一种基于分布式控制系统的时钟同步方法

一种基于分布式控制系统的时钟同步方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于分布式控制系统的时钟同步方法，具体该时钟同步方法包括：S1获取主站时钟与参考时钟之间的时钟偏移量；S2获取参考时钟与主站时钟之间的初始运行速度比值；S3基于步骤S2中得到的初始运行速度比值得到主站时钟与参考时钟之间的传输延迟；S4基于步骤S1中得到的时钟偏移量和步骤S3中得到的传输延迟对各从站时间进行补偿；S5分别获取各从站的从站时间在同步模式下的起始时间；S6采用时钟频率跟随的方法实现时钟同步。其可在一个时钟同步周期内完成对时钟偏移和主站时钟漂移的补偿，有效避免了其他时钟同步方法(如PI控制器)中由超调量过大和/或稳定时间的不确定性对系统性能的影响。
【专利说明】
一种基于分布式控制系统的时钟同步方法
技术领域
[0001] 本发明涉及智能运动控制技术领域，特别涉及一种基于分布式运动控制系统的时 钟同步方法。
【背景技术】
[0002] 分布式运动控制系统中，时钟同步是保证控制器主模块与各执行节点端之间、及 各节点之间协调工作的基础。尤其是在对速度、精度、多轴同步性等方面要求较高的运动控 制领域中，简便快速的时钟同步方法是保证控制系统性能的关键因素。
[0003] 目前，时钟同步协议有多种，如NTP(Network Time Protocol，网络时间协议）、 GPS、IEEE1588精准时钟同步协议、EtherCAT分布时钟协议、PR0FINET采用的PTCP协议以及 CIP(通用工业协议)采用的CIPsyn协议。虽然针对不同的网络标准有不同的网路协议，但同 步的原理基本相同。
[0004] -般来说，影响时钟同步效果的因素分为三部分：（1)参考时钟的稳定性、（2)传输 延迟的准确性、（3)对主站时钟运行速度的调整。导致时钟不同的根本原因在于时钟漂移和 时钟偏差，因此快速准确地对时钟漂移和时钟偏差进行补偿是主站时钟速度调整追求的目 标。

【发明内容】

[0005] 针对上述问题，本发明提供了一种基于分布式控制系统的时钟同步方法，有效解 决了对时钟偏移和主站时钟漂移的快速补偿。
[0006] 本发明提供的技术方案如下：
[0007] -种基于分布式控制系统的时钟同步方法，该分布式控制系统中包括一主站和多 个从站，所述时钟同步方法包括：
[0008] S1获取主站时钟与参考时钟之间的时钟偏移量；
[0009] S2获取参考时钟与主站时钟之间的初始运行速度比值；
[0010] S3基于步骤S2中得到的初始运行速度比值得到主站时钟与参考时钟之间的传输 延迟；
[0011] S4基于步骤S1中得到的时钟偏移量和步骤S3中得到的传输延迟对各从站时间进 行补偿。
[0012] 进一步优选地，在步骤S2中具体包括：
[0013] 通过线性拟合的方法和周期性采集到的参考时钟的时间戳得到参考时钟运行速 度与主站时钟运行速度之间的初始运行速度比值。
[0014] 进一步优选地，在步骤S3中具体包括：
[0015] S31记录参考时钟广播当前参考时钟的时刻t及参考时钟接收主站时钟应答数据 帧的时刻t'，同时记录主站时钟接收当前参考时钟的时刻t及主站时钟发送应答数据帧的 时刻t'；
[0016] S32分别得到主站时钟的时间差均值A t和参考时钟的时间差均值A t ;
[0017] S33基于步骤S2中得到的初始运行速度比值以及步骤S32中得到的主站时钟的时 间差均值△ t和参考时钟的时间差均值A t得到主站时钟与参考时钟之间的传输延迟 Delay〇
[0018]进一步优选地，在步骤S33中所述传输延迟Delay具体为：
[0019] Delay = ( A x-Ko A t)/2
[0020] 其中，A t为主站时钟的时间差均值，A t为参考时钟的时间差均值，Ko为初始运行 速度比值。
[0021] 进一步优选地，在步骤S4之后还包括：
[0022] S5分别获取各从站的从站时间在同步模式下的起始时间；
[0023] S6采用时钟频率跟随的方法实现时钟同步。
[0024]进一步优选地，在步骤S6中具体包括：
[0025] S6.1周期性的获取参考时钟的时刻；
[0026] S6.2基于预设的主站时钟的时间间隔得到参考时钟相对应的时钟间隔，并计算得 多次累计参考时钟对应时间间隔的平均值，以此得到参考时钟和主站时钟运之间的运行速 度比值；
[0027] S6.3基于当前同步时刻的时钟偏移量和步骤S6.2中得到的运行速度比值得到主 站时钟下一周期的理论运行速度；
[0028] S6.4基于步骤S6.3中得到的理论运行速度以及预设主站时钟运行速度阈值确定 主站时钟下一周期的实际运行速度，实现对主站时钟运行速度的调整。
[0029] 进一步优选地，在步骤S6.3中理论运行速度a ' i( i+1)具体为：
[0030] a，i(i+l) = (l+T〇ffset/T)Kiai(i)
[0031] 其中，Toffset为时钟偏移量，T为参考时钟的时钟周期，Ki为运行速度比值，ai(i)为 主站时钟当前实际运行速度。
[0032] 进一步优选地，在步骤S6.3之后还包括：
[0033]截断误差补偿。
[0034] 进一步优选地，在步骤S4之后还包括：
[0035] S7设定一虚拟时钟；
[0036] S8基于所述虚拟时钟调整主站中本地事件的触发时间。
[0037] 进一步优选地，在步骤S8中调整后主站中本地事假的触发时间K具体为：
[0039] 其中，tn为第n次时钟同步时主站时钟的实际时刻，Tn为第n次时钟同步时虚拟时钟 的时刻，&1(11+1)为第n次时钟同步周期主站时钟的实际运行速度，r为调整前主站中本地 事假的触发时间。
[0040] 本发明的有益效果在于：
[00411在本发明中，在保证主站设备（主站）正常运行的情况下，可在一个时钟同步周期 内完成对时钟偏移和主站时钟漂移的补偿，有效避免了其他时钟同步方法(如PID控制器） 中由超调量过大和/或稳定时间的不确定性对系统性能的影响。另外，在本发明中提供的时 钟同步方法中，能够准确快速的跟踪参考时钟的运行频率，并采用了频率跟随的方法实现 时钟的快速时钟，不需要复杂的自适应控制算法，方法简单易行。
[0042]再有，在本发明中提供的时钟同步方法中，还可以在本地系统没有权限直接控制 主站时钟运行速度的情况下实现与参考时钟的相对时钟同步，保证系统的协调运行。
【附图说明】
[0043 ]下面结合附图和【具体实施方式】对本发明作进一步详细地解释。
[0044] 图1为本发明中基于分布式控制系统的时钟同步方法一种实施方式流程示意图；
[0045] 图2为本发明中基于分布式控制系统的时钟同步方法另一种实施方式流程示意 图；
[0046] 图3为本发明中基于分布式控制系统的时钟同步方法另一种实施方式流程示意 图。
【具体实施方式】
[0047] 如图1所示为本发明提供的基于分布式控制系统的时钟同步方法一种实施方式流 程示意图，该分布式控制系统中包括一主站和多个从站，从图中可以看出，在该时钟同步方 法包括:S1获取主站时钟与参考时钟之间的时钟偏移量;S2获取参考时钟与主站时钟之间 的初始运行速度比值;S3基于步骤S2中得到的初始运行速度比值得到主站时钟与参考时钟 之间的传输延迟;S4基于步骤S1中得到的时钟偏移量和步骤S3中得到的传输延迟对各从站 时间进行补偿。
[0048] 具体，在本实施方式中，在步骤S1之前包括：启动主站设备，设定一固定周期定时 线程(用于非周期信息的交互)和一可变周期定时线程(用于对同步性能要求高的过程数据 的交互）。之后，进入系统的预运行阶段，分别获取主站时钟/各从站时钟与参考时钟之间的 时钟偏移量，以及通过线性拟合的方式根据周期性采集到的参考时钟的时间戳计算得到参 考时钟与主站时钟运行频率的比值(即上述初始运行速度比值）。
[0049] 随后，进入系统的安全运行阶段，即进入上述步骤S3。具体在步骤S3中包括:参考 时钟阶段性的广播当前参考时钟的时刻（Tl，T2，......，Tn);主站时钟记录接收到参考时钟 时间戳的时刻(ti，t2,......，tn);接收到参考时钟时间戳后，主站时钟应答数据帧，并记录 当前的发送时刻(ti'，t2'，......，tn'）；参考时钟接收到主站时钟的应答数据帧后，记录当 前的接收时刻（Ti'，12'......，Tn'），并将其发送给主站时钟。之后，主站设备分别计算主站 时钟的时间差的均值A t及参考时钟的时间差的均值A t，并基于根据公式Delay=( A t-Ko A t)/2计算得到主站时钟与参考时钟之间的传输延迟Delay，其中，Ko为初始运行速度比 值。之后，以参考时钟为基准时钟，基于步骤S1中得到的时钟偏移量和步骤S3中得到的传输 延迟对各从站时间进行补偿。
[0050] 对上述实施方式进行改进得到本实施方式，如图2所示，在本实施方式中包括:S1 获取主站时钟与参考时钟之间的时钟偏移量;S2获取参考时钟与主站时钟之间的初始运行 速度比值;S3基于步骤S2中得到的初始运行速度比值得到主站时钟与参考时钟之间的传输 延迟;S4基于步骤S1中得到的时钟偏移量和步骤S3中得到的传输延迟对各从站时间进行补 偿;S5分别获取各从站的从站时间在同步模式下的起始时间；S6采用时钟频率跟随的方法 实现时钟同步。
[0051 ]具体来说，在本实施方式中，步骤S1~S4与上述实施方式相同。在步骤S6中具体包 括:参考时钟周期性(周期时间为T)的广播其当前时刻（^)，主站时钟接收并记录接收到参 考时钟时间戳的时刻（U)。设置长度为L的滑动窗，通过线性拟合的方法估算L个时钟同步 周期内的参考时钟与主站时钟之间的运行速度比值(K0。记录当前时钟同步时刻，参考时 钟与主站时钟的时钟偏移量Toffset，并根据公式a'i(i + 1) = (l+Toffset/I^KiaKi)(其中，ai (i)为主站时钟当前实际运行速度）计算主站时钟下一周期的理论运行速度a'Ki + 1)。之 后，截断误差补偿。最后，设定主站时钟运行速度的可调范围Amin~Amax确定主站时钟下一周 期的实际运行速度，具体实际运行速度a^n+1)为：
[0053] 具体，为确保主站设备能够有序的运行，主站时钟运行速度的可调范围的最小值 Amin至少大于0 ;最大值Amx也不能过大，否则会影响主站时钟的时钟分辨率。
[0054] 对上述实施方式进行改进得到本实施方式，如图3所示，在本实施方式中具体包 括:S1获取主站时钟与参考时钟之间的时钟偏移量;S2获取参考时钟与主站时钟之间的初 始运行速度比值;S3基于步骤S2中得到的初始运行速度比值得到主站时钟与参考时钟之间 的传输延迟;S4基于步骤S1中得到的时钟偏移量和步骤S3中得到的传输延迟对各从站时间 进行补偿;S7设定一虚拟时钟;S8基于虚拟时钟调整主站中本地事件的触发时间。
[0055]更具体来说，在本实施方式中，步骤S1~S4与上述实施方式相同。在步骤S7和步骤 S8中具体包括:设定一虚拟时钟(不作为本地事件的触发时钟），改虚拟时钟的初始时间为 〇,初始速度为主站时钟当前的运行速度。由本地事件的触发依赖于主站时钟，则调整后主 站中本地事假的触发时间K具体为：
[0057] 其中，tn为第n次时钟同步时主站时钟的实际时刻，Tn为第n次时钟同步时虚拟时钟 的时刻，&1(11+1)为第n次时钟同步周期主站时钟的实际运行速度，r为调整前主站中本地 事假的触发时间。这样，对于没有权限直接调整主站时钟运行速度或对主站时钟加数值的 本地系统，就能通过步骤S7和步骤S7中所述的机制对主站中触发本地事件的触发时间进行 调整，实现时钟同步的目的。
【主权项】
1. 一种基于分布式控制系统的时钟同步方法，其特征在于，所述分布式控制系统中包 括一主站和多个从站，所述时钟同步方法包括： S1获取主站时钟与参考时钟之间的时钟偏移量； S2获取参考时钟与主站时钟之间的初始运行速度比值； S3基于步骤S2中得到的初始运行速度比值得到主站时钟与参考时钟之间的传输延迟； S4基于步骤S1中得到的时钟偏移量和步骤S3中得到的传输延迟对各从站时间进行补 偿。2. 如权利要求1所述的时钟同步方法，其特征在于，在步骤S2中具体包括： 通过线性拟合的方法和周期性采集到的参考时钟的时间戳得到参考时钟运行速度与 主站时钟运行速度之间的初始运行速度比值。3. 如权利要求1所述的时钟同步方法，其特征在于，在步骤S3中具体包括： S31记录参考时钟广播当前参考时钟的时刻τ及参考时钟接收主站时钟应答数据帧的 时刻τ'，同时记录主站时钟接收当前参考时钟的时刻t及主站时钟发送应答数据帧的时刻 t' ； S32分别得到主站时钟的时间差均值△ t和参考时钟的时间差均值Δ τ; S33基于步骤S2中得到的初始运行速度比值以及步骤S32中得到的主站时钟的时间差 均值△ t和参考时钟的时间差均值△ τ得到主站时钟与参考时钟之间的传输延迟Delay。4. 如权利要求3所述的时钟同步方法，其特征在于，在步骤S33中所述传输延迟De lay具 体为： Delay= ( Δ τ-Κο Δ t)/2 其中，△ t为主站时钟的时间差均值，△ τ为参考时钟的时间差均值，Ko为初始运行速度 比值。5. 如权利要求1-4任意一项所述的时钟同步方法，其特征在于，在步骤S4之后还包括： S5分别获取各从站的从站时间在同步模式下的起始时间； S6采用时钟频率跟随的方法实现时钟同步。6. 如权利要求5所述的时钟同步方法，其特征在于，在步骤S6中具体包括： S6.1周期性的获取参考时钟的时刻； S6.2基于预设的主站时钟的时间间隔得到参考时钟相对应的时钟间隔，并计算得多次 累计参考时钟对应时间间隔的平均值，以此得到参考时钟和主站时钟运之间的运行速度比 值； S6.3基于当前同步时刻的时钟偏移量和步骤S6.2中得到的运行速度比值得到主站时 钟下一周期的理论运行速度； S6.4基于步骤S6.3中得到的理论运行速度以及预设主站时钟运行速度阈值确定主站 时钟下一周期的实际运行速度，实现对主站时钟运行速度的调整。7. 如权利要求6所述的时钟同步方法，其特征在于，在步骤S6.3中理论运行速度a'Ki+ 1)具体为： a' 1 (i+1) = (l+T〇ffset/T)Kiai( i) 其中，IWfset为时钟偏移量，T为参考时钟的时钟周期，Ki为运行速度比值，ai(i)为主站 时钟当前实际运行速度。8. 如权利要求5或6所述的时钟同步方法，其特征在于，在步骤S6.3之后还包括： 截断误差补偿。9. 如权利要求1-4任意一项所述的时钟同步方法，其特征在于，在步骤S4之后还包括： S7设定一虚拟时钟； S8基于所述虚拟时钟调整主站中本地事件的触发时间。10. 如权利要求9所述的时钟同步方法，其特征在于，在步骤S8中调整后主站中本地事 假的触发时间K具体为：其中，tn为第η次时钟同步时主站时钟的实际时刻，τη为第η次时钟同步时虚拟时钟的时 刻，ai(n+l)为第η次时钟同步周期主站时钟的实际运行速度，Γ为调整前主站中本地事假 的触发时间。
【文档编号】H04J3/06GK105959079SQ201610554109
【公开日】2016年9月21日
【申请日】2016年7月14日
【发明人】陈鑫, 周楠, 吴杰文, 唐浩, 陈日东, 黄昕
【申请人】深圳市旗众智能自动化有限公司