（机械电子工程专业论文）面向运动控制的实时同步以太网研究.pdf

b 、 t 0 n a n j i n gu n i v e r s i t ) ，o f a e r o n a u t i c s 锄d a s 仃o n a u t i c s t h eg r a d u a t es c h o o l c o l l e g eo f m e c h a l l i c a la 1 1 de 1 e c t r i c a le n 百n e e r i n g 删| f f j f f i l f i i | f f f 舢 y 18 2 5 4 5 r e s e a r c ho nr e a l t i m ea n ds y n c h r o n o u se t h e m e t f o rm o t i o nc o r i 仃0 1 a t h e s i si n m e c h 撕c a le n g i n e 嘶n g b y l iy i n g a d 们s e db y p r o y o u ) u p e n g s u b m i t t e di np 卸r t i a lf u l f i u m e n t o ft h er e q u i r e m e n t s f o rt l l ed e g r e eo f m a s t e ro f e n g i n e e r i l l g j 锄u 哪2 0 1 0 一 1 ， 冬 - ， 、 。参j 走 承诺书 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，独立进 行研究工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用的内容外， 本学位论文的研究成果不包含任何他人享有著作权的内容。对本论文所 涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均已在文中以明确方式标 明。 本人授权南京航空航天大学可以有权保留送交论文的复印件，允许 论文被查阅和借阅，可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本承诺书) 作者签名： 日期： 砖廷 一 l l ，、， ， 鑫 南京航空航天大学硕士学位论文 摘要 运动控制技术与网络技术相结合代表着未来运动控制的发展方向。为实现高速高精度平稳 运动控制，运动控制网络将进一步向速度更快、抖动更小、容错性更好、传输距离更远和可靠 性更高的方向发展。商用以太网以其高速度、低成本、技术成熟等显著特点，在运动控制中有 着广阔的应用前景。为此，本文对基于以太网的运动控制网络展开系统研究，并提出了一种基 于标准以太网技术的面向运动控制的实时同步以太网。 首先研究了运动控制网络的需求和标准以太网用于运动控制的缺点，分析了几种常用工业 以太网的实时同步性解决方案及其不足，提出一种基于标准以太网技术的实时同步运动控制网 络解决方案。 根据i s o o s i 七层模型，建立了实时同步以太网的通信模型，给出了网络拓扑结构。将实 时通信和时间同步统一考虑，研究了实时同步以太网实时通信和节点同步的实现方法。在参考 以太网帧格式和工业机械电气设备控制与驱动装置实时串行通讯标准的基础上，制定了实时同 步以太网的报文结构，规划设计了网络通信时序，并研究了非周期数据的传输机制。 结合基于实时同步以太网的电机运动控制卡的设计，论述了实时同步以太网系统中智能网 络节点的开发方法，详细介绍了以太网通信模块和电机运动控制模块的电路设计。 最后，初步完成了实验平台软件开发，包括上位机网络通信程序和电机运动控制卡的d s p 软件。经过实验测试和分析，网络性能可以达到预期要求，验证了该实时同步以太网的可行性。 关键词：运动控制网络，工业以太网，实时同步以太网，实时通信 面向运动控制的实时同步以太网研究 a b s t r a c t m o t i o nc o n t r o ls y s t e mc o 皿【b i l l e dw i mn e 铆o r kt e c h n 0 1 0 9 yi st l l e 仃do fd e v e l o p i i l gm o t i o n c o n 的ls y s t e n l h lo r d e rt 0r e a l i z eh i 曲- s p e e d ，h i 曲p r e c i s i o n 锄d 跚的o t l lm o v e 妣n t ，m o t i o nc o n 缸d l n e 俩o r ki sd e v e l o p i n gt o w a r df b t e rs p e e 也s m a l l e rj i t t e r ，1 0 n g e r 心如s m i 豁i o na n dm 0 他豫l i a ：b i l i t ) r 缸 t 量l e s u l to fe t h e n l e t sn o t i b l ep r i v i l e g e ss u c h 笛l l i 曲s p e e d ，l o w - c o s t 觚dm a t l 鹏t e c l l i l o l o g y i th 弱a b r i g h tp r o s p e c ti i lm o t i o nc o n 仃o ls y s t e m h 1t l l et l l e s i s ，m o t i o nc o m r o ln e t w o r kb 雏e do ne 吐l e m e ti s s y s t e m a t i c a l l y 他s e 砌e d a 他a l - t i l l 舱a n ds y n c l l r o n o 璐e l 锄e tf 1 0 rm o t i o nc o n t r o li sp r o p o s e do n m eb a s i so f t l l es t 孤d a r d e t i l e m c tt e c h o l o 阱 f i r s to fa l l ，r e i 弘i 撒n e n t so fm o 缸c o n 加ln 咖o r k 锄dd i s a d v a n t a g e so fs t 锄d a r de t l l e m e t 璐e d i nm o t i o nc o n t r o ls y s t e ma r ed i s c u s s e d ，s 0 1 u t i 伽瞎t or e a l - t i i i 坞觚ds y n c l l r 0 i l o 璐o fh l d u s t r i a le t i 瑚m e t a 把a l l a l y z 酣缸l dd e f e c t so ft l l e ma r ep o 础e do u t ，a 托d l - t i l l ：l e 粕ds 1 c h r o n o u sm o 石o nc o n 仃0 ln e 协，0 r k s c h e m eb 孙e do n 础1 e m e ti sp r e s e n t e d - a c c o r d i n gt 0i s o o s im o d e l ，c 0 蚰珊i c a t i 吼i n o d e lf o rr e a l 粕m 粕ds y n c h r o u se l 锄e ti s e s t 乏l b l i s h e d 锄dm t 咖收t 叩o l o 斟i s 西v a f t e rc 0 璐i 捌n gm er e a l - t i m ec 埘砌c a t i o n 舔s o c i a t e d w i t l ls y n c l l l 0 】 1 i ：乙a 矗o n t h e i i n p l 豇联m t a t i o nm e m o d l so f a l - t i n 舱c o m m l l n i c a 虹叽a n dn b tn o d e s s y n c l 】1 o 】吐翻缸a s t i l d i e d o n 托f e r e n c eo ft h ee i h 既n e t s 丘锄e 而咀n a _ t s 锄ds t a n i i a 】r do fs 缸a ld a t a 他a l - 6 m ec 伽m u i l i c a t i o nb e 帆饥c o n t r o l sa n dd r i v e so fh l d u s 伍a lm e c 】测c a la n de l e c t r i c a l e q u i p m e n t ，t l l em e s s a g e 舭t i l i sd e 缸e d ，t l l en e 柳耐kt i l n i i l gi sd c s i g n e d t l l em e c h a n i s mo f 位m 如：1 i t t i n gi 啪- p 丽o d i cd a t ai s 碍s e a r c h e d w i mt l l e d e s i g no fm o t i o nc o n t r o l c a r db 笛e d r e a l t i i i l ea n d 唧1 1 1 0 1 1 0 l 塔e t l l 锄e t ，龇 d e v e l o p r n e n tm e t l l o d so fi 1 1 t e u i g e n tn c t d e si sd i s c u s s e d ，c i r c l l i t so fc 伽m m “c 撕越l dm o t o r m o t i o nc o n t r o la d e s i g n e di i ld e t a i l s a tl a s t ，b 舔i c a n ya c c o m p l i s he x p 钉i 1 1 舱n t a jp l a t f 0 n n ss o 疔w a d e v e l 哪m l 锄tw i l i c hi n c l u d e s c o m m u i l i c a 虹o np r 0 粤锄mo fu p p e rc o m p m 盯趾ds o 觚a 他i nd s po fm o t o rm 胡o nc o n t r 0 1c 莉 a c c 0 棚n gt 0t e s t s 锄da n a l y s i s ，儡ep e r f 0 r m 锄c eo fn e t w o r ki sa ：b l et om e e t 百v e nr e 惝m 伽临t l l l e f c 邪i b i l i t ) ，o f 北a l t i n 圮锄ds y n c b r o n 0 1 塔e m 锄e ti sv e r i f i e 正 k e y w o r d s ：删砘c 伽仃d lm t 啪r k ；i n d u 妤a le 吐l 锄1 e t ；r e a l - t i m e 锄ds y n c h r o n o 璐e 也e m e t ； r e a l t i i i l ec o m m u n j c a t i o n i l 南京航空航天大学硕士学位论文 目录 摘要i a b s t r a c t i i 目勇之i i i 图清单 表清单v i 第一章绪论1 1 1 运动控制网络综述。l 1 1 1 运动控制系统。1 1 1 2 运动控制网络的概念及特点。1 1 1 3 运动控制网络发展概况2 1 2 以太网用于运动控制的不足及解决方法5 1 3 本文研究内容。6 第二章基于以太网的运动控制网络实时同步性分析。7 2 1 网络化的多轴运动控制系统7 2 1 1 网络化多轴运动控制系统的典型结构7 2 1 2 高性能运动控制的需求8 2 2 以太网的实时性9 2 2 1 标准以太网实时性分析9 2 2 2 以太网实时通信改进方法1 0 2 2 3 工业以太网实时性解决方案1 1 2 - 3 以太网的同步性1 3 2 3 1 时钟同步技术1 3 2 3 2 工业以太网同步性解决方案1 4 2 4 本文的解决方案1 5 2 4 1 实时同步以太网通信模型1 5 2 4 2 拓扑结构1 6 2 5 本章小结1 7 第三章实时同步以太网研究1 8 3 1 实时通信和同步方法研究1 8 i i i 面向运动控制的实时同步以太网研究 3 1 1 实时通信实现1 8 3 1 2 节点同步方法2 0 3 2 实时同步以太网协议2 2 3 2 1 物理层2 2 3 2 2 数据链路层。2 3 3 2 3 应用层2 4 3 3 实时同步以太网通信时序2 5 3 3 1 报文结构2 5 3 3 2 工作时序。2 7 3 4 非周期性数据传输2 8 3 5 系统工作过程31 3 6 本章小结3 4 第四章基于实时同步以太网的的电机运动控制卡开发3 5 4 1 系统硬件总体规划3 5 4 2 以太网接口电路设计3 6 4 2 1d m 9 0 0 0 e 芯片简介j 3 6 4 2 2d m 9 0 0 0 e 连接电路图3 6 4 2 3d m 9 0 0 0 e 与f p g a 接口3 7 4 3 电机控制模块设计：3 9 4 3 1d s p 电路设计。3 9 4 3 2 数字脉冲输出电路设计3 9 4 3 3 编码器接口电路设计。4 0 4 3 4 输入输出i o 设计。4 0 4 4 本章小结4 0 第五章f p g a 内部各功能模块实现4 l n 5 1f p g a 设计原则和流程4 1 一5 2 数据接收模块设计4 3 ， 5 3 数据发送模块设计：4 5 5 4 数据的存储转发设计4 7 5 4 1 三端口r a m 模块设计4 7 5 4 2 三端口瓦a m 存储转发实现。4 8 5 5 编码器接口设计5 0 南京航空航天大学硕士学位论文 5 6 本章小结5 2 第六章实验平台软件开发与实验验证5 3 6 1 实验平台软件开发5 3 6 1 1 上位机通信程序开发5 3 6 1 2d s p 软件开发5 5 6 2 实验验证。5 8 6 2 1 可靠性测试与分析5 8 6 2 2 偏差测试与分析5 9 6 2 3 同步性测试与分析。6 0 6 3 本章小结6 0 第七章总结与展望6 l 7 1 本文总结6 1 7 2 后续工作展望6 1 参考文献，6 3 致谢：。6 7 在学期间的研究成果及发表的学术论文。6 8 v 面向运动控制的实时同步以太网研究 图清单 图1 1 运动控制系统1 图2 1 集中式运动控制7 图2 2 分布式运动控制8 图2 3 网络延迟时间组成1 0 图2 4 三种工业以太网实时性解决方案1 2 图2 5 实时同步以太网与o s i 参考模型对比1 6 j 图2 6 实时同步以太网环型结构。1 6 图2 7 实时同步以太网线型结构1 7 图3 1s e r c o s 拓扑结构。1 8 图3 2 实时同步以太网的主从站连接图：1 9 图3 3 环型实时同步以太网同步原理2 1 图3 4 以太网物理层结构2 3 图3 5 以太网帧格式：2 4 图3 6 同步报文s c d 的结构2 5 图3 7 主站控制报文m c d 的结构2 6 图3 8 从站反馈报文s f d 的结构2 7 图3 9 周期工作时序图，2 8 图3 1 0 非周期数据传输通道处理框图2 9 图3 1 l 非周期数据传输通道握手位工作原理图3 0 图3 1 2 系统工作过程3 2 图4 1 硬件总体结构框图3 5 图4 2d m 9 0 0 0 e 内部结构原理图3 6 一 图4 3d m 9 0 0 0 e 物理层连接图3 7 图4 4d m 9 0 0 0 e 与f p g 认接口图3 7 ， 图4 5d m 9 0 0 0 e 寄存器读时序图3 8 图4 6d m 9 0 0 0 e 寄存器写时序图3 8 图4 7d s p 电源监控和复位电路3 9 图4 8 差分脉冲指令输出格式图4 0 图4 9 编码器反馈信号接口电路图。4 0 南京航空航天大学硕士学位论文 图5 1 基于f p g a 的数字系统设计流程一4 2 图5 2 接收状态转移图。4 3 图5 - 3 接收报文时序图4 4 图5 4 发送状态转移图4 5 图5 5 发送报文时序图4 6 图5 6d s p 和网络接口数据交互原理图4 7 图5 7 三端口ra m 结构图4 7 图5 8 三端口r a m 转发原理图4 8 图5 9 光电编码器输出信号图5 0 图5 1 0 可逆计数器的状态转换图。5 l 图5 1 1 编码器四倍频及鉴相电路时序仿真图5 2 图6 1w i n d o w s 系统网络结构图5 3 图6 2n d i s 系统结构5 4 图6 3 驱动程序总体结构5 4 图6 4 上位机通信程序界面5 5 图6 5d s p 主程序流程图5 6 图6 6 中断程序处理流程图。5 7 图6 7 偏差测量示意图5 9 v i i 面向运动控制的实时同步以太网研究 表清单 表3 1 报文头：2 4 表3 2m c d 中控制字内容。2 6 表3 3s f d 中状态字内容2 7 表3 4 数据块结构2 8 表6 1 以太网c r c 错误包5 8 表6 2 以太网偏差测试结果。6 0 v l j i 南京航空航天大学硕士学位论文 第一章绪论 运动控制是现代机电设备的重要支柱，不但追求单轴的速度和位置控制精度，更追求多轴 协同运动的同步精度。网络化是现代运动控制系统的重要发展方向，以太网具有高带宽、丰富 的软硬件资源以及开放的协议，其应用于运动控制系统不仅能够提高自动化生产效率，而且使 得企业从管理层到现场设备层采用单一网络成为可能。 1 1 运动控制网络综述 1 1 1 运动控制系统 运动控制系统是指以机械运动的驱动设备一电动机为控制对象，以控制器为核心，通过对机 械运动部件的位置和速度进行实时的控制，使其按照预期的运动轨迹和规定的运动参数进行动 作的控制系统。 运动控制系统主要由运动控制器、驱动器、执行器以及反馈装置组成。运动控制器根据应 用要求产生并发送运动控制命令；驱动器从控制器接受命令，并转化成功率信号：执行器接收 控制器的信号完成运动轨迹；反馈装置负责采集执行器在运动过程中的各种状态信息，如速度、 位置、方向等，并将它们传送给运动控制器。运动控制器根据反馈数据，对输出信号进行调整。 图1 1 是运动控制系统的典型结构图。 图1 1 运动控制系统 运动控制系统中，由一个电动机、一个功率驱动器以及相关传感器构成、可以实现一个自 由度的独立运动的装置，称为一个轴。通过控制使具有运动协调关系的多个轴按照预定的速度 或位置同步运行，以实现精密的速度传动比或轮廓轨迹，即为多轴同步控制【1 1 。 1 1 2 运动控制网络的概念及特点 运动控制网络就是构建在运动控制器、电机驱动器以及传感器之间，能够实时、同步地传 送运动控制命令和反馈运动状态的网络系统【n 。 运动控制网络需要在运动控制器、传感器和电机驱动器之间实现控制和反馈数据高频率、 无抖动的交换，因此除具有一般工业控制网络的高可靠性与安全性、工业现场恶劣环境的适应 面向运动控制的实时同步以太网研究 性等特点外，还有自身的特点：需要通过反馈控制，在有网络参与的闭环内实现位置或速度的自 动调节；关键的运动控制动作必须在较短的时间内作出响应。因此，运动控制网络的实时性要 求更高。对于多轴同步运动控制来说，还要求网络节点的精确同步，即传感器节点要在相同的 时刻进行采样，为控制器提供具有一致时间关系的反馈信号；执行器节点要在相同的时刻更新 采样保持器的输入，同步执行控制器的输出命令。 归纳起来，实时性和同步性是运动控制网络的两个基本特征【2 】。实时性是指运动控制网络 能够保证控制器以足够快的速度和足够小的周期向执行器发送控制指令和从传感器获取反馈信 息。同步性是指运动控制网络能够保证各节点执行命令和采样反馈的时间具有一致性。 一 1 1 3 运动控制网络发展概况 1 9 8 3 年，h 0 n e y w e n 推出了智能化仪表，它在原模拟仪表的基础上增加了具有计算功能的 - 微处理器芯片，在输出的化o i n a 直流信号上叠加了数字信号，使现场与控制器之间的连接由 模拟信号变为数字信号。智能仪表的出现为现场总线的诞生奠定了基础，欧洲首先提出现场总 线概念。随后，北美和南美也投入了大量的人力、物力展开现场总线的研究，到目前为止，比 较流行的现场总线已有4 0 多种。 根据m c 6 1 1 5 8 标准，现场总线【3 】是“安装在生产过程区域的现场设备，仪表与控制室内的 自动控制装置，系统之间的一种串行，数字式，多点通信的数据总线 。用于运动控制的现场 l 南京航空航天大学硕士学位论文 ( 4 ) c c 1 i 1 1 l 【是三菱电机于1 9 9 6 年推出的开放式现场总线，c c 1 i 1 1 k 由1 个主站和“个从站 组成，采用总线方式通过屏蔽双绞线进行连接。c c l i i l l 【底层通讯协议遵循r s 一4 8 5 ，采用广播 轮询的方式进行通信，最高速度可以达到10 m b p s 【5 】。 ( 5 ) s e r c o s ( s 嘶a 1r e a l - t i i l l ec 伽删l n i c a t i o ns p e c i f i c a t i o n ，串行实时通讯协议) 协议是一种 专门用于在工业机械电气设备的控制单元与数字伺服装置之间实现实时数据通讯的协议标准， 1 9 9 5 年被定为国际标准i e c 6 1 4 9 1 ，该标准被欧洲各国及美国和日本的数控系统和伺服系统制 造商广泛接受，并开发和生产符合该协议的产品。s e r c o s 的通信协议通过a s i c 芯片实现。 站问的最大距离为8 0 m ( 采用塑料光纤) 或2 4 0 m ( 采用玻璃光纤) ，每个光纤环的最大从站 数量为2 5 4 个，在实际应用中的数量与通信循环周期相关。s e r c o s 总线的通信速率常用的有 2 m b p s 、4 m b p s 、8 m b p s 和1 6 m b p s 。 目前工业上广泛采用的现场总线，通信速率一般不超过2 0 m b p s ，其带宽难以满足高速高精 同步运动控制的需要，而且现场总线种类繁多，没有统一的国际标准，各厂商的仪表设备不能 兼容。 近年来，以太网技术得到了飞速发展，其传输速率已从最初的l o m b p s 发展到l o g b p s ，是 现场总线无法相比的。由于具备高带宽、低成本、开放性好、技术成熟等特点，高速以太网有 望成为未来的高速运动控制网络标准，几乎所有重要的运动控制厂商都在积极参与实时工业以 太网标准的制定【q 。工业以太网在运动控制系统中的广泛应用，将极大地提高生产效率。目前 国内外有几个比较重要的工业以太网： ( 1 ) s y r l ( 1 n e t 是m o t i 吼e n g 妇e 血gk ( m e d 公司设计的一种实时、同步数字网络。它代 替了运动控制器与伺服驱动装置之间的标准1 0v 模拟量接口，应用于半导体、电子组合装 置、工业机器人等运动控制。s y n q n e t 是基于以太网的控制网络，其采用符合m e e8 0 2 3 规范 的物理层，传输速度为1 0 0 m b p s ，传输方式为全双工，网络拓扑由对等网络改为环形，可以同 步连接3 2 个轴。以太网的数据传输适用于数据量大、传输频率低，而运动控制网络中数据长度 比较短，为了提高传输效率，s y n q n e t 在数据链路层对数据帧进行了优化。一个数据帧由至少2 4 位组成，而不是至少7 4 位。 s ) r i l q n e t 消除了以太网c s m a c d 机制固有的不确定性问题。它 采用一种同步方法，以一种规则的预定时间方式，将数据传送到每一台设备中。使用独立的接收 与发送导线对，避免数据冲突，可达到2 l o om b i t 的数据传输速率n ( 2 ) p r 0 丘n e t 是p r 0 丘b 璐国际组织推出的基于工业以太网的自动化解决方案。该技术能为 p r o f i b 懈及其他现场总线系统提供升级至工业以太网的解决方案。p r o 丘i l e t 支持以下三种通信方 式：使用t c p ( l 7 d p p 标准通信，主要用于对时间要求不严格的数据传输，如参数设置和组态。 实时阳) 通信，在p f 0 血e t 中规定了优化的实时通信通道，其响应时间可以达到1 1 0 毫秒。 同步实时通信，用于运动控制等要求严苛的应用。使用m t ，可实现循环时间小于1 毫秒， 3 面向运动控制的实时同步以太网研究 抖动精度小于l 微秒【8 】。 ( 3 ) s e r c o s m ，随着工业以太网技术发展，i g s ( h l t e r e s tg r o u ps e r c o s ) 将s e r c o s 总 线技术与工业以太网技术结合起来，推出了s e r c o si i i 。s e r c o s 有实时和非实时通道， 其中实时通道用来传输控制命令值和反馈值；非实时通道用来传输非实时数据。s e r c o sm 采 用支持全双工以太网的环状拓扑结构可以处理冗余，其数据传输速度为1 0 0 m b i 体，最小循环周 期是3 1 2 5 微秒，对应8 轴8 字节，当循环时间为l m s 时，对应2 5 4 轴5 3 字节p 】。 ( 4 ) e m e r n e 伽p ( e 也e m e th l d u s t r i a lp r o t o c o l ，以太网工业协议) 是目前较为流行的一种工 业以太网协议。该协议由标准以太网的物理层和数据链路层、t c p 口协议以及应用层c d 协 议三部分组成，其中c i p ( c o r l t r o la 1 1 dh l f o r i i l a t i o np r o t o c o l ，控制与信息协议) 是e 吐l e r n e t i p 的 核心组成部分。e t l l e r n e 伽p 采用t c p 口来传送消息数据，用u i ) p 口来传送耽i 数据。为了实 现精确的位置和速度控制，e n l e r n e t i p 采用了基于时间同步的分布式控制方法，该方法使用时 间标记数据包缓解了周期性数据传输要求小于1 微秒，延迟扰动给网络带来的压力。利用这种 方法，无需将c s m a c d 数据链路层协议改为其它专用协议，或者采用特殊的a s i c 芯片，既 符合e e8 0 2 3 的标准，又能为数字式驱动器提供稳定、高效的闭环控制性能【埘。 ( 5 ) e t l l 锄e tp o w e r i j n k 是由奥地利贝加莱( b & r ) 公司开发的工业以太网，贝加莱当初 开发e m 锄ep o 飘枷，i i l k 的思路是在标准以太网的基础上建立一个现场总线系统，来满足控制中 最苛刻的实时要求。e t h 黜tp o w 耐i 1 1 k 建立在快速以太网之上，使用以太网的硬件芯片，传输 速率为1 0 0 m b p s ，使用带r j 4 5 插头的标准双绞线电缆( 超五类电缆) ，网段长度为1 0 0 米， 支持星型和树型结构。由于实时性要求仅允许使用集线器作为连接设备而不允许使用交换机。 为了避免冲突，尽量利用带宽，e t l l e m ep o w e r i i n k 在时间上重新组织了网络中站间信息交换机 制。在c s m a 基础上引入时间槽管理机制s c 厦( s 1 0 tc o n 瑚岫i c a t i o n n e t 、 ，o r km a n a g e 删 避免了总线传输产生的碰撞问题，实现了传输时间的确定。e t l l 涨tp 们嘲1 i i l k 对应8 个轴循环 周期为4 0 0 微秒，3 0 个轴的循环周期约为1 毫秒【1 1 1 。 ( 6 ) e t l l e r c a t 是由德国倍福自动化有限公司e e 地。妇队u t i 呦a a o 僦h ) 研发的开放性实 时以太网络通讯协议。e t l l e 疋a t 从站设备在报文经过其节点时读取相应的编址数据，同样，输 入数据也是在报文经过时插入至报文中。整个过程中，报文只有几纳秒的时间延迟。e 也e 疋a t 极大的提升了网络性能，由于从站硬件集成和主站的直接内存存取，整个协议都是在硬件中完 成的，所以1 0 0 0 个的的更新时间只需3 0 微秒，单个以太网帧最多可进行1 4 8 6 字节的过程数 据交换，耗时仅为3 0 0 微秒。分布时钟技术使轴的同步偏差小于1 微秒【1 2 】。 ( 7 ) e p a m 锄e t 蠡w p l 觚t a u t o 删l t i ) 是我国浙大中控自主开发的实时以太网，e p a 是 一种基于以太网、无线局域网、蓝牙等信息网络的通信技术，通过网络互连设备将主站、从站 和i o 设备进行连接，采用m e e l 5 8 8 精确时间协议进行同步。一个控制周期分为周期时间和非 4 i 南京航空航天大学硕士学位论文 周期时间两部分，在控制周期为5 0 0 微秒时，节点间的时间同步偏差范围为6 6 0 7 4 0 纳秒【3 1 。 随着现代化设备向高速度、高精度方向的迅速发展，运动控制网络将进一步向速度更快、抖 动更小、容错性更好、传输距离更远和可靠性更高的方向发展，以求在网络化控制的情况下仍 能完成复杂的运动规划、高速实时多轴插补、误差补偿和更复杂的运动学、动力学计算【1 3 】。 1 2 以太网用于运动控制的不足及解决方法 以太网用于运动控制系统有许多优点，如通信速率高，从1 0 m ，1 0 0 m 逐渐发展到现在的 l o o o m ，1 0 g ，其速率比现场总线快的多，可以满足高带宽的需求：应用广泛，以太网是目前 应用最为广泛的计算机网络技术，受到广泛的技术支持，几乎所有的编程语言都支持以太网的 应用开发，具有很好的发展前景：由于应用广泛，因此受到硬件开发和生产商的重视与支持， 所以成本也相对低廉；易实现管控一体化，可实现嵌入式控制器，智能现场测控仪表和传感器等 方便的接入以太网络，实现控制网络与信息网络的无缝集成【3 】。 将以太网运用在运动控制系统中虽然有着诸多优点，但由于以太网最初是以商业用途为目 的而设计的，因此存在一些问题： ( 1 ) 实时性：传统以太网采用冲突检测载波监听多路访问( c s m a c d ) 机制来解决通讯介 质层的接入，并采用重发机制进行差错控制【1 4 1 。以太网的这种随机竞争接入机制导致了数据传 输时间的不确定性，当两个或两个以上节点同时向总线上发送数据时就会引起冲突。冲突发生 后，系统会放弃发送该数据，并经过一个随机延时重新发送该数据，直到发送成功或超过重发 次数而放弃。这种重发机制在网络受到干扰时更为严重，因此，以太网是一种非实时的网络， 以太网的这种非实时性用于运动控制系统时会导致系统控制性能下降，控制效果不稳定，甚至 会因出错报警等一些紧急信息不能得到及时响应而导致严重的后果。 网络化运动控制系统中，由于网络带宽是有限的，当多个网络节点共享同一有限带宽网络 时，信息的传输必然存在延迟，由于网络延迟处于控制闭环之中，因此其影响不可忽视。 ( 2 ) 同步性：在多轴运动控制系统中，伺服驱动的电流环、速度环、位置环反馈的采样、 控制量的运算和输出、都在统一的时钟节拍控制下工作。在网络化运动控制系统中，由于各个 节点在物理上的分散性，无法采用统一的全局时钟，各节点依靠本地时钟来进行工作，由于这 些本地时钟的计时速率、运行环境的差异，各节点无法做到精确的同步，必须采取一定的措施 使各节点的时钟保持高度一致。 理论上，可采用带宽足够高且完全同步的的控制网络来解决上述问题。但是网络的通信速 率越高，成本也越高，对电磁干扰也越敏感；完全同步的网络不仅成本高，而且缺乏柔性，只 能在少数要求较高的场合使用。因此，研究有限带宽的异步网络应用于运动控制有重要意义【坫】 为解决上述问题，工业以太网对传统以太网进行了一定的改进以使其适用于运动控制，虽 都有各自的优点，却也都还存在不足之处。如p r o f i m t 、鼬锄e t m 、p o 、e r 嗡】k 几种工业以太 5 面向运动控制的实时同步以太网研究 网，都是采用了集线器交换机的形式来组网，这样网络的通信速度和效率将取决于集线器交 换机，当集线器交换机出现故障时会引起整个网络的瘫痪，所以对集线器交换机性能要求很 高。不采用集线器，交换机形式的工业以太网如s ) ，i l q n e t 、e m e 妃a t 和s e r c o s i i i 都对标准以 太网进行了修改，但其实时性和同步性是由专用网卡来保证的，因此难以与别的厂家的产品兼 容，难以体现以太网的互连性，开放性特点，而且由于不是建立在标准以太网技术基础上，难以 随着以太网技术的发展而发展。 此外，王金江等【16 】提出的基于标准以太网的实时同步网络采用自己开发的以太网m a c 核， 虽然符合标准以太网的规范，但是开发工作量比较大，当以太网速度升级时，需要重新开发 m a c 核。白玉成等【1 7 】提出的用于数控系统的实时以太网，采用令牌调度方式实现网络实时通 信，由于系统存在三级缓存，控制命令需要经过五个周期才能得到反馈数据，难以达到实时控 制的需要，而且数据在以太网交换机中的不确定延时也会影响同步精度。 1 3 本文研究内容 本文以基于以太网的多轴同步运动控制系统为研究对象，针对运动控制网络的特点和标准 以太网的不确定性，提出一种经济可行的基于标准以太网技术的实时同步网络。该实时同步以 太网使用标准以太网硬件，采用特定的网络拓扑结构( 环型或线型) ，各网络节点通过f p g a 硬件测量网络延迟时间并进行相应补偿，通过规划设计通信协议和通信时序实现网络的实时通 信和节点同步。与集线器交换机方式相比，可以降低成本，提高可靠性。 根据课题内容，本文章节安排如下： 第一章主要