工業機器人和機床應用涉及空間中多個軸的精確、協調運動，以完成手頭的工作。機器人通常有六個軸需要以協調的方式控制，如果機器人沿著軌道移動，有時有七個軸。在CNC加工中，5軸協調很常見，盡管有些應用利用多達12個軸，其中工具和工件在空間中相互移動。每個軸包括伺服驅動器、電機，有時還包括電機和軸關節之間的齒輪箱或末端執行器。然后，系統通過工業以太網互連，通常采用線路拓撲結構，如圖1所示。機器控制器將所需的空間軌跡轉換為每個伺服軸的單個位置參考，并通過網絡循環進行通信。

圖1.多軸機床的網絡拓撲。

控制周期

這些應用在定義的周期時間上運行，該周期時間通常等于底層伺服電機驅動器的基本控制/脈寬調制 （PWM） 開關周期或倍數。在這種情況下，端到端網絡傳輸延遲是一個關鍵參數，如圖 2 所示。在每個周期內，新的位置參考和其他相關信息必須從機器控制器傳輸到圖 1 的每個節點。然后，每個節點在PWM周期內需要有足夠的剩余時間，以使用新的位置參考以及任何新的傳感器數據更新伺服控制算法計算。然后，每個節點通過依賴于工業以太網協議的分布式時鐘機制在同一時間點在伺服驅動器中應用更新的PWM矢量。根據控制架構，部分控制環路算法可以在PLC中實現，并且需要足夠的時間才能可用，通過網絡接收任何相關的傳感器信息更新。

圖2.PWM周期和網絡傳輸時間。

數據傳輸延遲

假設網絡上唯一的流量是機器控制器和伺服節點之間流動的循環數據，則網絡延遲（T西北） 由到最遠節點的網絡躍點數、網絡數據速率以及每個節點中遇到的延遲決定。在機器人和機床的背景下，信號沿導線的傳播延遲可以忽略不計，因為電纜長度通常相對較短。主要延遲是帶寬延遲;也就是說，將數據放到線路上所需的時間。對于最小尺寸的以太網幀（通常用于機床和機器人控制），圖 3 顯示了 100 Mbps 和 1 Gbps 比特率的帶寬延遲。這只是數據包大小除以數據速率。從控制器到伺服的多軸系統的典型數據有效載荷包括每個伺服的 4 字節速度/位置參考更新和 1 字節控制字更新，這意味著 6 軸機器人的有效載荷為 30 字節。當然，某些應用程序將在更新中攜帶更多信息和/或具有更多軸，在這種情況下，可能需要大于最小大小的數據包。

圖3.最小長度以太網幀的帶寬延遲。

除了帶寬延遲之外，其他延遲元素是由于以太網幀通過每個伺服網絡接口上的 PHY 和 2 端換機而發生的。這些延遲如圖4和圖5所示，其中幀通過PHY進入MAC（1-2），通過目標地址分析顯示，其中只有幀的前導碼和目標部分必須通過時鐘。路徑 2-3a 表示提取當前節點的有效負載數據，而路徑 2-3b 表示幀到目標節點的后續旅程。圖 4a 僅顯示了在 2-3a 中傳遞給應用程序的有效負載，而圖 4b 顯示了正在傳遞的大部分幀;這表明以太網協議之間可能發生的微小差異。路徑 3b-4 表示幀通過傳輸隊列、PHY 并返回到線路上的出站傳輸。如圖所示，此路徑不存在于行端節點上。這里假設直通數據包交換，而不是存儲轉發，后者具有更高的延遲，因為整個幀在轉發之前都進入交換機。

圖4.幀延遲：（a） 2 端口節點幀延遲和 （b） 線路端節點。

圖5還顯示了幀的延遲元素，如圖5所示，其中顯示了通過一個軸節點的總幀傳輸時間。TBW表示帶寬延遲，而 TL_1node表示幀通過單個節點的延遲。除了與通過線路的位物理傳輸和用于目標地址分析的地址位的時鐘輸入相關的延遲外，PHY和開關組件延遲是影響系統內傳輸延遲的其他因素。隨著線路上比特率的增加和節點數量的增加，這些延遲在整個端到端幀傳輸延遲中變得更加重要。

圖5.幀傳輸時間軸。

低延遲解決方案

ADI公司發布了兩款新型工業以太網PHY，設計用于在惡劣的工業條件下可靠運行，環境溫度范圍高達105°C，并具有業界領先的功耗和延遲規格。ADIN1300和ADIN1200專為應對本文概述的挑戰而開發，是工業應用的理想選擇。憑借fido5000實時以太網、多協議、嵌入式2端換機，ADI公司可為確定性時間敏感型應用提供解決方案。

表 1 列出了 PHY 和交換機引入的延遲，假設接收緩沖區分析基于目標地址并假設網絡為 100 Mbps。

例如，將這些延遲聚合到7軸線路網絡，并將全部有效載荷的時鐘連接到最終節點（圖4中的3a），總傳輸延遲變為

其中 58 × 80 ns 表示讀取前導碼和目標地址字節后剩余的 58 字節有效負載。

此計算假定網絡上沒有其他流量，或者管理網絡以啟用對時間敏感的流量的優先訪問。它也在某種程度上依賴于協議，根據所使用的確切工業以太網協議，計算略有不同。回到圖2，在周期時間低至50 μs至100 μs的機器系統中，到最遠節點的幀傳輸可能占用近50%的周期，從而減少了可用于更新下一個周期的電機控制和運動控制算法計算的時間。最小化這種傳輸時間對于性能優化非常重要，因為它允許更長和更復雜的控制計算。鑒于與線路上數據相關的延遲是固定的，并且與比特率相關，因此使用低延遲元件（如ADIN1200 PHY和fido5000嵌入式開關）是性能優化的關鍵，尤其是在節點數量增加（例如12軸CNC機床）和周期時間縮短的情況下。遷移到千兆以太網可顯著降低帶寬延遲的影響，但會增加交換機和 PHY 組件引入的總體延遲比例。例如，千兆網絡上的 12 軸 CNC 機床的網絡傳輸延遲約為 7.5 μs。其帶寬元素可以忽略不計，并且使用最小或最大以太網幀大小幾乎沒有區別。網絡延遲在PHY和交換機之間大致平均分配，這突顯了隨著工業系統向千兆位速度發展、控制周期時間縮短（EtherCAT已證明循環時間為12.5 μs）以及節點數量隨著控制網絡中以太網連接傳感器的添加和網絡拓撲的扁平化而擴展的價值。

結論

在高性能、多軸、同步運動應用中，控制時序要求精確、確定性和時間關鍵性，需要最大限度地減少端到端延遲，尤其是在控制周期時間縮短和控制算法復雜性增加的情況下。低延遲 PHY 和嵌入式直通開關是優化這些系統的重要元素。

審核編輯：郭婷