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SynqNet运动控制网络

SynqNet运动控制网络 2011年12月04日 来源： 高性能运动网络要求严格管理的同步体制来保证多个轴之间的同步和实时更新。尽管以太网为采用分布控制的一般用途的应用提供足够的性能，对于有更多要求的情况，它通常是太慢了。在这些情况下，就需要一个快速同步网络，将集中运动处理器连接到多个伺服轴。SynqNet 特别为支持高性能集中控制系统而设计，并提供另外的好处包括自愈容错运行、简单的基于发现的配置和高抗扰性。另外，多个驱动器供应商支持SynqNet，它们提供了具有成本竞争力的很多系列的产品。当选择一个运动网络时，需要关注的关键因素非常简单。它能具有你需要的性能吗？它可靠和安全吗？它易于使用的程度有多大？拥有它全部成本是多少？本文回顾了这四个方面和技术背景，以帮助读者理解数字运动网络。 以太网的局限性 以太网已经成为无处不在的办公网络平台，并且将在工业自动化领域继续它的胜利。在数字网络的早期，带宽的缺乏、决定论和长等待时间，市场提供的是分布处理解决方案。但对于高性能和多轴应用，这种以太网分布处理方法一般是不够的，它们需要一个集中进行处理的控制模型。SynqNet 是第一个商业化100BaseT (IEEE802.3) 网络，提供集中控制模型的所有性能优势，同时还有增强的性能、容错、可靠性和诊断特性。 SynqNet 由Danaher Motion 公司的子公司——Motion Engineering 股份有限公司开发。协议很快被主要的驱动器公司所采用，像安川电机、Advanced Motion Controls、松下、Glentek、Sanyo Denki、Trust Automation、和Soonhan Engineering等。 高性能控制系统的需求（1）最小的伺服周期时间高性能运动控制系统依赖于一些关键技术元件，这些元件以集成方式无缝工作在一起。一个完美的控制系统必须将所期望的运动曲线转变为一个或多个伺服轴的运动。为完成这个任务，经常需要采用一些运动学模型的形式，从XYZ “空间”坐标系转换到机器坐标系或“联合”坐标系。另外的一些像非线性或轴交叉耦合的影响应该得到补偿。 不管最终的软件控制模型是什么，重要的是总的伺服周期时间的最小化。周期时间越短，控制系统越严密，机器的性能越高。对于快速的点对点的运动，或者精确路径运动，周期时间成为一个重要的要素。（2）网络等待时间和传输率现代控制系统从每一个轴接收多个定值输入和多个反馈输入，如实际的力矩和速度，来为每一个电机计算新的目标数据。为实现有效的高性能控制，定值数据和反馈数据必须同步传送，具有非常短的周期时间和等待时间。在控制系统中，任何的传送延迟都代表了一个阶段延迟，这限制了可完成的增益和机器的有效反应时间。 （3）低的偏差和延迟抖动 数字控制系统在自由碰撞的网络干扰初步是由于主节点和从节点的本地时钟之间的差异而造成的。此外，电磁干扰也能加强延迟抖动。延迟抖动直接传送到路径运动。对于单轴，延迟抖动能够导致不稳定的控制行为，如速度变化或摆动的最后位置错误。对于多轴系统，后果则更严重。这样，对于精确路径运动，具有最小的延迟抖动是必要的。偏差是发送器和接收器之间或网络节点之间的数据传输的固定延迟。它是由电缆传送延迟（大约1μs/100米）和内部逻辑电路中的延迟引起的。 对于高性能的特性运动控制，偏差变得相关，而且网络必须能够测量偏差并能够进行补偿。 SynqNet 通过采用阶段锁定循环技术把每一个从网络的独立时钟同步到主网络，这样，把振动减少到小于1μs。这就提供了比其它非同步网络（如基于以太网的TCP/IP或IP/UDP）更优良的性能。 SynqNet 采用特殊算法将偏移限制在20ns，特殊算法是测量系统偏移并在硬件上加以补偿。偏移和延迟抖动由一些节点或网络交流条件担保。SynqNet 运动控制网络的卓越性能（1）更为优化的数据帧SynqNet使用不重要的第二层。以太网是为传送长数据包而设计的。按照IEEE802.3 规范，一个数据帧由28 个控制字节和至少46个数据字节组成。这种协议对于典型的工业化运动应用软件来说过大。通常一个节点(设备)的数据需求很少(少于46字节)。为降低周期时间和等待时间，Synqnet 优化了第二层的数据帧。一个SynqNet 帧至少由24 个字节组成而不是至少74个字节。这是SynqNet与以太网相比的一个关键优势。 （2）同步全双工通信标准的以太网利用一对双绞线传送和接收数据。对双绞线的存取由所共知的多路访问冲突检测(MACD)管理，它是一个公认的好方法。但这种机制天生具有不确定性，并且随着网络中设备数量的增加，碰撞时间几乎会指数级的增加，这样会导致性能的快速降低。SynqNet为消除多路访问冲突检测机制而设计。它使用一个同步方法，用定期时间进度表方式向每一个设备传送数据。采用独立的接收和传送线对(全双工)来避免数据冲突，并且传送一个2 x 100 Mbit的确定的日期速度。对于4个轴来说，结果是周期时间短至25微秒。（3）安全性SynqNet既可以在串形拓扑也可以在环形拓扑配置。环形拓扑在SynqNet系统内可方便布线，并对电缆中断有一定的容许量。SynqNet具有“自愈”容错能力，在线路中的一段发生故障的事件中，SynqNet 硬件在两个伺服周期中重新规定数据线路，这时网络仍然保持连接状态。同时应用程序得到事件通知和事件发生的位置，允许机器以与特定情况相适应的方式作出响应。 （4）精确的捕获技术捕获包括基于位置的捕获和基于时间的捕获，指的是传感器触发事件的能力，事件可以是记录位置，或者记录在十亿分之一秒精度范围内的时间数据，然后使用这个数据在随后的伺服周期内优化轨迹或机器控制的其它元素。在SynqNet，可得到实用的基于时间和基于位置的捕获技术，而没有在分布控制模型或其它数字网络协议中常见的等待时间。 SynqNet 保证所有节点的严格同步，保证处理复杂运动包括多路输入、多路输出(MIMO)的机器人需求和一些其它复杂运动应用的能力。 SynqNet控制器采用共享内存，为了在主计算机PCI总线之上进行直接内存映射。这考虑了在控制器和主计算机之间共享内存寄存器，当处理影响主计算机的与机器相关的任务时来减少操作系统的等待时间。另外，SynqNet 控制器具有一个板载DSP 或微处理器，专用于对时间要求高的周期性任务，在这种任务中由FPGA 完成固件管理数据采集。（5）易于使用 SynqNet 在设计时考虑了机器制造商。安装和配置采用如下技术进行了简化：自动发现网络设备，通用调整和报告方法。SynqNet 采用公共软件API，为多个供应商的所有网络设备而设计。SynqNet 产品现在可以从最重要的美国和日本厂商购买到，它们不仅提供标准运动产品，也提供定制的运动产品。API可作为一套强大的C/C++或者Active X 运动库得到。SynqNet 具有查询固件修改和为网络上每个设备进行固件下载的能力。这简化了软件、固件甚至FPGA图象的配置管理过程，并且为机器进行插件更新或在这个领域安装未知配置状态的备用部件提供了一个有效方法。 获取实时节点信息的能力使得预言性维护、远程诊断和维修体制能够得到支持。如果节点是一个SynqNet放大器，所有的参数象温度、故障和警告条件、配置、驱动电机和编码器信息都可以远程存取，由用户应用程序以实时方式进行。运动系统的关键元件包括运动处理器、驱动器、输入/输出。日益增多的伺服驱动器提供商支持SynqNet，它们提供标准产品和定制产品、单轴和多轴、范围从10W 到10KW的伺服驱动器。元件的可大范围选择提供了设计灵活性和保证了能从全球最主要的驱动器和电机供应商获得具有竞争性的价格。(end)

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