多軸機器人和機床應用中的時序挑戰

簡介

作者: ADI 系統應用經理Dara O’Sullivan


在工業機器人和機床應用中,關係著在特定空間內精準協調多個軸的移動,以完成手頭的工作。機器人一般有6個軸,這些軸必須協調有序,如果有時機器人沿軌道移動,則會有7個軸。在CNC加工中,5軸協調很常見,但是有些應用更會用到多達12個軸,其中工具和工件在特定空間內相對移動。每個軸都包含一個伺服驅動器、一個電機,有時,在電機和軸接頭,或者末端執行器之間會加裝一個變速箱。然後,系統透過工業乙太網互聯,一般採用LINE型拓撲,具體如圖1所示。電機控制器將所需的空間軌跡轉換為每個伺服軸所需的單個位置基準,然後在網路上迴圈傳輸。

 

Figure 1. Network topology of a multiaxis machine.
圖1.多軸機床的網路拓撲結構。

 

控制週期

這些應用按定義的週期時間運行,這個時間一般等於,或者是底層伺服電機驅動器的基波控制/脈寬調變(PWM)切換開關週期的幾倍。在圖2所示的這種環境中,端對端網路傳輸延遲是一個重要參數。在每個週期內,電機控制器必須將新位置基準和其他相關資訊傳輸給圖1中的各個節點。然後,PWM週期內需要餘留足夠的時間,以供每個節點使用新位置基準和任何新感測器資料來更新伺服控制演算法計算。然後,各個節點透過依賴於工業乙太網協定的分散式時鐘機制,在同一時間點將更新後的PWM向量應用於伺服驅動器。根據具體的控制架構,部分控制迴路演算法可以在PLC中實現,如果在網路上接收到任何相關感測器資訊更新後,需要足夠的時間才能實現。

 

Figure 2. PWM cycle and network transmission time.
圖2.PWM週期和網路傳輸時間。

 

資料傳輸延遲

假設網路上唯一的流量是機床控制器和伺服節點之間的週期性資料流程,網路延遲(TNW)由網路跳轉到最遠節點的次數、網路資料速率和每個節點遭受的延遲決定。在使用機器人和機床時,線路導致的訊號傳輸延遲是可以忽略的,這是因為線纜長度一般相對較短。主要的延遲為頻寬延遲;即將資料傳輸到線路所需的時間。對於最小的乙太網幀(一般適用於機床和機器人控制),有關100 Mbps和1 Gbps位元速率的頻寬延遲,請參考圖3。這就等於資料封包尺寸/資料速率。對於多軸系統,從控制器到伺服器的典型資料有效載荷由各伺服器的4位元組速度/位置基準更新和1位元組控制器更新組成,也就是說,6軸機器人的有效載荷為30個位元組。當然,有些應用的更新中包含更多資訊,並且/或有更多軸,在這些情況下,資料封包的尺寸要大於最小尺寸。

 

Figure 3. Bandwidth delay of a minimum length Ethernet frame.
圖3.最小長度乙太網幀的頻寬延遲。

 

除了頻寬延遲外,其他延遲元素是由於乙太網幀通過每個伺服網路介面的PHY和雙埠開關產生的。這些延遲如圖4和圖5所示,其中顯示幀移動的部分是穿過PHY進入MAC(1-2),透過目標位址分析時,只需要對幀的前導和目標部分進行計時管控。路徑2-3a表示對當前節點有效載荷資料的截取,路徑2-3b則表示幀向目標節點行進的路程。圖4a只顯示傳輸給2-3a中的應用的有效載荷,圖4b則顯示被傳輸的幀的大部分;這表明乙太網協定之間可能存在細微的差異。路徑3b-4表示幀出站傳輸,通過傳輸佇列、通過PHY,然後回到線纜。圖中所示的線路終端節點中不存在這種路徑。這裡假設採用直通資料封包交換,而不是儲存轉發,後者的延遲時間更長,因為整個幀都要計入開關,然後再被轉發。

 

Figure 4. Frame latencies (a) 2-port node frame latencies (b) line end node.
圖4.幀延遲:(a)雙埠模式幀延遲和(b)線路終端節點。

 

圖5按時間線顯示幀的延時元素,其中描述了幀穿過一個軸節點的全部傳輸時間。TBW表示頻寬延遲,TL_1node 表示幀通過單個節點的延遲。除了與位元通過線路進行物理傳輸,以及計入位址位元用於實施目標位址分析相關的延遲外,PHY和開關元件延遲是其他會影響系統內的傳輸延遲的因素。隨著線路上的位元速率增加,節點數量增多,這些延遲對整個端到端幀傳輸延遲的影響會更大。

 

Figure 5. Frame transmission timeline.
圖5.幀傳輸時間線。

 

低延遲解決方案

ADI最近推出了兩款新工業乙太網路PHY,專用於在更廣泛的環境溫度範圍(最高105°C)內,在嚴苛的工業條件下可靠運行,具備出色的功率和延遲規格ADIN1300ADIN1200 專用於解決本文中提到的挑戰,成為工業應用的理想選擇。有了fido5000即時乙太網路、多協定嵌入式雙埠切換開關後,ADI開發出了適用於確定性時間敏感型應用的解決方案。

表1列出了PHY和切換開關導致的延遲,前提是假設接收緩衝器分析是以目標位址為基礎,且假設採用100 Mbps網路。

表1.PHY和開關延遲
延遲元素 組件 時間
PHY接收 ADIN1200 248 ns
PHY發送 ADIN1200 52 ns
開關前導和目標 fido5000 1120 ns(100 Mbps時,14位元組)
開關MAC、排隊和接收器 fido5000 330 ns

舉例而言,將這些延遲計入多達7個軸的線路網路,並將總有效載荷計入最終節點(圖4中為3a),總傳輸延遲變成

 

Equation 1

 

其中58 × 80 ns表示前導和目標位址位元組被讀取後,餘下的58位元組有效載荷。

這項計算假設網路中沒有其他流量,或者網路能夠優先存取時間敏感型流量。它在某種程度上依賴協定,根據具體使用的工業乙太網協定,計算得出的值會存在微小差異。回顧圖2,將機械系統的週期時間降低至50 µs至100 µs時,將幀傳輸到最遠的節點可能佔用整個週期的近50%,導致留給下一週期更新電機控制和移動控制演算法計算的時間減少。最大程度縮短這段傳輸時間對於優化性能而言非常重要,因為它允許進行更長、更複雜的控制計算。有鑑於與線路資料相關的延遲是固定的,且與位元速率相關,使用低延遲元件(例如ADIN1200 PHY和fido5000嵌入式切換開關)將是優化性能的關鍵,尤其是在節點數量增加(例如,12軸CNC機床),週期時間縮短時。轉而使用千兆乙太網路可以大幅降低頻寬延遲造成的影響,但是會增加開關和PHY元件導致的總體延遲的比例。例如,採用千兆網路的12軸CNC機床的網路傳輸延遲約為7.5 µs。在這種情況下,頻寬元素可以忽略不計,使用最小或最大乙太網路幀尺寸不會造成任何差別。網路延遲大致可以由PHY和切換開關均分,隨著工業系統轉而採用千兆網速、控制週期時間縮短(EtherCAT®顯示的週期時間為12.5 )、因為在控制網路中增加乙太網連接的感測器而導致節點數增加,以及網路拓撲不斷趨於扁平,凸顯了最小化這些元素的延遲的價值。

結論

在高性能多軸同步移動應用中,控制時序要求非常精準,其具有確定性和時間關鍵性,要求最大程度縮短端對端延遲,在控制週期時間縮短,控制演算法的複雜性增加時尤其如此。低延遲PHY和嵌入式直通切換開關是優化這些系統的重要元件。為解決本文所述挑戰,ADI近期推出了兩款新的強固型工業乙太網路PHY,即ADIN1300 (10 Gb/100 Gb/1000 Gb)和ADIN1200 (10 Gb/100 Gb)。欲瞭解有關ADI實體層技術的更多資訊,請瀏覽analog.com/ADIN1300analog.com/ADIN1200。欲瞭解有關ADI的 Chronous™ 工業乙太網路解決方案產品系列,以及其如何加速真正的工業乙太網速度,請瀏覽analog.com/chronous