EtherCAT分布時鐘機制在工業機器人控制系統中的應用

鮑寧

【摘 要】以EtherCAT分布時鐘的優良性能為基礎，設計了基于EtherCAT總線的六自由度關節型機器人控制系統。首先研究了EtherCAT工業以太網的工作原理，接著分析了EtherCAT總線的分布時鐘技術和前饋控制技術，最后搭建了機器人控制系統。通過理論聯系實際表明EtherCAT分布時鐘技術運用在工業機器人方面對提高其性能發揮了支撐作用，同時使得前饋控制運用于機器人控制系統成為現實可能，更加有利于提高工業機器人的軌跡精度及綜合性能。

【關鍵詞】EtherCAT;分布時鐘;前饋控制;工業機器人

中圖分類號： TP242文獻標識碼： A 文章編號： 2095-2457（2019）27-0033-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.27.015

【Abstract】Based on the excellent performance of EtherCAT distributed clock ， a six-degree-of-freedom joint robot control system based on EtherCAT is designed. Firstly， the working principle of EtherCAT industrial Ethernet is studied， then the distributed clock technology and feedforward control technology of EtherCAT bus are analyzed， and finally the robot control system is built. Through combining theory with practice， it is shown that the application of EtherCAT distributed clock technology in industrial robot plays a supporting role in improving its performance， and at the same time， it is possible to apply feedforward control to robot control system. It is beneficial to improve the trajectory accuracy and comprehensive performance of industrial robot.

【Key words】EtherCAT; Distributed clock; Feedforward control; Industrial robot

0 引言

隨著我國制造業進步步伐的加快，工業機器人正在逐步起著解放勞動力、推動生產力的作用。其中，六自由度關節型機器人正受到越來越多工業廠家的青睞，這就對工業機器人控制系統的功能、靈活性、安全性等性能要求進一步提高。本文設計研究的工業機器人控制系統采用EtherCAT總線通信方式。EtherCAT（Ethernet for Control Automation Technology）是由德國倍福公司提出的一種具有實時性的工業以太網技術，該技術打破了傳統工業以太網 CSMA/CD（采用帶有沖突檢測的載波偵聽多路訪問機制）介質控制、訪問 MAC 方式的限制，拓展了IEEE802.3以太網規范，具有強實時性、數據傳輸速率高、拓撲結構靈活、抗干擾性強的特點。其分布時鐘機制保證了EtherCAT總線的實時性及同步性，在提高工業機器人控制系統性能方面發揮了關鍵作用。

1 EtherCAT工業以太網工作原理

EtherCAT工業以太網總線采用了Interbus的“集總幀”思想，不必再接收以太網進行譯碼，省略了譯碼環節，其相應的數據處理完全是在從站ESC中實現的。EtherCAT使用標準以太網幀，采取了主從站設計，主站可選用標準以太網卡或工控機等控制系統，從站采用專門的硬件實現。在網絡幀傳輸過程中，主站發送報文，此條報文包含了不同設備不同網段中的所有的過程數據，這條以太網幀尋遍所有從站，每個從站讀取報文幀中各自所需要的報文數據，同時插入需要輸出的數據，然后傳送到下一從站。報文經過最后一個從站后依次逆序返回主站，整個報文傳輸過程形成了一個閉環系統。報文信息均由ESC硬件處理，每個ESC都含有分布式時鐘，可對延時進行補償，使得設備間的同步誤差保持在納秒級，具有很好的實時性，總線傳送速度可接近甚至超過100MB/S。

2 EtherCAT工業以太網分布時鐘技術

分布時鐘即指將網絡中的多個實時時鐘分布于不同的硬件。為了實現各個設備的同步，達到設備節點間的實時性和同步性，EtherCAT工業以太網協議采用分布時鐘技術（DC，Distribute Clock）。該同步性能能夠在很大程度上減小設備的抖動延時，具有很好的抖動容錯性。EtherCAT分布時鐘其同步采用IEEE1588標準，同步精度可達100ns以內，足以滿足工業機器人控制系統性能要求。

在EtherCAT系統中，每一個從站都有一個本地時鐘tlocal（n），在所有從站中，第一個連接主站的具有分布時鐘功能的從站作為參考從站，其本地時鐘為參考時鐘tsys_ref，為實現時鐘同步技術，需要進行時鐘偏移補償、傳輸延遲補償以及時鐘漂移補償。

傳輸延遲補償（tdelay）是由于報文幀在傳輸過程當中網線材料或者帶寬的傳輸延遲所造成的，其所計算的是從站離開節點和返回報文幀之間的時間的差值。

時鐘偏移補償（toffset）為從站的本地時鐘和參考時鐘的差值，其公式（1）如下，此過程僅僅在系統上電階段發生一次，用來快速補償初始時鐘偏差，并且將這個差值寫到系統時間差值寄存器當中。

toffset=tlocal-tsys_ref（1）

時鐘的偏移補償和傳輸延遲補償在初始狀態完成。

漂移補償是一個持續的過程，為本地系統時間副本和參考時間是差值。系統時間向每個從站拷貝一個副本tlocal_copy_time，所有從站通過接收主站的ARMW或FRMW指令進行靜態漂移補償，通過（2）式可求得漂移補償。

當Δt小于0時，說明參考時間比本地時間慢，減緩計數，減慢本地時間;當Δt大于0時，說明參考時間比本地時間快，需要加速運行，通過這種方式實現時鐘漂移補償。

3 工業機器人前饋控制技術

EtherCAT分布時鐘技術的高同步性、強實時性、低傳輸延時性使得前饋控制技術運用于工業機器人控制系統成為可能。傳統的工業機器人控制系統采用基于PID的速度環、位置環、電流環的三閉環控制，工業機器人前饋控制是指在其基礎上增加基于力矩的前饋控制系統部分。如圖所示，首先控制系統根據給定笛卡爾坐標系的逆運動學計算出工業機器人的關節空間運動軌跡，然后通過三閉環控制將其輸入到驅動器中，同時控制系統將運動軌跡在動力學模型中進行計算并計算出關節力矩并且將其轉換為前饋電流，在電流環的輸入端將計算出的前饋電流進行疊加，在就完成了工業機器人的前饋控制。

通過在EtherCAT總線上的高速傳輸，前饋控制技術可進一步的提高工業機器人的末端位置精度，加快各個關節節點的響應，提高工業機器人的軌跡精度。

4 DC同步機制在工業機器人控制系統中的實現

本文所設計的工業機器人控制系統采用兩層分布式控制系統結構，上層為運動控制層，運動控制層以基于EtherCAT總線的工業機器人控制系統為平臺，構成控制系統主站，配以示教器功能，主要完成HMI人機接口、數據采集、軌跡規劃、故障性診斷等功能。下層為運動執行層，采用六組松下公司推出的具有EtherCAT功能的伺服電機為主要部件，該部分模塊為控制系統從站，用于完成六自由度機器人六個關節的電機驅動，驅動工業機器人進行運動并完成控制器指令動作。兩層都具有標準以太網接口，采用EtherCAT總線進行通訊連接，組成線性網絡結構。

為保證主站控制系統和伺服驅動器從站的同步性，在電氣部分首先需要保證EtherCAT機器人控制系統和六個伺服驅動器同時上電，避免因為非同步上電而造成的通訊部分失同步故障。同時為保證同步的穩定性還需要加裝濾波器元件。同步上電完成后，驅動器通過初始化時鐘完成系統時間的功能同步，在這個階段完成時鐘偏差、傳輸延遲和時鐘漂移補償，同步系統時間后所有的伺服控制系統都將和參考時鐘保持同步。伺服電機驅動的同步開始于網絡同步參數（SYNC0）事件。

通過EtherCAT工業以太網分布時鐘機制，可以使整個控制系統具有相同的系統時間，實現系統時間的同步，從而主站運動規劃層可完成信息處理、I/O數據采集處理、軌跡規劃等功能，可控制從站（下轉第36頁）（上接第34頁）伺服電機驅動模塊完成同步任務執行，并且實現位置精細插補、軌跡追蹤補償等功能。將前饋控制加入到控制系統中可加強整個控制系統的綜合性能，可進一步趨近于理想運動軌跡，減少位置偏差，提高運動精度（見圖2）。

5 結束語

在工業機器人控制系統中，分布式控制系統的多軸同步性能對六自由度機器人軌跡規劃的精度有很大的積極影響。將EtherCAT的分布時鐘系統運用于六自由度關節型機器人可以實現主從站的時鐘精確同步，并且可加入前饋控制技術，對提升機器人軌跡精度具有重大意義。本文研究了EtherCAT總線及其分布時鐘和前饋控制技術并實現了基于EtherCAT總線的工業機器人控制系統，后續試驗表明其運行軌跡流暢，同步性能良好。

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