存在其他流量，或者对网络进行管理以启用时间敏感型流量的优先级访问。这在某种程度上也依赖于协议，根据所使用的具体工业以太网协议，在计算中会存在一些细微的变化。回到本文中所列的挑战，ADI最近发布了两款新型强大工业以太网PHY，ADIN1300（10Mb/100Mb/1Gb）和ADIN1200（10Mb/100Mb）。