基于powerlink實(shí)時(shí)以太網(wǎng)的伺服驅(qū)動(dòng)器同步方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及基于P0WERLINK實(shí)時(shí)以太網(wǎng)的伺服驅(qū)動(dòng)器同步方法。
【背景技術(shù)】
[0002]運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的發(fā)展水平?jīng)Q定了一個(gè)國(guó)家裝備制造業(yè)的水平。隨著現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，分布式運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)是數(shù)控系統(tǒng)的重要發(fā)展方向。高水平的分布式運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)需要實(shí)現(xiàn)高精度的電流、速度及位置全閉環(huán)控制，需要實(shí)現(xiàn)高效、高速的信息交互。
[0003]傳統(tǒng)伺服驅(qū)動(dòng)器接口需配備額外的運(yùn)動(dòng)控制卡，運(yùn)動(dòng)控制卡和伺服和驅(qū)動(dòng)器之間以脈沖命令和模擬信號(hào)連接。這種方法布線(xiàn)復(fù)雜、通信速率低、集中控制方式復(fù)雜、可擴(kuò)展性差，嚴(yán)重制約了中高檔伺服技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用。
[0004]相較而言，伺服驅(qū)動(dòng)器采用現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)通過(guò)全數(shù)字式信息傳輸可以實(shí)現(xiàn)分布式多軸控制。系統(tǒng)復(fù)雜性有所降低、擴(kuò)展性較好、性能有所提升。較為廣泛采用的伺服接口總線(xiàn)有PROFIBUS-DP、CANopen, DeviceNET等傳統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)。。但傳統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)通信速率較低、通信周期長(zhǎng)、通信距離短；現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)難以統(tǒng)一、兼容性差，主從站均需采用專(zhuān)用硬件；采用短幀通信，有效數(shù)據(jù)負(fù)載效率低。上述原因決定了傳統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)接口的伺服驅(qū)動(dòng)器難以滿(mǎn)足中高端復(fù)雜運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的硬實(shí)時(shí)、高同步性、高效高速等要求。
[0005]如何實(shí)現(xiàn)通信和伺服的協(xié)同處理并保障不同伺服電流環(huán)周期的同步執(zhí)行，是在高速通信基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)多軸伺服系統(tǒng)高精度、高同步執(zhí)行要解決的問(wèn)題。
[0006]近年來(lái)，誕生了實(shí)時(shí)以太網(wǎng)技術(shù)，該技術(shù)不僅傳播速率快、數(shù)據(jù)包容量大、傳輸距離長(zhǎng)、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)靈活而且保障較高的實(shí)時(shí)和同步性能，因而成為解決上述問(wèn)題的新方案?；贓thernet POffERLINK(以下簡(jiǎn)稱(chēng)EPL、或P0WERLINK)實(shí)時(shí)以太網(wǎng)的伺服就是這樣一種新方案。
[0007]P0WERLINK實(shí)時(shí)以太網(wǎng)采用主從通信機(jī)制。一個(gè)完整的P0WERLINK控制網(wǎng)絡(luò)包含主站(控制節(jié)點(diǎn))和從站(受控節(jié)點(diǎn))。如圖1所示，一個(gè)通信周期分為同步通信階段和異步通信階段。在同步通信階段，P0WERLINK主站廣播S0C(Start of Cycle)同步幀，然后依次輪詢(xún)各從站，該輪詢(xún)幀(圖1中的Preq CNx通信幀)中包含當(dāng)前輪詢(xún)節(jié)點(diǎn)的輸出過(guò)程數(shù)據(jù)。從站接收本節(jié)點(diǎn)的輸出過(guò)程數(shù)據(jù)并通過(guò)應(yīng)答幀(圖1中的Pres CNx通信幀)回傳輸入過(guò)程數(shù)據(jù)。主站完成輪詢(xún)后，發(fā)送SOA幀，進(jìn)入異步通信階段，開(kāi)始非周期性通信。
[0008]POffERLINK總線(xiàn)型伺服驅(qū)動(dòng)器集成了 P0WERLINK通信從站和伺服驅(qū)動(dòng)控制功能。對(duì)于伺服驅(qū)動(dòng)器這樣比較復(fù)雜的從站應(yīng)用，EPSG(Ethernet POffERLINK Standardizat1nGroup, Ethernet POWERLINK 標(biāo)準(zhǔn)化組織)推薦 FPGA (Field-Programmable Gate Array，現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列)+MCU(Micro Control Unit)或 S0PC(System on a Programmable Chip，可編程片上系統(tǒng))的硬件解決方案。MCU通過(guò)串行或并口總線(xiàn)以及中斷信號(hào)與FPGA通信。FPGA負(fù)責(zé)通信的數(shù)據(jù)鏈路層處理，而MCU則負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)應(yīng)用層和伺服驅(qū)動(dòng)控制程序。FPGA在接收到本節(jié)點(diǎn)的輪詢(xún)數(shù)據(jù)幀時(shí)，取出輸出過(guò)程數(shù)據(jù)并保存到DPRAM的RPDO (接收過(guò)程數(shù)據(jù)對(duì)象)緩存中，同時(shí)從DPRAM的TPDO (發(fā)送過(guò)程數(shù)據(jù)對(duì)象)緩存中取出要返回的數(shù)據(jù)。MCU在下一周期的SOC中斷程序中與FPGA交換接收和發(fā)送數(shù)據(jù)。POWERLINK實(shí)時(shí)以太網(wǎng)提供了同步于主站的高速實(shí)時(shí)通信，并且不需要額外增加同步線(xiàn)纜，通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)線(xiàn)即可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)集成(如圖2所示)。在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)多軸伺服系統(tǒng)的同步，尚需要解決以下問(wèn)題:
[0009]如圖1所示，首個(gè)從站下一循環(huán)周期的同步通信數(shù)據(jù)幀(Preq CNl)緊跟著SOC同步幀，若這兩個(gè)包的間隔短(IEEE802.3中規(guī)定10Mbps下為960ns)于從站MCU完成SOC中斷響應(yīng)和通信數(shù)據(jù)交換所需的CPU執(zhí)行時(shí)間，則從站存在“丟包”現(xiàn)象，即在MCU完成本同步周期數(shù)據(jù)交換前FPGA就已接收到下一周期的數(shù)據(jù)幀并向DPRAM更新了過(guò)程數(shù)據(jù)。
[0010]如上所述EPSG現(xiàn)有的POWERLINK從站解決方案，MCU在下一通信周期開(kāi)始處的SOC中斷中和FPGA交換同步通信數(shù)據(jù)，導(dǎo)致丟包存在。因此解決丟包是針對(duì)同步階段的，也是POWERLINK現(xiàn)有解決方案的一個(gè)可以改進(jìn)的地方。
[0011]SOC同步幀是網(wǎng)段內(nèi)各節(jié)點(diǎn)同步的基準(zhǔn)。在POWERLINK網(wǎng)絡(luò)中，節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)、PHY芯片延遲等原因?qū)е耂OC同步幀存在一定的網(wǎng)絡(luò)延時(shí)。因此，各從節(jié)點(diǎn)間FPGA發(fā)起同步SYNC中斷請(qǐng)求(由SOC包觸發(fā))存在著誤差。另外，MCU對(duì)同步SYNC中斷的響應(yīng)的抖動(dòng)和異步時(shí)鐘導(dǎo)致的節(jié)點(diǎn)間誤差不可避免。上述原因?qū)е赂鲝墓?jié)點(diǎn)MCU在不同的時(shí)刻更新數(shù)據(jù)，對(duì)多節(jié)點(diǎn)的同步造成一定的影響。
[0012]伺服中斷直接控制功率模塊，對(duì)獨(dú)立性和周期精度要求較高，因此具有較高的優(yōu)先級(jí)。但是，伺服中斷可能打斷通信同步中斷，破壞數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐暾浴⒄_性，也無(wú)法保障多軸伺服系統(tǒng)同步執(zhí)行數(shù)據(jù)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0013]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題在于提供一種基于實(shí)時(shí)以太網(wǎng)的伺服驅(qū)動(dòng)器同步方法，其能實(shí)現(xiàn)同步幀傳輸延時(shí)補(bǔ)償和中斷響應(yīng)抖動(dòng)補(bǔ)償，實(shí)現(xiàn)伺服控制數(shù)據(jù)同步更新和執(zhí)行，對(duì)伺服中斷和實(shí)時(shí)以太網(wǎng)同步中斷進(jìn)行協(xié)調(diào)，使兩個(gè)中斷的觸發(fā)互不干擾。
[0014]本發(fā)明所要解決的又一技術(shù)問(wèn)題在于提供一種能夠避免丟包的基于實(shí)時(shí)以太網(wǎng)的伺服驅(qū)動(dòng)器同步方法。
[0015]本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是:
[0016]一種基于POWERLINK實(shí)時(shí)以太網(wǎng)的伺服驅(qū)動(dòng)器同步方法，所述的伺服驅(qū)動(dòng)器設(shè)有基于POWERLINK實(shí)時(shí)以太網(wǎng)的從站，該基于POWERLINK實(shí)時(shí)以太網(wǎng)的伺服驅(qū)動(dòng)器同步方法包括:
[0017]從站的鏈路層控制模塊接收到主站廣播的SOC同步幀時(shí)，向從站的應(yīng)用層控制模塊請(qǐng)求同步中斷；
[0018]應(yīng)用層控制模塊在每次進(jìn)入同步中斷時(shí)讀取伺服定時(shí)器的計(jì)數(shù)值T。，并從鏈路層控制模塊讀取中斷響應(yīng)延時(shí)△ t1;其中，所述的中斷響應(yīng)延時(shí)A t:為鏈路層控制模塊接收到SOC同步幀的時(shí)刻與應(yīng)用層控制模塊讀取時(shí)刻之間的偏移量；
[0019]在第一次進(jìn)入同步中斷時(shí)，應(yīng)用層控制模塊計(jì)算Tset= Tnwfs^a-At1),其中，Tset為應(yīng)用層控制模塊在第一次接收到同步中斷請(qǐng)求后的下一次伺服中斷發(fā)起時(shí)刻，T n0ffset為應(yīng)用層控制模塊接收到同步中斷請(qǐng)求后的下一次伺服中斷發(fā)起時(shí)刻與接收到該同步中斷請(qǐng)求的時(shí)刻之間的時(shí)間偏差值，Tnwfset= T _st+ndCnt XTdelay;其中Transt為預(yù)先設(shè)定的常量，Transt需滿(mǎn)足 T sync<Tconst<Tper1d-Tservo-ndCnt X Tdelay;T ―為同步中斷的執(zhí)行時(shí)間；T SCTV。為伺服中斷的執(zhí)行時(shí)間，TPCT1C]d為伺服定時(shí)器的伺服程序理論定時(shí)周期，1^_為兩個(gè)從站之間的傳輸延時(shí)，ndCnt為POWERLINK實(shí)時(shí)以太網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中從當(dāng)前從站到末從站的串行從站數(shù)；
[0020]應(yīng)用層控制模塊根據(jù)計(jì)算出的Tset調(diào)整在第一次進(jìn)入同步中斷時(shí)的那一個(gè)伺服定時(shí)器的伺服程序定時(shí)周期；
[0021]應(yīng)用層控制模塊將處于第一次同步中斷所在的那一個(gè)通信周期內(nèi)的其余伺服定時(shí)器的伺服程序定時(shí)周期恢復(fù)為伺服程序理論定時(shí)周期TpCT1C]d。
[0022]上述的基于POWERLINK實(shí)時(shí)以太網(wǎng)的伺服驅(qū)動(dòng)器同步方法，其中，應(yīng)用層控制模塊從第二次進(jìn)入同步中斷開(kāi)始，每次進(jìn)入同步中斷時(shí)均計(jì)算接收到同步中斷請(qǐng)求時(shí)的伺服定時(shí)器的實(shí)際計(jì)數(shù)值T2與理論計(jì)數(shù)值T1之間的偏差ΔΤ: ΔΤ = T2-T1 =(Tc A (Tperi0d Tn0ffset )=T；+TnMfset-TpCT1C]d-At1;并將本次同步中斷所在通信周期內(nèi)的伺服定時(shí)器的伺服程序定時(shí)周期設(shè)為
Tper1dNewj ^per1dNew T per1d+
AT/m，其中m為通信周期除以伺服程序理論定時(shí)周期的整數(shù)倍數(shù)。
[0023]本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn):
[0024]1、本發(fā)明通過(guò)在POWERLINK實(shí)時(shí)以太網(wǎng)通信建立后第一次接收到SOC同步幀時(shí)，調(diào)整伺服定時(shí)器的當(dāng)前伺服程序定時(shí)周期，在保證伺服中斷優(yōu)先級(jí)最高的情況下，避免了數(shù)據(jù)更新與伺服應(yīng)用程序之間的沖突；本發(fā)明通過(guò)補(bǔ)償POWERLINK實(shí)時(shí)以太網(wǎng)SOC同步幀的傳輸延時(shí)，并將網(wǎng)絡(luò)上的各伺服驅(qū)動(dòng)器的定時(shí)時(shí)鐘同步于補(bǔ)償后的SOC同步幀。使得各伺服驅(qū)動(dòng)器同步于網(wǎng)絡(luò)時(shí)鐘更新和執(zhí)行控制數(shù)據(jù)，將多軸同步延伸至電流環(huán):
[0025]2、本發(fā)明在每一通信周期內(nèi)的多個(gè)伺服中斷周期內(nèi)均勻地補(bǔ)充異步時(shí)鐘誤差，提高了 POWERLINK實(shí)時(shí)以太網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐叫阅?，?duì)于高速、高精度分布式運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)具有重要意義；
[0026]3、為避免可能出現(xiàn)的“丟包”問(wèn)題，并且給