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基于ADI新工业以太网PHY方案解决工业机器人和机

简介

在工业机械人和机床利用中,可能涉及在特定空间内精准和谐多个轴的移动,以完成手头的事情。机械人一样平常有6个轴,这些轴必须和谐有序,假如无意偶尔候机械人沿轨道移动,则会有7个轴。在CNC加工中,5轴和谐很常见,然则有些利用会用到多达12个轴,此中对象和工件在特定空间内相对移动。每个轴都包孕一个伺服驱动器、一个电机,无意偶尔候,在电机和轴接头,或者末尾履行器之间会加装一个变速箱。然后,系统经由过程工业以太网互联,一样平常采纳LINE型拓扑,详细如图1所示。电机节制器将所需的空间轨迹转换为每个伺服轴所需的单个位置基准,然后在收集上轮回传输。

图1.多轴机床的收集拓扑布局。

节制周期

这些利用按定义的周期光阴运行,这个光阴一样平常即是,或者是底层伺服电机驱动器的基波节制/脉宽调制(PWM)开关周期的几倍。在图2所示的这种情况中,端到端收集传输延迟是一个紧张参数。在每个周期内,电机节制器必须将新位置基准和其他相关信息传输给图1中的各个节点。然后,PWM周期内必要余留足够的光阴,以供每个节点应用新位置基准和任何新传感器数据来更新伺服节制算法谋略。然后,各个节点经由过程依附于工业以太网协议的散播式时钟机制,在同一光阴点将更新后的PWM矢量利用于伺服驱动器。根据详细的节制架构,部分节制回路算法可以在PLC中实现,假如在收集上接管到任何相关传感器信息更新后,必要足够的光阴才能实现。

图2.PWM周期和收集传输光阴。

数据传输延迟

假设收集上独一的流量是机床节制器和伺服节点之间的周期性数据流,收集延迟(TNW)由收集跳转到最远节点的次数、收集数据速度和每个节点遭受的延迟抉择。在应用机械人和机床时,线路导致的旌旗灯号传输延迟可以轻忽,这是由于线缆长度一样平常相对较短。主要的延迟为带宽延迟;即将数据传输到线路所需的光阴。对付最小的以太网帧(一样平常适用于机床和机械人节制),有关100 Mbps和1 Gbps位速度的带宽延迟,请参考图3。这就即是数据包尺寸/数据速度。对付多轴系统,从节制器到伺服器的范例数据有效载荷由各伺服器的4字节速率/位置基准更新和1字节节制器更新组成,也便是说,6轴机械人的有效载荷为30个字节。当然,有些利用的更新中包孕更多信息,并且/或有更多轴,在这些环境下,数据包的尺寸要大年夜于最小尺寸。

图3.最小长度以太网帧的带宽延迟。

除了带宽延迟外,其他延迟元素是因为以太网帧经由过程每个伺服收集接口的PHY和双端口开关孕育发生的。这些延迟如图4和图5所示,此中显示帧移动的部分是穿过PHY进入MAC(1-2),经由过程目标地址阐发时,只必要对帧的前导和目标部分进行计时管控。路径2-3a表示对当前节点有效载荷数据的截取,路径2-3b则表示帧向目标节点行进的路程。图4a只显示传输给2-3a中的利用的有效载荷,图4b则显示被传输的帧的大年夜部分;这注解以太网协议之间可能存在细微的差异。路径3b-4表示帧出站传输,经由过程传输行列步队、经由过程PHY,然后回到线缆。图中所示的线路终端节点中不存在这种路径。这里假设采纳纵贯数据包互换,而不是存储转发,后者的延迟光阴更长,由于全部帧都要计入开关,然后再被转发。

图4.帧延迟:(a)双端口模式帧延迟和(b)线路终端节点。

图5按光阴线显示帧的延时元素,此中描述了帧穿过一个轴节点的整个传输光阴。TBW表示带宽延迟,TL_1node 表示帧经由过程单个节点的延迟。除了与位经由过程线路进行物理传输,以及计入地址位用于实施目标地址阐发相关的延迟外,PHY和开关组件延迟是其他会影响系统内的传输延迟的身分。跟着线路上的位速度增添,节点数量增多,这些延迟对全部端到端帧传输延迟的影响会更大年夜。

图5.帧传输光阴线。

低延迟办理规划

ADI公司近来推出了两款新工业以太网PHY,专用于在更广泛的情况温度范围(最高105°C)内,在严苛的工业前提下靠得住运行,具备出色的功率和延迟规格。ADIN1300 和ADIN1200 专用于办理本文中提到的寻衅,成为工业利用的抱负选择。有了fido5000 实时以太网、多协议嵌入式双端口开关后,ADI公司开拓出了适用于确定性光阴敏感型利用的办理规划。

表1列出了PHY和开关导致的延迟,条件是假设接管缓冲器阐发因此目标地址为根基,且假设采纳100 Mbps收集。

表1.PHY和开关延迟

举例来说,将这些延迟计入多达7个轴的线路收集,并将总有效载荷计入终极节点(图4中为3a),总传输延迟变成

此中58 × 80 ns表示前导和目标地址字节被读取后,余下的58字节有效载荷。

这项谋略假设收集中没有其他流量,或者收集能够优先造访光阴敏感型流量。它在某种程度上依附协议,根据详细应用的工业以太网协议,谋略得出的值会存在微小差异。回首图2,将机器系统的周期光阴低落至50 µs至100 µs时,将帧传输到最远的节点可能占用全部周期的近50%,导致留给下一周期更新电机节制和移动节制算法谋略的光阴削减。最大年夜程度缩短这段传输光阴对付优化机能而言异常紧张,由于它容许实施更长、更繁杂的节制谋略。鉴于与线路数据相关的延迟是固定的,且与位速度相关,应用低延迟组件(例如ADIN1200 PHY和fido5000嵌入式开关)将是优化机能的关键,尤其是在节点数量增添(例如,12轴CNC机床),周期光阴缩短时。转而应用千兆以太网可以大年夜幅低落带宽延迟造成的影响,然则会增添开关和PHY组件导致的总体延迟的比例。例如,采纳千兆收集的12轴CNC机床的收集传输延迟约为7.5 µs。在这种环境下,带宽元素可以轻忽不计,应用最小或最大年夜以太网帧尺寸不会造成任何区别。收集延迟大年夜致可以由PHY和开关均分,跟着工业系统转而采纳千兆网速、节制周期光阴缩短(EtherCAT® 显示的周期光阴为12.5 µs)、由于在节制收集中增添以太网连接的传感器而导致节点数增添,以及收集拓扑赓续趋于扁平,凸显了最小化这些元素的延迟的代价。

结论

在高机能多轴同步移动利用中,节制时序要求异常精准,具有确定性和光阴关键性,要求最大年夜程度缩短端到端延迟,在节制周期光阴缩短,节制算法的繁杂性增添时尤其如斯。低延迟PHY和嵌入式纵贯开关是优化这些系统的紧张组件。为办理本文所述寻衅,ADI公司近期推出了两款新的稳健型工业以太网PHY,即ADIN1300 (10 Gb/100 Gb/1000 Gb)和ADIN1200 (10 Gb/100 Gb)。

作者简介:

Dara O‘Sullivan是ADI公司自动化、能源与传感器营业部电机和电源节制团队(MPC)的高档系统利用工程师。其专长领域是交流电机节制利用的功率转换和节制。Dara拥有爱尔兰科克大年夜学工程学士、工程硕士和博士学位。自2001年起,Dara便从事钻研、咨询和工业领域的工业与可再生能源利用方面的事情。

责任编辑:gt

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