鮑寧

【摘 要】以EtherCAT分布時(shí)鐘的優(yōu)良性能為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)了基于EtherCAT總線的六自由度關(guān)節(jié)型機(jī)器人控制系統(tǒng)。首先研究了EtherCAT工業(yè)以太網(wǎng)的工作原理，接著分析了EtherCAT總線的分布時(shí)鐘技術(shù)和前饋控制技術(shù)，最后搭建了機(jī)器人控制系統(tǒng)。通過(guò)理論聯(lián)系實(shí)際表明EtherCAT分布時(shí)鐘技術(shù)運(yùn)用在工業(yè)機(jī)器人方面對(duì)提高其性能發(fā)揮了支撐作用，同時(shí)使得前饋控制運(yùn)用于機(jī)器人控制系統(tǒng)成為現(xiàn)實(shí)可能，更加有利于提高工業(yè)機(jī)器人的軌跡精度及綜合性能。

【關(guān)鍵詞】EtherCAT;分布時(shí)鐘;前饋控制;工業(yè)機(jī)器人

中圖分類號(hào)： TP242文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 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(guó)制造業(yè)進(jìn)步步伐的加快，工業(yè)機(jī)器人正在逐步起著解放勞動(dòng)力、推動(dòng)生產(chǎn)力的作用。其中，六自由度關(guān)節(jié)型機(jī)器人正受到越來(lái)越多工業(yè)廠家的青睞，這就對(duì)工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)的功能、靈活性、安全性等性能要求進(jìn)一步提高。本文設(shè)計(jì)研究的工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)采用EtherCAT總線通信方式。EtherCAT（Ethernet for Control Automation Technology）是由德國(guó)倍福公司提出的一種具有實(shí)時(shí)性的工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)，該技術(shù)打破了傳統(tǒng)工業(yè)以太網(wǎng) CSMA/CD（采用帶有沖突檢測(cè)的載波偵聽(tīng)多路訪問(wèn)機(jī)制）介質(zhì)控制、訪問(wèn) MAC 方式的限制，拓展了IEEE802.3以太網(wǎng)規(guī)范，具有強(qiáng)實(shí)時(shí)性、數(shù)據(jù)傳輸速率高、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)靈活、抗干擾性強(qiáng)的特點(diǎn)。其分布時(shí)鐘機(jī)制保證了EtherCAT總線的實(shí)時(shí)性及同步性，在提高工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)性能方面發(fā)揮了關(guān)鍵作用。

1 EtherCAT工業(yè)以太網(wǎng)工作原理

EtherCAT工業(yè)以太網(wǎng)總線采用了Interbus的“集總幀”思想，不必再接收以太網(wǎng)進(jìn)行譯碼，省略了譯碼環(huán)節(jié)，其相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理完全是在從站ESC中實(shí)現(xiàn)的。EtherCAT使用標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)幀，采取了主從站設(shè)計(jì)，主站可選用標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)卡或工控機(jī)等控制系統(tǒng)，從站采用專門(mén)的硬件實(shí)現(xiàn)。在網(wǎng)絡(luò)幀傳輸過(guò)程中，主站發(fā)送報(bào)文，此條報(bào)文包含了不同設(shè)備不同網(wǎng)段中的所有的過(guò)程數(shù)據(jù)，這條以太網(wǎng)幀尋遍所有從站，每個(gè)從站讀取報(bào)文幀中各自所需要的報(bào)文數(shù)據(jù)，同時(shí)插入需要輸出的數(shù)據(jù)，然后傳送到下一從站。報(bào)文經(jīng)過(guò)最后一個(gè)從站后依次逆序返回主站，整個(gè)報(bào)文傳輸過(guò)程形成了一個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)。報(bào)文信息均由ESC硬件處理，每個(gè)ESC都含有分布式時(shí)鐘，可對(duì)延時(shí)進(jìn)行補(bǔ)償，使得設(shè)備間的同步誤差保持在納秒級(jí)，具有很好的實(shí)時(shí)性，總線傳送速度可接近甚至超過(guò)100MB/S。

2 EtherCAT工業(yè)以太網(wǎng)分布時(shí)鐘技術(shù)

分布時(shí)鐘即指將網(wǎng)絡(luò)中的多個(gè)實(shí)時(shí)時(shí)鐘分布于不同的硬件。為了實(shí)現(xiàn)各個(gè)設(shè)備的同步，達(dá)到設(shè)備節(jié)點(diǎn)間的實(shí)時(shí)性和同步性，EtherCAT工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議采用分布時(shí)鐘技術(shù)（DC，Distribute Clock）。該同步性能能夠在很大程度上減小設(shè)備的抖動(dòng)延時(shí)，具有很好的抖動(dòng)容錯(cuò)性。EtherCAT分布時(shí)鐘其同步采用IEEE1588標(biāo)準(zhǔn)，同步精度可達(dá)100ns以內(nèi)，足以滿足工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)性能要求。

在EtherCAT系統(tǒng)中，每一個(gè)從站都有一個(gè)本地時(shí)鐘tlocal（n），在所有從站中，第一個(gè)連接主站的具有分布時(shí)鐘功能的從站作為參考從站，其本地時(shí)鐘為參考時(shí)鐘tsys_ref，為實(shí)現(xiàn)時(shí)鐘同步技術(shù)，需要進(jìn)行時(shí)鐘偏移補(bǔ)償、傳輸延遲補(bǔ)償以及時(shí)鐘漂移補(bǔ)償。

傳輸延遲補(bǔ)償（tdelay）是由于報(bào)文幀在傳輸過(guò)程當(dāng)中網(wǎng)線材料或者帶寬的傳輸延遲所造成的，其所計(jì)算的是從站離開(kāi)節(jié)點(diǎn)和返回報(bào)文幀之間的時(shí)間的差值。

時(shí)鐘偏移補(bǔ)償（toffset）為從站的本地時(shí)鐘和參考時(shí)鐘的差值，其公式（1）如下，此過(guò)程僅僅在系統(tǒng)上電階段發(fā)生一次，用來(lái)快速補(bǔ)償初始時(shí)鐘偏差，并且將這個(gè)差值寫(xiě)到系統(tǒng)時(shí)間差值寄存器當(dāng)中。

toffset=tlocal-tsys_ref（1）

時(shí)鐘的偏移補(bǔ)償和傳輸延遲補(bǔ)償在初始狀態(tài)完成。

漂移補(bǔ)償是一個(gè)持續(xù)的過(guò)程，為本地系統(tǒng)時(shí)間副本和參考時(shí)間是差值。系統(tǒng)時(shí)間向每個(gè)從站拷貝一個(gè)副本tlocal_copy_time，所有從站通過(guò)接收主站的ARMW或FRMW指令進(jìn)行靜態(tài)漂移補(bǔ)償，通過(guò)（2）式可求得漂移補(bǔ)償。

當(dāng)Δt小于0時(shí)，說(shuō)明參考時(shí)間比本地時(shí)間慢，減緩計(jì)數(shù)，減慢本地時(shí)間;當(dāng)Δt大于0時(shí)，說(shuō)明參考時(shí)間比本地時(shí)間快，需要加速運(yùn)行，通過(guò)這種方式實(shí)現(xiàn)時(shí)鐘漂移補(bǔ)償。

3 工業(yè)機(jī)器人前饋控制技術(shù)

EtherCAT分布時(shí)鐘技術(shù)的高同步性、強(qiáng)實(shí)時(shí)性、低傳輸延時(shí)性使得前饋控制技術(shù)運(yùn)用于工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)成為可能。傳統(tǒng)的工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)采用基于PID的速度環(huán)、位置環(huán)、電流環(huán)的三閉環(huán)控制，工業(yè)機(jī)器人前饋控制是指在其基礎(chǔ)上增加基于力矩的前饋控制系統(tǒng)部分。如圖所示，首先控制系統(tǒng)根據(jù)給定笛卡爾坐標(biāo)系的逆運(yùn)動(dòng)學(xué)計(jì)算出工業(yè)機(jī)器人的關(guān)節(jié)空間運(yùn)動(dòng)軌跡，然后通過(guò)三閉環(huán)控制將其輸入到驅(qū)動(dòng)器中，同時(shí)控制系統(tǒng)將運(yùn)動(dòng)軌跡在動(dòng)力學(xué)模型中進(jìn)行計(jì)算并計(jì)算出關(guān)節(jié)力矩并且將其轉(zhuǎn)換為前饋電流，在電流環(huán)的輸入端將計(jì)算出的前饋電流進(jìn)行疊加，在就完成了工業(yè)機(jī)器人的前饋控制。

通過(guò)在EtherCAT總線上的高速傳輸，前饋控制技術(shù)可進(jìn)一步的提高工業(yè)機(jī)器人的末端位置精度，加快各個(gè)關(guān)節(jié)節(jié)點(diǎn)的響應(yīng)，提高工業(yè)機(jī)器人的軌跡精度。

4 DC同步機(jī)制在工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)中的實(shí)現(xiàn)

本文所設(shè)計(jì)的工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)采用兩層分布式控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，上層為運(yùn)動(dòng)控制層，運(yùn)動(dòng)控制層以基于EtherCAT總線的工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)為平臺(tái)，構(gòu)成控制系統(tǒng)主站，配以示教器功能，主要完成HMI人機(jī)接口、數(shù)據(jù)采集、軌跡規(guī)劃、故障性診斷等功能。下層為運(yùn)動(dòng)執(zhí)行層，采用六組松下公司推出的具有EtherCAT功能的伺服電機(jī)為主要部件，該部分模塊為控制系統(tǒng)從站，用于完成六自由度機(jī)器人六個(gè)關(guān)節(jié)的電機(jī)驅(qū)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)工業(yè)機(jī)器人進(jìn)行運(yùn)動(dòng)并完成控制器指令動(dòng)作。兩層都具有標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)接口，采用EtherCAT總線進(jìn)行通訊連接，組成線性網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。

為保證主站控制系統(tǒng)和伺服驅(qū)動(dòng)器從站的同步性，在電氣部分首先需要保證EtherCAT機(jī)器人控制系統(tǒng)和六個(gè)伺服驅(qū)動(dòng)器同時(shí)上電，避免因?yàn)榉峭缴想姸斐傻耐ㄓ嵅糠质焦收?。同時(shí)為保證同步的穩(wěn)定性還需要加裝濾波器元件。同步上電完成后，驅(qū)動(dòng)器通過(guò)初始化時(shí)鐘完成系統(tǒng)時(shí)間的功能同步，在這個(gè)階段完成時(shí)鐘偏差、傳輸延遲和時(shí)鐘漂移補(bǔ)償，同步系統(tǒng)時(shí)間后所有的伺服控制系統(tǒng)都將和參考時(shí)鐘保持同步。伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)的同步開(kāi)始于網(wǎng)絡(luò)同步參數(shù)（SYNC0）事件。

通過(guò)EtherCAT工業(yè)以太網(wǎng)分布時(shí)鐘機(jī)制，可以使整個(gè)控制系統(tǒng)具有相同的系統(tǒng)時(shí)間，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)時(shí)間的同步，從而主站運(yùn)動(dòng)規(guī)劃層可完成信息處理、I/O數(shù)據(jù)采集處理、軌跡規(guī)劃等功能，可控制從站（下轉(zhuǎn)第36頁(yè)）（上接第34頁(yè)）伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊完成同步任務(wù)執(zhí)行，并且實(shí)現(xiàn)位置精細(xì)插補(bǔ)、軌跡追蹤補(bǔ)償?shù)裙δ堋⑶梆伩刂萍尤氲娇刂葡到y(tǒng)中可加強(qiáng)整個(gè)控制系統(tǒng)的綜合性能，可進(jìn)一步趨近于理想運(yùn)動(dòng)軌跡，減少位置偏差，提高運(yùn)動(dòng)精度（見(jiàn)圖2）。

5 結(jié)束語(yǔ)

在工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)中，分布式控制系統(tǒng)的多軸同步性能對(duì)六自由度機(jī)器人軌跡規(guī)劃的精度有很大的積極影響。將EtherCAT的分布時(shí)鐘系統(tǒng)運(yùn)用于六自由度關(guān)節(jié)型機(jī)器人可以實(shí)現(xiàn)主從站的時(shí)鐘精確同步，并且可加入前饋控制技術(shù)，對(duì)提升機(jī)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(shí)鐘和前饋控制技術(shù)并實(shí)現(xiàn)了基于EtherCAT總線的工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)，后續(xù)試驗(yàn)表明其運(yùn)行軌跡流暢，同步性能良好。

【參考文獻(xiàn)】

[1]賴志勇.多軸工業(yè)機(jī)器人分布式運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)研究[D].上海.華南理工大學(xué).2015.

[2]李備備.EtherCAT分布時(shí)鐘機(jī)制在數(shù)控系統(tǒng)中的研究與應(yīng)用[J].計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)用，2018，54（5）.

[3]陳利君.EtherCAT分布時(shí)鐘技術(shù)及其工業(yè)應(yīng)用[J].網(wǎng)絡(luò)與通信技術(shù)，2019，41（3）.

[4]孫琳.EtherCAT實(shí)時(shí)性對(duì)SCARA機(jī)器人軌跡精度的影響研究[J].自動(dòng)化儀表，2018，11，第11期.

[5]徐超.關(guān)節(jié)型機(jī)器人的動(dòng)力學(xué)參數(shù)辨識(shí)及前饋控制研究[D].南京.東南大學(xué).2017.