运动控制系统及其同步方法与流程

本申请涉及控制技术领域，尤其涉及一种运动控制系统及其同步方法。

背景技术：

实时以太网广泛用于运动控制系统，ethercat、powerlink等一些协议可实现精度小于1μs的时间同步。但是，同步仅涉及网络主机和从机之间的数据通信。现有的网络解决方案不包括运动控制i/o(inputoutput，输入输出)同步(例如，pwm的输出时刻，ad转换器的采集时刻等)，这限制了可实现的控制性能。在面向机器人和机床等应用的高性能多轴伺服系统中，可以清楚地看到同步不确定性的影响。在i/o级的电机控制轴之间的时间偏移量变化会对机器人或机床的最终三维定位精度产生直接且显著的影响。

技术实现要素：

本申请的主要目的在于提出一种运动控制系统及其同步方法，旨在解决运动控制系统中i/o同步的问题。

为实现上述目的，本申请实施例第一方面提供一种运动控制系统，所述运动控制系统包括主站控制器和多个从站控制器，所述主站控制器和所述从站控制器之间通过实时网络连接；所述从站控制器包括i/o同步单元、以及至少一个i/o设备；

所述i/o同步单元包括网络信号处理模块、寄存器以及同步脉冲发生器；

所述网络信号处理模块，用于获取所述从站控制器的本地时钟所产生的帧同步信号；

所述寄存器，用于寄存预先配置的所述i/o设备的延迟时间补偿值；

所述同步脉冲发生器，用于根据所述帧同步信号以及所述延迟时间补偿值，生成所述i/o设备的同步脉冲，以使得所述i/o设备与所述实时网络保持同步。

此外，为实现上述目的，本申请实施例第二方面提供一种运动控制系统的同步方法，所述运动控制系统包括主站控制器和多个从站控制器，所述主站控制器和所述从站控制器之间通过实时网络连接；所述从站控制器包括i/o同步单元、以及至少一个i/o设备；所述方法包括：

获取所述从站控制器的本地时钟所产生的帧同步信号；

根据所述帧同步信号以及预先配置的所述i/o设备的延迟时间补偿值，生成所述i/o设备的同步脉冲，以使得所述i/o设备与所述实时网络保持同步。

本申请实施例提供的运动控制系统及其同步方法，通过在从站控制器设置的i/o同步单元，为i/o设备生成同步脉冲，使得i/o设备与网络流量保持同步，从而显著提高控制性能。

附图说明

图1为本申请实施例提供的ethercat典型网络结构示意图；

图2为本申请实施例提供的运动控制系统示意图；

图3为本申请实施例提供的运动控制系统中i/o同步单元示意图；

图4为本申请实施例提供的机器人控制系统示意图；

图5为本申请实施例提供的帧同步信号与pwmi/o同步脉冲示意图；

图6为本申请实施例的运动控制系统的同步方法示意图。

本申请目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

具体实施方式

应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。

现在将参考附图描述实现本申请各个实施例的。在后续的描述中，使用用于表示元件的诸如“模块”、“部件”或“单元”的后缀仅为了有利于本申请的说明，其本身并没有特定的意义。

在本申请中涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本申请要求的保护范围之内。

第一实施例：

在阐述本实施例之前，以下结合图1对现有技术存在的问题进行详细的说明：

如图1所示的ethercat典型网络结构示意图，分布时钟机制可以使所有ethercat设备使用相同的系统时间，从而控制各设备任务的同步执行。从站设备可以根据同步的系统时间产生同步信号，用于中断控制或触发数据的输入输出。

为了解释现有解决方案的局限性，考虑一个两轴网络运动控制系统。运动控制主机通过实时网络向两个伺服控制器发送命令和指令值，每个伺服控制器构成网络上的一个从机节点。伺服控制器本身由网络控制器、电机控制器、功率逆变器和电机/编码器等组成。

实时网络协议采用不同的方法使从机节点与主机同步，一种常用方法是在每个节点处配置一个本地同步时钟，并通过分布时钟机制使主时钟和各个从时钟保持同步，然后基于该时钟实施所有伺服轴的指令值和命令的同步。但是将同步数据传送到电机控制器还不够，电机控制器还必须能以同步方式响应。如果没有这一能力，电机控制器就无法充分利用实时网络的定时精度。在响应指令值和命令时，由于电机控制器中的每个i/o(例如，pwm定时器和adc)都具有固有的延迟和时间量化，因此电机控制器的i/o的同步很重要。

如图2-图3所示，本申请第一实施例提供一种运动控制系统，所述运动控制系统包括主站控制器10和多个从站控制器20，所述主站控制器10和所述从站控制器20之间通过实时网络30连接；所述从站控制器20包括i/o同步单元202、以及至少一个i/o设备203。

在本实施例中，所述从站控制器20还包括与所述主站控制器10通信连接的网络通信模块201；

所述i/o同步单元设置在所述网络通信模块201与所述i/o设备203之间。

在本实施例中，所述实时网络30为实时以太网，所述实时以太网包括ethercat、powerlink、profinet、sercosii中的至少一个。

所述i/o同步单元202包括网络信号处理模块2021、寄存器2022以及同步脉冲发生器2023；

所述网络信号处理模块2021，用于获取所述从站控制器20的本地时钟所产生的帧同步信号；

所述寄存器2022，用于寄存预先配置的所述i/o设备203的延迟时间补偿值；

所述同步脉冲发生器2023，用于根据所述帧同步信号以及所述延迟时间补偿值，生成所述i/o设备203的同步脉冲，以使得所述i/o设备203与所述实时网络30保持同步。

在一实施例中，所述寄存器2022，还用于寄存同步脉冲的个数；

所述同步脉冲发生器2023，还用于根据所述帧同步信号、所述延迟时间补偿值以及所述同步脉冲的个数，生成所述i/o设备203的同步脉冲。

为了更好地阐述本实施例，以下以机器人控制系统为例并结合图4-图5进行说明：

如图4所示的机器人控制系统，主机通过ethercat向伺服驱动器发送命令和指令值，进而控制伺服电机驱动机器人，例如：机器人关节。主机构成网络上的主站，伺服驱动器构成网络上的一个从站。伺服驱动器本身由ethercat模块、位置环、速度环、电流环、电流电压采样模块、编码器接口、pwm生成模块、电机驱动模块等组成。

为了使得伺服驱动器中pwm生成模块与网络流量保持同步，在ethercat模块与pwm生成模块之间增加i/o同步单元，i/o同步单元获取本地时钟所产生的帧同步信号，根据帧同步信号以及预先配置的延迟时间补偿值生成同步脉冲。同步脉冲输出到pwm生成模块，触发产生所需的最终信号。

如图5所示的同步脉冲与帧同步信号之间的关系示意图，tframe为帧同步信号的周期；td为预先配置的延迟时间，以便补偿pwmi/o的延迟差异；tpwm为pwm脉冲的周期，tjitter为帧同步信号的抖动时间。

配置系统参数时，可按以下步骤进行：

1)测量pwmi/o的延迟时间，选取最大延迟作为公共延迟时间td-com；

2)测量帧同步信号的抖动时间，取其最大值为tjitter；

3)配置到系统中的pwmi/o的延迟时间补偿值为td-com减去pwmi/o自身的延迟时间；

4)pwmi/o所需脉冲的周期根据自身需求确定和配置，实际脉冲个数为符号为向下取整；

5)把以上参数配置到i/o同步单元中。

其他i/o的时间同步可参考上述pwmi/o，在此不作赘述。

本申请实施例提供的运动控制系统，通过在从站控制器设置的i/o同步单元，为i/o设备生成同步脉冲，使得i/o设备与网络流量保持同步，从而显著提高控制性能。

第二实施例：

如图6所示，本申请第二实施例提供一种运动控制系统的同步方法，所述运动控制系统可参考第一实施例所述内容，在此不作赘述。

运动控制系统的同步方法包括步骤：

s11、获取所述从站控制器的本地时钟所产生的帧同步信号；

s12、根据所述帧同步信号以及预先配置的所述i/o设备的延迟时间补偿值，生成所述i/o设备的同步脉冲，以使得所述i/o设备与所述实时网络保持同步。

在一实施方式中，所述根据所述帧同步信号以及预先配置的所述i/o设备的延迟时间补偿值，生成所述i/o设备的同步脉冲，包括：

根据所述帧同步信号、预先配置的所述i/o设备的延迟时间补偿值以及预先配置的同步脉冲的个数，生成所述i/o设备的同步脉冲。

在一实施方式中，所述i/o设备的延迟时间补偿值通过以下方式配置：

测量所述i/o设备的延迟时间，选取最大延迟时间作为公共延迟时间；

将所述公共延迟时间与所述i/o设备自身的延迟时间的差值，配置为所述i/o设备的延迟时间补偿值。

在一实施方式中，所述同步脉冲的个数通过以下方式配置：

计算所述帧同步信号的周期与所述延迟时间补偿值的差值；

计算所述差值与所述同步脉冲的周期的比值，并对所述比值进行取整之后配置为所述同步脉冲的个数。

在一实施方式中，所述计算所述帧同步信号的周期与所述延迟时间补偿值的差值，包括：

测量所述帧同步信号的抖动时间；

计算所述帧同步信号的周期与所述抖动时间的和值，并计算所述和值与所述延迟时间补偿值的差值。

本申请实施例提供的运动控制系统的同步方法，通过在从站控制器设置的i/o同步单元，为i/o设备生成同步脉冲，使得i/o设备与网络流量保持同步，从而显著提高控制性能。

需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者装置不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者装置所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括该要素的过程、方法、物品或者装置中还存在另外的相同要素。

以上仅为本申请的优选实施例，并非因此限制本申请的专利范围，凡是利用本申请说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本申请的专利保护范围内。