圖1.多軸機床的網絡拓撲結構。

 

控製周期

 

這些應用按定義的周期時間運行
，這個時間一般等於

，或者是底層伺服電機驅動器的基波控製/脈寬調製(PWM)開關周期的幾倍。在圖2所示的這種環境中，端到端網絡傳輸延遲是一個重要參數。在每個周期內
，電機控製器必須將新位置基準和其他相關信息傳輸給圖1中的各個節點。然後，PWM周zhou期qi內nei需xu要yao餘yu留liu足zu夠gou的de時shi間jian，以yi供gong每mei個ge節jie點dian使shi用yong新xin位wei置zhi基ji準zhun和he任ren何he新xin傳chuan感gan器qi數shu據ju來lai更geng新xin伺si服fu控kong製zhi算suan法fa計ji算suan。然ran後hou，各ge個ge節jie點dian通tong過guo依yi賴lai於yu工gong業ye以yi太tai網wang協xie議yi的de分fen布bu式shi時shi鍾zhong機ji製zhi，在zai同tong一yi時shi間jian點dian將jiang更geng新xin後hou的dePWM矢量應用於伺服驅動器。根據具體的控製架構
，部分控製回路算法可以在PLC中實現，如果在網絡上接收到任何相關傳感器信息更新後，需要足夠的時間才能實現。

 

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床控製器和伺服節點之間的周期性數據流，網絡延遲(TNW)由網絡跳轉到最遠節點的次數、網(wang)絡(luo)數(shu)據(ju)速(su)率(lv)和(he)每(mei)個(ge)節(jie)點(dian)遭(zao)受(shou)的(de)延(yan)遲(chi)決(jue)定(ding)。在(zai)使(shi)用(yong)機(ji)器(qi)人(ren)和(he)機(ji)床(chuang)時(shi)，線(xian)路(lu)導(dao)致(zhi)的(de)信(xin)號(hao)傳(chuan)輸(shu)延(yan)遲(chi)可(ke)以(yi)忽(hu)略(lve)
，這(zhe)是(shi)因(yin)為(wei)線(xian)纜(lan)長(chang)度(du)一(yi)般(ban)相(xiang)對(dui)較(jiao)短(duan)。主(zhu)要(yao)的(de)延(yan)遲(chi)為(wei)帶(dai)寬(kuan)延(yan)遲(chi)

；即將數據傳輸到線路所需的時間。對於最小的以太網幀（一般適用於機床和機器人控製）
，有關100 Mbps和1 Gbps位速率的帶寬延遲

，請參考圖3。這就等於數據包尺寸/數據速率。對於多軸係統，從控製器到伺服器的典型數據有效載荷由各伺服器的4字節速度/位置基準更新和1字節控製器更新組成，也就是說
，6軸機器人的有效載荷為30個字節。當然，有些應用的更新中包含更多信息

，並且/或有更多軸
，在這些情況下
，數據包的尺寸要大於最小尺寸。

 

圖3.最小長度以太網幀的帶寬延遲。

 

除了帶寬延遲外，其他延遲元素是由於以太網幀通過每個伺服網絡接口的PHY和雙端口開關產生的。這些延遲如圖4和圖5所示
，其中顯示幀移動的部分是穿過PHY進入MAC(1-2)，通過目標地址分析時，隻需要對幀的前導和目標部分進行計時管控。路徑2-3a表示對當前節點有效載荷數據的截取
，路徑2-3b則表示幀向目標節點行進的路程。圖4a隻顯示傳輸給2-3a中的應用的有效載荷
，圖4b則顯示被傳輸的幀的大部分
；這表明以太網協議之間可能存在細微的差異。路徑3b-4表示幀出站傳輸，通過傳輸隊列、通過PHY，ranhouhuidaoxianlan。tuzhongsuoshidexianluzhongduanjiedianzhongbucunzaizhezhonglujing。zhelijiashecaiyongzhitongshujubaojiaohuan
，erbushicunchuzhuanfa，houzhedeyanchishijiangengchang，yinweizhenggezhendouyaojirukaiguan，ranhouzaibeizhuanfa。

 

圖4.幀延遲：(a)雙端口模式幀延遲和(b)線路終端節點。

 

圖5按時間線顯示幀的延時元素，其中描述了幀穿過一個軸節點的全部傳輸時間。TBW表示帶寬延遲，TL_1node 表示幀通過單個節點的延遲。除了與位通過線路進行物理傳輸
，以及計入地址位用於實施目標地址分析相關的延遲外，PHY和he開kai關guan組zu件jian延yan遲chi是shi其qi他ta會hui影ying響xiang係xi統tong內nei的de傳chuan輸shu延yan遲chi的de因yin素su。隨sui著zhe線xian路lu上shang的de位wei速su率lv增zeng加jia，節jie點dian數shu量liang增zeng多duo，這zhe些xie延yan遲chi對dui整zheng個ge端duan到dao端duan幀zhen傳chuan輸shu延yan遲chi的de影ying響xiang會hui更geng大da。

 

圖5.幀傳輸時間線。

 

低延遲解決方案

 

ADI公司最近推出了兩款新工業以太網PHY，專用於在更廣泛的環境溫度範圍（最高105°C）內，在嚴苛的工業條件下可靠運行
，具備出色的功率和延遲規格。ADIN1300 和ADIN1200 專用於解決本文中提到的挑戰，成為工業應用的理想選擇。有了fido5000 實時以太網、多協議嵌入式雙端口開關後，ADI公司開發出了適用於確定性時間敏感型應用的解決方案。

 

表1列出了PHY和開關導致的延遲，前提是假設接收緩衝器分析是以目標地址為基礎，且假設采用100 Mbps網絡。

 

表1.PHY和開關延遲

 

舉例來說，將這些延遲計入多達7個軸的線路網絡，並將總有效載荷計入最終節點（圖4中為3a），總傳輸延遲變成

 

 

其中58 × 80 ns表示前導和目標地址字節被讀取後，餘下的58字節有效載荷。

 

這zhe項xiang計ji算suan假jia設she網wang絡luo中zhong沒mei有you其qi他ta流liu量liang，或huo者zhe網wang絡luo能neng夠gou優you先xian訪fang問wen時shi間jian敏min感gan型xing流liu量liang。它ta在zai某mou種zhong程cheng度du上shang依yi賴lai協xie議yi
，根gen據ju具ju體ti使shi用yong的de工gong業ye以yi太tai網wang協xie議yi，計ji算suan得de出chu的de值zhi會hui存cun在zai微wei小xiao差cha異yi。回hui顧gu圖tu2，將機械係統的周期時間降低至50 µs至100 µs時，將幀傳輸到最遠的節點可能占用整個周期的近50%
，導dao致zhi留liu給gei下xia一yi周zhou期qi更geng新xin電dian機ji控kong製zhi和he移yi動dong控kong製zhi算suan法fa計ji算suan的de時shi間jian減jian少shao。最zui大da程cheng度du縮suo短duan這zhe段duan傳chuan輸shu時shi間jian對dui於yu優you化hua性xing能neng而er言yan非fei常chang重zhong要yao，因yin為wei它ta允yun許xu實shi施shi更geng長chang、更複雜的控製計算。鑒於與線路數據相關的延遲是固定的，且與位速率相關，使用低延遲組件（例如ADIN1200 PHY和fido5000嵌入式開關）將是優化性能的關鍵，尤其是在節點數量增加（例如
，12軸CNC機床），周期時間縮短時。轉而使用千兆以太網可以大幅降低帶寬延遲造成的影響，但是會增加開關和PHY組件導致的總體延遲的比例。例如
，采用千兆網絡的12軸CNC機床的網絡傳輸延遲約為7.5 µs。在這種情況下，帶寬元素可以忽略不計，使用最小或最大以太網幀尺寸不會造成任何差別。網絡延遲大致可以由PHY和開關均分，隨著工業係統轉而采用千兆網速、控製周期時間縮短(EtherCAT® 顯示的周期時間為12.5 µs）
、因為在控製網絡中增加以太網連接的傳感器而導致節點數增加，以及網絡拓撲不斷趨於扁平
，凸顯了最小化這些元素的延遲的價值。

 

結論

 

在zai高gao性xing能neng多duo軸zhou同tong步bu移yi動dong應ying用yong中zhong，控kong製zhi時shi序xu要yao求qiu非fei常chang精jing準zhun，具ju有you確que定ding性xing和he時shi間jian關guan鍵jian性xing，要yao求qiu最zui大da程cheng度du縮suo短duan端duan到dao端duan延yan遲chi
，在zai控kong製zhi周zhou期qi時shi間jian縮suo短duan，控kong製zhi算suan法fa的de複fu雜za性xing增zeng加jia時shi尤you其qi如ru此ci。低di延yan遲chiPHY和嵌入式直通開關是優化這些係統的重要組件。為解決本文所述挑戰
，ADI公司近期推出了兩款新的穩健型工業以太網PHY
，即ADIN1300 (10 Gb/100 Gb/1000 Gb)和ADIN1200 (10 Gb/100 Gb)。

 

 

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