同步运动依赖于特殊控制

栏: 贝加莱自动化和以太网电源链路 体验轻微的不同步运动

随着时间的推移，由于更强大的控制器和其他处理器的进步，工业自动化系统中运动轴的数量稳步增长。然而，在许多这样的系统中，运动轴彼此独立地工作，例如在通过串行制造阶段点对点移动部件的分度站中，或者在具有并行运动路径的分布式架构中。

相比之下，更复杂的自动化系统需要各种运动轴的同步。为了满足机器人系统、印刷机、计算机数控(CNC)机器的多轴运动，以及线速度达到152米/分钟(500英尺/分钟)以上的金属成型和飞切系统的高动态给料机，需要更高种类的控制。快速网络协议可用于实现他们的数据传输和控制需求。

同步运动控制在Baldor电气公司占有特殊地位。伺服产品经理John Mazurkiewicz说:“在协调运动中，多个轴必须一起工作来执行一个过程。”“这对于机器人和xy/xyz类型的应用来说是典型的，在这些应用中需要了解其他轴的位置以进行插值或运动学。”

Baldor电气的多轴控制器和Mint软件处理飞行剪切应用程序，其中网材在飞行中被切割到长度。剪切必须循环加速以与移动材料的速度同步，然后减速以进行下一次切割。

Baldor通过其NextMove多轴控制器和以太网Powerlink (EPL)实现同步运动，EPL是一种基于以太网技术的实时运动控制总线。根据Mazurkiewicz的说法，NextMove控制器可以插入多达16个轴，包括同时启动/停止功能。“由于处理能力的限制，目前内插轴的数量限制在16个，”他说。此外，NextMove e100还可以同步伺服轴

Baldor区分了同步和内插，同步是指运动轴从机器参考(通常是带有主编码器的主轴)“计时”，而内插是指两个或多个轴在同时开始和停止的轨迹上同时移动。同步功能包括轴之间的速比(电子传动)，齿轮传动与位置偏移，电子凸轮剖面和飞剪。轴插补可以是线性，圆形或高阶类型。Mazurkiewicz解释说，应用于数控机床、坐标测量系统和机器人。

博世力士乐公司电气驱动和控制部门机床行业分支经理Karl Rapp指出，博世力士乐公司使用数字光纤SERCOS(串行实时通信系统)接口(IEC标准61491)建立多轴同步运动控制系统已有近20年的历史。Rapp说:“sercos的精确同步能力——抖动小于1微秒——已被证明对当今许多应用至关重要。”SERCON816芯片的测量显示实际抖动低至0.035μs，证实了SERCOS在同步运动方面的有用性。最新版本SERCOS III (100 MHz以太网)增加了性能和进一步的I/O系统功能。

坐标，同步，插值

不同的复杂程度适用于这个特殊的运动控制部门。协调用于运动路径不那么关键但速度很重要的地方，比如在以尽可能高的速度绕过障碍物的无抖动混合移动中。(“抖动”是指加速度的导数或位置的三阶导数;最小化震动对运动系统性能和减少磨损非常重要。如果程序逻辑由用户创建，以启动和移动协调轴到指定位置，确定速度和加速度斜坡值从路径矢量，移动将看起来像插值。然而，计算只在每次移动之前发生一次，不像插值(见下文)，Rapp解释说。

同步包括“从”一个或多个轴到一个主轴。这可能涉及到一个“真正的主人”，如金属冲压机飞轮上的编码器，或一个“虚拟主人”，如注册标记或编码器在运动控制器或驱动器中生成。博世力士乐控制产品经理Rami Al-Ashqar指出，例如，电子线轴(ELS)可以将多达32个轴同步到一个主编码器上，并通过电子方式改变各个轴的传动比。

插值-用于精确路径跟踪-被认为是最复杂的积分方法，特别是对于多轴。路径规划器或插值器在移动过程中重复计算运动路径向量(通常以毫秒为间隔)。Al-Ashqar说:“为位置增量导出所有参与轴的加速/减速和速度矢量。”“内插器必须向前看，以确定是否可能超过轴的限制，并主动降低路径速度，以免发生这种情况。”

数控机床内插轴在8轴时响应时间为0.5 ms，在64轴时响应时间为4 ms，这在博世力士乐设定了标准。Rapp说:“使用SERCOS的智能驱动器可以在0.25 ms内关闭位置环路，实现最高精度和零跟随误差(滞后)。

博世力士乐通过SERCOS接口和各种驱动产品，包括其最新的机床控制IndraMotion MTX，在广泛的应用中实现同步和插值运动。更简单的应用，多达8个同步轴，需要IndraMotion MLD-M，通过在驱动器中嵌入运动引擎，为oem和最终用户节省成本。对于较大的系统，IndraMotion MLC控制多达64个运动轴。

Rapp补充说:“精确的运动路径跟踪必须在控制系统设计中实现，而不仅仅是一个编程功能。”“智能驱动器的闭环也必须非常迅速。”

从罗克韦尔自动化的角度来看，协调运动的范围从简单的以同步方式启动或停止多个轴的动作到复杂的运动路径控制，其中所有受影响的轴必须在运动期间内插。根据Logix motion的市场经理Bob Hirschinger的说法，这些任务需要高性能控制器，支持以下一种或多种功能:

• 坐标系定义-允许多轴插补使用的轴分组;

• 多轴插补轨迹——与一个坐标系相关联的两个或多个轴上的直线、圆、椭圆或其他特殊插补;

• 运动学-控制非线性机械系统，如关节/连杆机器人;

• 多轴位置凸轮(PCAM)轨迹规划-通过主从轮廓同步多轴的位置和/或速度和/或扭矩，最高可达五阶三次插值(平滑运动跨越路径段);和

• 同步伺服环关闭-使用模拟或数字网络驱动接口，如SERCOS。

“适用的运动控制器支持高速应用程序执行，先进的轨迹规划功能和强大的功能，如注册控制，动态路径重新计算，相位偏移等，”Hirschinger说。

罗克韦尔自动化提供一系列基于可编程自动化的控制器，支持线性/圆插值、先进的PCAM功能和各种运动变换。一个控制器最多可处理32个轴;额外的同步轴被容纳在多个控制器之间。其他值得注意的特性包括PCAM配置文件编辑(由图形编辑器或表格数据输入支持)和基于图形的配置支持的各种运动学转换。此外，40个运动指令可在阶梯，结构化文本(ST)和顺序功能图(SFC)格式。

Hirschinger解释说，SERCOS接口将驱动器连接到运动控制器，运动控制器管理所有轨迹路径计算，提供轴的同步，并将命令位置/速度信息发送到伺服回路关闭的连接驱动器。

倍福自动化也将同步运动视为一个特殊的控制领域。“运动轨迹必须基于相对运动来计算，这比控制多个独立轴需要更多的数据处理，”高级工程师Robert Trask, P.E.说，“为了简化问题，同步运动通常是通过主从关系来管理的——多个从轴相对于一个主轴移动。”

及时的数据交换

凭借当今PC平台上前所未有的计算带宽，倍福的控制理念专注于通过一台集中式工业PC关闭位置回路的能力-使用实时自动化软件和与应用程序的确定性双向通信。“诀窍在于能够控制操作系统(OS)，而不是相反，并以快速、循环的方式获取数据，”Trask说。倍福使用各种微软操作系统，并开发了自己的实时内核来管理特定于控制的任务。“在操作系统下运行的方法使控制独立于操作系统进程，”他说。

倍福自动化依靠其EtherCAT产品，它被称为一种快速发展的技术，适用于运动应用的高速、确定性工业以太网，也适用于运动数据循环交换的SERCOS接口。这些系统允许在中央工业PC上闭合位置回路，使同步运动更容易管理。“坐标轴之间的数据交换对于同步来说是绝对必要的，不会因为多个控制器或历来困扰同步运动的‘致命延迟’而导致握手信息的复杂性，”Trask说。

“EtherCAT使用一种优雅的方法在标准以太网物理层上传输数据，允许在亚微秒范围内实现数据的极端同步，”他继续说道。“这对其他工业协议来说是困难的，对传统的TCP/IP来说是不可能的。”由于EtherCAT是ieee注册的以太网类型帧，因此它使用标准的硬件和布线，不需要专门的网络管理工具。因此，它也是具有成本效益的。EtherCAT技术集团是一个拥有500多名成员的开放贸易组织，支持该协议。各种各样的供应商提供EtherCAT产品。

对于协调运动，倍福使用基于IEC 61131-3的TwinCAT控制包和软件。根据Trask的说法，在PC上运行的TwinCAT可以控制40到50个坐标轴。

调优,故障排除

Danaher Motion的系统工程师Lee Stephens提到，龙门控制是另一个需要协调运动的应用。通常，为了保证系统精度和可重复性，龙门的每一边(轴)必须同步移动。他说:“误差的数量没有相对相等和相同极性的误差那么重要。”否则，龙门架在试图移动时会产生不稳定的振荡——类似于一个人“爬梯子”。除了不准确之外，由此产生的振动还会导致轴承损坏或其他系统故障。

Stephens认为调谐和故障排除工具对于分析谐振、调整系统和研究稳定性至关重要，而不需要每次更改增益值来提高系统性能。他说:“一个好的示波器功能现在在运动控制器中是必不可少的，特别是在协调控制中。”

Danaher Motion通过SynqNet实时数字网络实现同步运动。斯蒂芬斯指出，轴由一个运动监控器控制，因此命令从同一来源生成。“SynqNet的专利锁相环技术负责在不同时钟上运行的轴之间同步数据流，”他补充说。对于需要大量运动轴和I/O点的更复杂的机器应用，丹纳赫的SynqNet控制器，如XMP, eXMP(带嵌入式CPU)和ZMP，可控制多达32个轴。

防止由于电缆退化、电气噪声或连接不良而丢失数据或控制信号对于最小化协调轴之间的误差至关重要。Stephens建议记录数据错误(循环冗余检查)，这允许分析和查找可能具有损坏数据流的轴。

西门子能源与自动化将同步多个控制器的能力与机器制造商连续生产机器的愿望联系起来，但仍然可以根据特定用户的需求进行定制。Simotion产品经理Zuri Evans解释说，为了实现这一目标，制造商将自主模块拼凑成一个完整的机器，然后像只用一个控制器一样轻松地同步系统。西门子的Simotion，作为运动应用的完整机器控制器，帮助实现了这一目标。

“一旦控制器同步，Simotion允许机器制造商使用相同的命令(例如，齿轮或凸轮)将轴从一个控制器齿轮到任何其他控制器的任何轴，”埃文斯说。如果操作得当，这种模块化机器概念可以节省高达80%的工程时间。”

西门子最近实施了一种印刷后加工机器，其中八个基于Simotion驱动的控制器在总共109个协调轴上同步。“然而，精度和轴数一样重要，”埃文斯补充道。例如，在印刷机上，印刷过程中任何同步的变化都会产生模糊的图像。据报道，在不到1微秒的抖动下，Simotion实现了所需的绝对同步。

更多的斧头即将到来

Baldor的Mazurkiewicz说:“基于实时以太网的协议，如以太网Powerlink，正在开放通常可以由单个机器控制器控制的轴的数量。”“Powerlink可以轻松处理同步、插补或协调。”简化了坐标轴的监测位置;简化轴同步(因为主编码器参考可以通过网络发送，而不是从主编码器离散地连接到每个驱动器);Mazurkiewicz解释说，由于网络的实时性，这有助于插值。

博世力士乐- SERCOS接口的长期倡导者，在CNC领域和其他市场作为复杂运动配置文件的执行工具-看到最新版本的SERCOS

西门子提到，Simotion系统将很快把在一台机器上同步多个控制器的概念扩展到在多台机器上同步控制器，但没有具体说明具体日期。与传统解决方案相比，西门子能够通过Profibus或Profinet同步来自不同oem和第三方控制器的机器，从而节省大量时间和成本。

罗克韦尔自动化公司的Hirschinger表示，轨迹规划技术的持续改进可能会简化同步运动控制。他认为，更强大的处理器将加速复杂轨迹规划和伺服回路算法的执行，而先进的软件工具将简化轨迹轮廓定义的开发和验证。Hirschinger列出的其他近期发展还包括在驱动器中实现先进的伺服环算法，以改善电机轴控制和先进的运动网络技术，提高同步分布式驱动器的能力，例如，基于IEEE标准1588的以太网定时服务。

这些和其他的发展可以为工程师提供额外的工具，以更好地协调，同步，或插值运动轴在他们的自动化系统。

作者信息

Frank J. Bartos，体育运动员控制工程咨询编辑器。你可以在braunbart@sbcglobal.net

贝加莱自动化和以太网电源链路

贝加莱工业自动化公司是另一个著名的以太网Powerlink (EPL)技术倡导者。实际上，母公司——奥地利Eggelsberg的bernecker + Rainer Industrie-Elektronik公司——是Powerlink的最初开发者，并于2001年底推出了Powerlink。EPL是一种工业网络协议，通过标准以太网提供确定的实时数据交换。

成立26年来，贝加莱在“完美自动化”的旗帜下成长为国际知名企业。今天，该公司生产广泛的自动化产品，为同样广泛的行业的oem提供服务。产品范围从其高动态Acopos伺服驱动器，功能强大的工业pc和电源面板操作员接口集成控制器和可视化功能，紧凑的I/O模块(X20和X67)和自动化工作室-一个可扩展的编程和配置工具，适用于从简单到复杂的机器和过程。

贝加莱在其自动化和运动控制系统中广泛应用了EPL网络协议，以实现多轴同步和插补的苛刻要求。EPL声称循环时间低至100微秒(

为了更好地推广EPL在实时网络方面的优势，贝加莱将该协议的权利转让给了以太网Powerlink标准化组织(EPSG)，这是一个成立于2003年中期的独立协会。现在EPSG声称拥有大约200名机器制造商和400名用户和供应商组织成员。EPSG目前的努力包括将Powerlink应用扩展到驱动器和运动控制之外。

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体验轻微的不同步运动

应用需求最终决定了自动化系统的运动轴是否必须彼此同步或协调。尽管如此，我们周围仍然可以找到一个不同步运动的奇怪例子——自动扶梯和自动人行道。

虽然广泛的安全标准和法规涵盖了这类设备，但它们没有解决人行道和扶手运动的同步问题。这种情况是无害的，可能只对我们这些对技术细节有嗜好的人感兴趣。

所有的自动扶梯和自动人行道都表现出这种不同步;这种情况在较长的单元中更为明显，因为极长的运行会加剧这种情况。为了体验它，当你找到一个一定长度的自动人行道(或人的移动)时，试着这样做。在人行道上靠右站立，以促进通行礼仪，并将右手放在扶手上。保持你的手和脚在适当的地方;你很快就会感觉到扶手把你从原来的站立位置向前或向后拉。这种领先或滞后状态随着距离的增加而逐渐加重。

让我强调一下，没有任何安全隐患，因为一旦“伸展”运动变得不舒服，人们只需松开扶手(或移动脚)。尽管如此，人们还是可以设想这将成为理论上的“折磨者的工具”。

自动扶梯/自动扶梯的扶手和人行道的运动可以同步，但修复的成本效益将不吸引人。

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