作者：达拉奥沙利文，ADI公司系统应用经理
在工业机器人和机床的应用中，它可能涉及到在特定空间内精确协调多个轴的运动，以完成手头的工作。机器人一般有六个轴，必须协调有序。如果机器人有时沿着轨道移动，会有七个轴。在数控加工中，5轴协调是常见的，但有些应用会使用多达12个轴，其中刀具和工件在特定空间内相对移动。每个轴包含一个伺服驱动器和一个电机。有时，齿轮箱安装在电机和轴接头或末端执行器之间。然后，系统通过工业以太网互联，一般采用LINE拓扑，如图1所示。电机控制器将所需的空间轨迹转换成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
控制周期这些应用程序根据定义的周期时间运行，该周期时间通常等于或数倍于底层伺服电机驱动器的基波控制/脉宽调制(PWM)开关周期。在图2所示的环境中，端到端网络传输延迟是一个重要参数。在每个循环中，电机控制器必须将新的位置参考和其他相关信息传输到图1中的每个节点。然后，在脉宽调制周期中需要为每个节点留出足够的时间，以使用新的位置参考和任何新的传感器数据更新伺服控制算法计算。然后，每个节点根据工业以太网协议，通过分布式时钟机制，在同一时间点将更新后的脉宽调制矢量应用于伺服驱动器。根据具体的控制架构，一些控制回路算法可以在PLC中实现，如果网络上收到任何相关的传感器信息更新，都需要足够的时间来实现。
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，由于电缆长度一般比较短，线路引起的信号传输延迟可以忽略不计。主要延迟是带宽延迟。即向线路传输数据所需的时间。最小的以太网帧(一般适用于机床和机器人控制)，带宽延迟100 Mbps，比特率1 Gbps，请参考图3。这等于数据包大小/数据速率。对于多轴系统，从控制器到服务器的典型数据有效载荷由每个服务器的4字节速度/位置参考更新和1字节控制器更新组成，即6轴机器人的有效载荷为30字节。当然，一些应用程序更新包含更多信息和/或更多轴。在这些情况下，数据包的大小大于最小大小。
图3。最小长度以太网帧的带宽延迟。
除了带宽延迟之外，其他延迟因素是由通过每个伺服网络接口的PHY和双端口交换机的以太网帧引起的。这些延迟在图4和图5中示出，它们示出了帧的移动部分通过PHY进入MAC(1-2)。分析目标地址时，只需对帧的前导码和目标部分进行计时和控制。路径2-3a表示截取当前节点的有效载荷数据，路径2-3b表示帧到目标节点的行程。图4a仅示出了在2-3a中传输给应用的有效载荷，而图4b示出了大多数传输的帧。这表明以太网协议之间可能略有差异。路径3b-4代表帧出站传输，通过传输队列，通过PHY，然后返回电缆。在图中所示的线路终端节点中没有这样的路径。这里，假设使用直通分组交换来代替存储转发，存储转发具有更长的延迟时间，因为整个帧在交换机中被计数，然后被转发。
图4。帧延迟：(a)双端口模式下的帧延迟和(b)线路终端节点。
图5示出了根据时间线的帧的延迟元素，其描述了通过一个轴节点的帧的总传输时间。TBW表示带宽延迟，TL_1node表示帧通过单个节点的延迟。除了与通过线路的物理比特传输和用于目标地址分析的地址比特计数相关的延迟之外，PHY和开关元件延迟是将影响系统中传输延迟的其他因素。随着线路上比特率的增加，节点数量增加，这些延迟会对整个端到端帧传输延迟产生较大的影响。
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的工业以太网phy，专门设计用于在恶劣的工业条件下，在更宽的环境温度范围(最高105C)内可靠工作，具有出色的功率和延迟规格。ADIN1300和ADIN1200旨在解决本文提到的挑战，非常适合工业应用。借助fido5000实时以太网和多协议嵌入式双端口交换机，ADI公司开发了一种适用于确定性时间敏感型应用的解决方案。
表1列出了由PHY和交换机引起的延迟，假设接收缓冲区分析基于目标地址，并且使用100 Mbps网络。
例如，在多达7个轴的线路网络中考虑这些延迟，并且将总有效载荷带入最终节点(图4中的3a)，总传输延迟变为
其中58 80 ns表示读取前同步码和目标地址字节后剩余的58字节有效负载。
此计算假设网络中没有其他流量，或者网络可以优先访问时间敏感流量。这在一定程度上取决于协议，根据具体的工业以太网协议，计算值会有细微的差异。回头看图2，当机械系统的周期时间减少到50秒到100秒时，可能需要整个周期的近50%来将帧传输到最远的节点，导致在下一个周期中用于更新电机控制和运动控制算法的计算的剩余时间减少。最小化传输时间对于优化性能非常重要，因为它允许执行更长、更复杂的控制计算。鉴于与线路数据相关的延迟是固定的，并且与比特率相关，使用低延迟组件(如ADIN1200 PHY和fido5000嵌入式开关)将是优化性能的关键，尤其是当节点数量增加(如12轴数控机床)且周期时间减少时。切换到千兆以太网可以大大降低带宽延迟的影响，但会增加交换机和PHY组件造成的整体延迟比例。比如一个12轴数控机床使用千兆网络的网络传输延迟约为7.5 s，这种情况下带宽元素可以忽略，使用最小或最大的以太网帧大小不会有什么影响。网络延迟可以由PHY和交换机大致平均分配。随着工业系统切换到千兆网速，控制周期时间缩短(EtherCAT显示的周期时间为12.5 s)，由于控制网络中增加了以太网连接的传感器，节点数量增加，网络拓扑趋于扁平化，凸显了最小化这些元素延迟的价值。
在高性能多轴同步移动应用中，结论的控制时序要求非常精确、确定且时间关键，并且要求将端到端延迟最小化，特别是当控制周期时间缩短且控制算法复杂度增加时。低延迟PHY和嵌入式直通交换机是优化这些系统的重要组件。为了解决本文中描述的挑战，ADI公司最近推出了两款新的鲁棒工业以太网phys，即ADIN1300 (10 Gb/100 Gb/1000 Gb)和ADIN1200 (10 Gb/100 Gb)。作者
达拉奥沙利文
达拉奥沙利文(Dara O'Sullivan)是ADI公司自动化、能源和传感器业务部门电机和电源控制团队(MPC)的高级系统应用工程师。他的专业领域是交流电机控制应用中的功率转换和控制。达拉拥有爱尔兰科克大学工程学士、硕士和博士学位。自2001年以来，达拉一直从事研究、咨询以及工业和可再生能源应用。