基于SERCOS—III網絡系統高精度同步機制的研究

摘 要：SERCOS-III是SERCOS協議的最新版本，SERCOS-III融合了實時以太網技術，成為CNC系統發展的新方向。運用IEEE1588來解決環路時間的傳播和同步，同步過程中同步時間和偏移值的測量與計算，并加入了晶振補償和濾波算法來達到更精確的同步要求，實現SERCOS-III網絡系統的高精度同步機制。

關鍵詞：SERCOS-III；IEEE1588；同步機制；伺服控制

中圖分類號：TP393.04 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2015）02-00-03

0 引 言

作為用于傳動系統和伺服裝置之間的現場總線接口和數據交換的協議，SERCOS能夠實現控制器與PLC、傳感器、數字伺服系統之間的實時數據通訊[1，2]。本文運用IEEE1588來解決SERCOS-III通信系統同步問題，并且研究了系統同步過程中同步時間和偏移值的測量與計算，通過晶振補償和濾波算法對相關算法加以改進，從而來達到更精確的同步要求，實現SERCOS-III網絡系統的高精度同步機制。

1 SERCOS-III 高速同步機制的設計與實現

IEEE1588的同步過程分為時鐘偏移測量階段和網絡延時測量階段兩個階段。由于數據報文的傳遞延時等網絡延時原因的影響，一次傳送同步報文計算的時鐘偏移并不準確，還需要通過網絡延時的計算來實現對偏移值進行修正[3-5]。

1.1 偏移值（Offset）的測量與計算

圖1 同步報文和跟隨報文傳送圖

主時鐘每隔2秒發出一個確定的同步信息，該信息包含了精確描述數據包發出的時間的時間標記。如圖2所示，假設同步之前主時鐘的時間為Tm，而從時鐘的時間為Ts。主站發出同步報文的時間為Tm1，從站收到報文的時間為Ts1。可以計算出從站時鐘與主站時鐘之間的偏移值（offset）：

Offset=Ts1-Tm1-Delay （1）

上式中的Delay指的是主站時鐘和從站時鐘之間的延時，其可以通過以下的方式測出。

1.2 時鐘延時（Delay）的測量與計算

（2）

Tmk、Tmk+1為主站時鐘在第k次和第k+1次記錄的時間戳，Tsk、Tsk+1為從站時鐘在第k次和第k+1次記錄的時間戳，該方法通過求信號從主從時鐘往返一圈所用的時間平均值來計算得出，但是如果網絡不對稱則會對同步的精確性產生影響。因而可得：

Ts=Tm+Offset+Delay （3）

Ts為從時鐘測到的時間，Tm為主時鐘測到的時間。假設網絡對稱時，可以準確地計算出系統的延時，從而實現主站時鐘和從站時鐘的同步。

2 高速同步機制的算法改進

精確時鐘同步協議（PTP）時鐘同步要求非常高的進度，但是由于軟硬件等方面的原因[6-8]，會直接影響到SERCOS-III的同步的精度，影響系統同步進度的因素主要包括：晶振速率的穩定性、時間戳的精度、同步報文的發送頻率以及廣義線路延時的穩定性等[9，10]，根據影響SERCOS-III網絡通信系統的同步的原因，本文提出以下幾種同步進度改進方法。

2.1 晶振偏差的補償

假設主站的本地時鐘速度為Rm，從站本地時鐘速度為Rs，同步間隔時間為T，可以求出同步間隔中的最大偏差值為：

（4）

在基于SERCOS-III高精度同步系統中，同步時間間隔為2 s，晶振精度為100 ppm，在SERCOS-III通信系統運行過程中任意兩個點產生的最大偏差為：

（5）

因此，為了使Rm=Rs，從而使ΔTmax =0。在運行過程中，每個點都記錄本地時鐘的運行時間，并且通過與主時鐘的運行時間的比較來調整時鐘的計數值，使從站時鐘和主時鐘的保持相同的運行速度。調整公式如下：

（6）

Rs為調整后的從站時鐘速率， RsΔ為調整前的從時鐘速率，分母和分子分別表示了從時鐘和主時鐘在n個調整周期內的運行時間。

2.2 Offset的濾波算法

針對系統中因為線路變化以及內部時延的不同產生的偏差，本文在計算偏移值時候，加入離散濾波算法。離散濾波算法公示如式（7）所示，在濾波時候，取e-aT=1/2，e-bT=1/3，推導出式（9）。

式（9）中Offset（k）表示第k次同步時通過式（2）求出的偏差，使用濾波算法后的第k次同步偏差用YOffset（k）來表示。

2.3 時鐘的自補償算法

在SERCOS-III系統中，時鐘通常用晶體振蕩器脈沖來度量，即：

（10）

其中ω（t）是晶振的頻率，k是依賴于晶振物理特性的常量，t是時間的變量，c（t0）是從時鐘。

在理想時鐘的情況下，晶振頻率恒k（t）=dc（t）/dt為1，但是，由于溫度、壓力和晶振本身老化等原因，晶振頻率是會在一定范圍內產生變化的。因此式（10）可簡化為：

ci（t）=ki（t）+ci（t0） （11）

因為使用的外部晶振的實際頻率和標稱頻率會有大約±（10～100）ppm的偏差，故晶振頻率ki（t）也會存在±（10～100）×10-6的偏差。如果同步精度要求不是很高時這個偏差是可以不考慮的，但精確時鐘同步協議的同步精度要求為10-6秒級，甚至10-9秒級，所以這個偏差就不能忽略了，必須想辦法消除，因此本文通過以下從時鐘自補償算法來消除上述偏差。

2.3.1 時鐘偏差的計算

精確時鐘同步協議所指的時鐘同步是指主從時鐘之間的相對同步，將主時鐘作為參考時鐘，如果從時鐘與其保持一致就可以認為該系統時鐘是同步的。如圖2所示，cM（t）代表主時鐘時鐘，cs（t）代表實際從時鐘，cs_ideal（t）代表理想的從時鐘。在理想情況下，從時鐘和主時鐘只是存在起始時刻的相對時移cΔ，不會有偏差。但是，實際上實際晶振頻率不會完全相同，因此，從時鐘與理想的軌跡cs_ideal（t）會有偏差，Δ表示經過t時間后從時鐘與主時鐘的相對偏移量。如果Δ>0，則表示從時鐘實際晶振頻率要比主時鐘晶振頻率快。

圖2 時鐘偏差的計算圖

由式（11）可得如下關系式：

從時鐘：cs（t）=ks（t）*t+cs（t0） （12）

主時鐘：cM（t）=kM（t）*t+cM（t0） （13）

由式（12）和（13）可得：

Δ=cs（t）-cM（t）

=（ks（t）*t+cs（t0））-（kM（t）*t+cM（t0） ）+cM（t0） （14）

=（ks（t）-kM（t）*t）+（cs（t0） -cM（t0） ）

=kΔ（t）*t+cΔ

2.3.2 從時鐘自補償算法原理的實現

精確時鐘同步協議的同步是一種相對同步，其根本在于認為主時鐘的時鐘頻率是準確的，所有的精確時鐘同步協議同步偏差都是因為從時鐘引起的，并且由從時鐘來負責進行補償。時鐘是通過計數器來實現的，這個計數器通過記錄晶振產生脈沖的個數來實現計數功能。假設精確時鐘同步協議主時鐘發送同步報文的周期為Tsync，從時鐘實際晶振頻率為Fslave，實際時鐘周期為Tslave，可以得出同步周期的計數器的值為：

Nsync=Tsync / Tslave （15）

因為主時鐘和同步時鐘之間存在相對偏移量Δ，也就是說主時鐘計數器和從時鐘計數器的計數值之間會相差N。

N=floor（Δ/ Tslave ） （16）

因為頻率補償計數器N'與N絕對值相等，但符號相反。

N'=-N （17）

式（16）通過取整函數floor（） 對參量進行取整運算。并通過補償從時鐘在每個同步周期的N個計數器偏移量來實現從時鐘與主時鐘之間的同步。

通常使用的外部晶振頻率都不會很高，一般為幾MHz到幾十MHz之間，為了進一步提高補償精度，在CPU處理器中引入PLL（鎖相環）對Fslave進行Npll倍頻。

N'=floor（-N*Npll） （18）

通過倍頻的方法可以得到一個高頻率時鐘來實現時鐘偏差的精確補償，從而解決由于補償時鐘精度所限而導致時鐘偏差不能完全補償的問題，如圖3所示。

圖3 頻率補償原理

3 結 語

本文運用IEEE1588來實現基于SERCOS-III的網絡系統高精度同步機制，并加入了晶振補償和濾波算法來達到更精確的同步要求。基于以太網的SERCOS-III技術為開放式數控系統的提供了一種新思維，對于我國高檔開放式數控系統的開發具有很大的促進作用。

參考文獻

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