EtherCAT分布时钟机制在工业机器人控制系统中的应用

【摘 要】以EtherCAT分布时钟的优良性能为基础，设计了基于EtherCAT总线的六自由度关节型机器人控制系统。首先研究了EtherCAT工业以太网的工作原理，接着分析了EtherCAT总线的分布时钟技术和前馈控制技术，最后搭建了机器人控制系统。通过理论联系实际表明EtherCAT分布时钟技术运用在工业机器人方面对提高其性能发挥了支撑作用，同时使得前馈控制运用于机器人控制系统成为现实可能，更加有利于提高工业机器人的轨迹精度及综合性能。

【关键词】EtherCAT;分布时钟;前馈控制;工业机器人

中图分类号： TP242 文献标识码： A 文章編号： 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

随着我国制造业进步步伐的加快，工业机器人正在逐步起着解放劳动力、推动生产力的作用。其中，六自由度关节型机器人正受到越来越多工业厂家的青睐，这就对工业机器人控制系统的功能、灵活性、安全性等性能要求进一步提高。本文设计研究的工业机器人控制系统采用EtherCAT总线通信方式。EtherCAT（Ethernet for Control Automation Technology）是由德国倍福公司提出的一种具有实时性的工业以太网技术，该技术打破了传统工业以太网 CSMA/CD（采用带有冲突检测的载波侦听多路访问机制）介质控制、访问 MAC 方式的限制，拓展了IEEE802.3以太网规范，具有强实时性、数据传输速率高、拓扑结构灵活、抗干扰性强的特点。其分布时钟机制保证了EtherCAT总线的实时性及同步性，在提高工业机器人控制系统性能方面发挥了关键作用。

1 EtherCAT工业以太网工作原理

EtherCAT工业以太网总线采用了Interbus的“集总帧”思想，不必再接收以太网进行译码，省略了译码环节，其相应的数据处理完全是在从站ESC中实现的。EtherCAT使用标准以太网帧，采取了主从站设计，主站可选用标准以太网卡或工控机等控制系统，从站采用专门的硬件实现。在网络帧传输过程中，主站发送报文，此条报文包含了不同设备不同网段中的所有的过程数据，这条以太网帧寻遍所有从站，每个从站读取报文帧中各自所需要的报文数据，同时插入需要输出的数据，然后传送到下一从站。报文经过最后一个从站后依次逆序返回主站，整个报文传输过程形成了一个闭环系统。报文信息均由ESC硬件处理，每个ESC都含有分布式时钟，可对延时进行补偿，使得设备间的同步误差保持在纳秒级，具有很好的实时性，总线传送速度可接近甚至超过100MB/S。

2 EtherCAT工业以太网分布时钟技术

分布时钟即指将网络中的多个实时时钟分布于不同的硬件。为了实现各个设备的同步，达到设备节点间的实时性和同步性，EtherCAT工业以太网协议采用分布时钟技术（DC，Distribute Clock）。该同步性能能够在很大程度上减小设备的抖动延时，具有很好的抖动容错性。EtherCAT分布时钟其同步采用IEEE1588标准，同步精度可达100ns以内，足以满足工业机器人控制系统性能要求。

在EtherCAT系统中，每一个从站都有一个本地时钟tlocal（n），在所有从站中，第一个连接主站的具有分布时钟功能的从站作为参考从站，其本地时钟为参考时钟tsys_ref，为实现时钟同步技术，需要进行时钟偏移补偿、传输延迟补偿以及时钟漂移补偿。

传输延迟补偿（tdelay）是由于报文帧在传输过程当中网线材料或者带宽的传输延迟所造成的，其所计算的是从站离开节点和返回报文帧之间的时间的差值。

时钟偏移补偿（toffset）为从站的本地时钟和参考时钟的差值，其公式（1）如下，此过程仅仅在系统上电阶段发生一次，用来快速补偿初始时钟偏差，并且将这个差值写到系统时间差值寄存器当中。

toffset=tlocal-tsys_ref（1）

时钟的偏移补偿和传输延迟补偿在初始状态完成。

漂移补偿是一个持续的过程，为本地系统时间副本和参考时间是差值。系统时间向每个从站拷贝一个副本tlocal_copy_time，所有从站通过接收主站的ARMW或FRMW指令进行静态漂移补偿，通过（2）式可求得漂移补偿。

当Δt小于0时，说明参考时间比本地时间慢，减缓计数，减慢本地时间;当Δt大于0时，说明参考时间比本地时间快，需要加速运行，通过这种方式实现时钟漂移补偿。

3 工业机器人前馈控制技术

EtherCAT分布时钟技术的高同步性、强实时性、低传输延时性使得前馈控制技术运用于工业机器人控制系统成为可能。传统的工业机器人控制系统采用基于PID的速度环、位置环、电流环的三闭环控制，工业机器人前馈控制是指在其基础上增加基于力矩的前馈控制系统部分。如图所示，首先控制系统根据给定笛卡尔坐标系的逆运动学计算出工业机器人的关节空间运动轨迹，然后通过三闭环控制将其输入到驱动器中，同时控制系统将运动轨迹在动力学模型中进行计算并计算出关节力矩并且将其转换为前馈电流，在电流环的输入端将计算出的前馈电流进行叠加，在就完成了工业机器人的前馈控制。

通过在EtherCAT总线上的高速传输，前馈控制技术可进一步的提高工业机器人的末端位置精度，加快各个关节节点的响应，提高工业机器人的轨迹精度。

4 DC同步机制在工业机器人控制系统中的实现

本文所设计的工业机器人控制系统采用两层分布式控制系统结构，上层为运动控制层，运动控制层以基于EtherCAT总线的工业机器人控制系统为平台，构成控制系统主站，配以示教器功能，主要完成HMI人机接口、数据采集、轨迹规划、故障性诊断等功能。下层为运动执行层，采用六组松下公司推出的具有EtherCAT功能的伺服电机为主要部件，该部分模块为控制系统从站，用于完成六自由度机器人六个关节的电机驱动，驱动工业机器人进行运动并完成控制器指令动作。两层都具有标准以太網接口，采用EtherCAT总线进行通讯连接，组成线性网络结构。

为保证主站控制系统和伺服驱动器从站的同步性，在电气部分首先需要保证EtherCAT机器人控制系统和六个伺服驱动器同时上电，避免因为非同步上电而造成的通讯部分失同步故障。同时为保证同步的稳定性还需要加装滤波器元件。同步上电完成后，驱动器通过初始化时钟完成系统时间的功能同步，在这个阶段完成时钟偏差、传输延迟和时钟漂移补偿，同步系统时间后所有的伺服控制系统都将和参考时钟保持同步。伺服电机驱动的同步开始于网络同步参数（SYNC0）事件。

通过EtherCAT工业以太网分布时钟机制，可以使整个控制系统具有相同的系统时间，实现系统时间的同步，从而主站运动规划层可完成信息处理、I/O数据采集处理、轨迹规划等功能，可控制从站（下转第36页）（上接第34页）伺服电机驱动模块完成同步任务执行，并且实现位置精细插补、轨迹追踪补偿等功能。将前馈控制加入到控制系统中可加强整个控制系统的综合性能，可进一步趋近于理想运动轨迹，减少位置偏差，提高运动精度（见图2）。

5 结束语

在工业机器人控制系统中，分布式控制系统的多轴同步性能对六自由度机器人轨迹规划的精度有很大的积极影响。将EtherCAT的分布时钟系统运用于六自由度关节型机器人可以实现主从站的时钟精确同步，并且可加入前馈控制技术，对提升机器人轨迹精度具有重大意义。本文研究了EtherCAT总线及其分布时钟和前馈控制技术并实现了基于EtherCAT总线的工业机器人控制系统，后续试验表明其运行轨迹流畅，同步性能良好。

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