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 吳兵1，2

  （1．上海交通大學(xué)電子信息與電氣工程學(xué)院，上海200240；2．上海智殷自動化科技有限公司，上海200032）

摘要：描述了由PWM定時組成的伺服控制器時鐘結(jié)構(gòu)，分析了伺服控制器間時鐘不同步的兩類原因：時鐘偏移和時鐘漂移。針對時鐘偏移和時鐘漂移的特點，提出了多種通過檢測Ether CAT從站SYNCO信號邊沿來觸發(fā)伺服控制器間PWM定時同步的時鐘同步方案。在PWM定時同步的基礎(chǔ)上，通過SYNCO信號邊沿標(biāo)定伺服控制器的控制輸出時刻和反饋采樣時刻，從而實現(xiàn)伺服控制器間的多軸同步。最后實驗證明該設(shè)計方案能有效地保證基于F28M35伺服控制器間的多軸同步。

  關(guān)鍵詞：伺服控制器；Ether CAT；多軸同步；PWM

  中圖分類號：TP273文章編號：1006 - 2394( 2016) 05 - 0001  - 05

0  引言

 高精度的運(yùn)動控制，不僅需要單軸運(yùn)動位置控制精確，而且需要各軸同時控制輸出和同時反饋采樣（即多軸同步），否則會直接影響系統(tǒng)的軌跡精度，影響生產(chǎn)效率及產(chǎn)品質(zhì)量。多軸同步一直是工業(yè)界內(nèi)熱門的研究課題，因此研究多軸同步設(shè)計具有一定的現(xiàn)實意義。

 在集中式控制系統(tǒng)中，各軸控制輸出和反饋采樣都在同一個時鐘節(jié)拍下工作，同步精度可以達(dá)到小于1μs，因此不存在多軸同步問題。但該方案使用專用的同步時鐘線路來實現(xiàn)多軸同步，增加了機(jī)械設(shè)計和機(jī)械裝配難度，較長的同步時鐘線路容易受電磁干擾和信號衰減的影響，增加了硬件成本。本文不使用專用時鐘線路和專用芯片，僅通過檢測Ether CAT從站的SYNCO信號，實現(xiàn)基于TI F28M35開發(fā)的伺服控制器間的多軸同步。

1  多軸同步原理

 由于每個軸的運(yùn)動是靠伺服控制器來控制和驅(qū)動的，多軸同步最終要靠伺服控制器來實現(xiàn)。伺服控制器間的時鐘同步是多軸同步的前提。本文選用了Eth-erCAT作為伺服控制器的通信總線，Ether CAT主站通過實時時鐘校正得到高精度同步的DC分布時鐘（誤差小于1μs），通過Ether CAT主站配置，伺服控制器可以從ESC( Ethe r CAT Slave Controller)處獲得周期準(zhǔn)確·同步的SYNCO信號，通過檢測ESC的SYNCO邊沿信號觸發(fā)PWM定時同步，實現(xiàn)伺服控制器間的PWM定時同步；在PWM定時同步基礎(chǔ)上，通過ESC的SYNCO邊沿信號來標(biāo)定控制輸出時刻和反饋采樣時刻，從而實現(xiàn)伺服控制器間的多軸同步。

 伺服控制器內(nèi)部有電流環(huán)刷新定時、速度環(huán)刷新定時和位置環(huán)刷新定時，通常情況下電流環(huán)刷新定時周期最短，且電流環(huán)刷新定時與PWM定時完全同步，為了控制方便和控制可靠（盡量避免中斷嵌套），伺服控制器軟件選用PWM定時作為伺服控制器的唯一定時和基礎(chǔ)定時，即控制定時的最小單元是PWM定時周期。如果各伺服控制器間的PWM定時精確同步了，通過PWM定時衡量和ESC的SYNCO邊沿信號標(biāo)定，則可實現(xiàn)伺服控制器間的多軸同步。故在不增加額外硬件的情況下，首先實現(xiàn)伺服控制器間的PWM定時完全同步，再通過PWM衡量和ESC的SYNCO邊沿信號標(biāo)定，就可以實現(xiàn)伺服控制器間的多軸同步。如圖1所示為伺服控制器時鐘同步結(jié)構(gòu)。

 ESC的SYNCO信號一方面觸發(fā)伺服控制器PWM定時同步，另一方面也標(biāo)定了運(yùn)動控制的輸出時刻和反饋的采樣時刻。如果各伺服控制器PWM定時都被ESC的SYNCO信號邊沿觸發(fā)同步了，則伺服控制器間PWM定時都同步了；在PWM定時同步基礎(chǔ)上，通過ESC的SYNCO信號標(biāo)定控制的輸出時刻和采樣時刻，從而實現(xiàn)多軸同步，如圖2所示為時鐘同步時序圖。

 時鐘不同步的原因分為兩類：一類是時鐘偏移，原因是伺服控制器的上電時間不一樣；另一類是時鐘漂移，原因是PWM時鐘源的精度不高，或者精度受溫度影響而變化。無論是由于時鐘偏移或者時鐘漂移，在ESC的SYNCO信號的上升沿同步PWM定時，第一次同步能解決時鐘偏移問題，后續(xù)經(jīng)常性再同步能解決時鐘漂移問題，避免了時鐘差的累計效應(yīng)。下面將討論如何通過ESC的SYNCO信號邊沿實現(xiàn)PWM同步。

2多軸同步設(shè)計

 F28M35帶有多個PWM控制器，并提供了同步方法，EPWM1、EPWM2和EPWM3的同步關(guān)系和方法如圖3所示。

 EPWM1可以通過GPTRIP6選擇外部GPIOO~GPI063中任一引腳作為時鐘同步信號EPWMISYNCI的輸入信號源，上升沿時PWM同步，并將EPWM1的輸出同步信號EPWMISYNCO作為EPWM2的EP-WM2SYNCI的輸入信號源，同理將EPWM2的輸出同步信號EPWM2SYNCO作為EPWM3的EPWM3SYNCI的輸入信號源，這樣通過1路ESC的SYNCO信號同步信號就可以同時控制3路PWM信號，從而保證電機(jī)驅(qū)動的同步性。PWM工作時，TBCTR為PWM時基計數(shù)器，TBPRD為PWM的周期寄存器，TBPHR為PWM的時基相位寄存器（即控制相位同步寄存器），還有2個事件，一個為CTR= zero（即TBCTR值為0），另一個為CTR= PRD（即TBCTR= TBPRD）。PWM同步時有兩種工作模式，一種模式同步后TBCTR被TB-PHR值所更新，繼續(xù)遞增計數(shù)；另一種模式TBCTR被TBPHR值所更新，繼續(xù)遞減計數(shù)。下面從不同的PWM頭尾部同步和PWM中間位置同步來分析利弊。

 在TBCTR值為0附近（即PWM波形的頭尾部）PWM同步，同步位置可能為頭部，也可能為尾部，從圖4和圖5中可知，無論是在頭尾部遞增還是頭尾部遞減，都可能出現(xiàn)兩次“CTR=zero”事件，即觸發(fā)兩次PWM中斷，事件間隔較小，會引起伺服控制器定時誤差大，導(dǎo)致不能完成運(yùn)算任務(wù)，故PWM頭尾部遞增同步方法不可取。

 在TBCTR值為TBPRD附近（即PWM波形中間左邊或右邊）PWM同步，同步位置可能為左邊，也可能為右邊，從圖6和圖7中可知，無論是在PWM中間遞增還是PWM中間遞減，在PWM周期誤差不大的情況下，兩次出現(xiàn)“CTR=zero”事件（即觸發(fā)兩次PWM中斷），時間基本和PWM設(shè)置的周期一致，變化較小，故PWM中間遞增同步和PWM中間遞減同步都可以。本文選擇PWM中間遞減同步。使用PWM中間遞減同步時，如果ESC的SYNCO信號周期和PWM定時周期一致，TBPHS= TBPRD，則每個PWM周期都被正確同步，如圖8所示。

只要PWM時鐘頻率有偏移或者漂移，在中間就會被同步，PWM定時和ESC的SYNCO信號正好相差半個PWM周期，但各伺服控制器間的PWM定時完全同步。在機(jī)器人伺服控制器中，SYNCO信號周期和PWM周期是不相同的，在本文的研究中，PWM時鐘周期為50μs，ESC的SYNCO信號周期是PWM定時周期整數(shù)倍（如80倍，即80個PWM周期同步一次），ESC的SYNCO信號的上升沿會對PWM中間同步，如圖9所示。

 在晶振精度為0. 003 010情況下，80個PWM周期后，累計的最大PWM周期偏差為0.12μs，對被同步PWM的占空比影響為0.12/50=0.24%，每80個周期的第一個PWM周期被ESC的SYNCO信號重新同步，該誤差不會被累積，故可以實現(xiàn)伺服控制器間的PWM時鐘完全同步。F28M35硬件實現(xiàn)檢測ESC的SYNCO信號上升沿并調(diào)整PWM的相位。

 通過硬件實現(xiàn)伺服控制器間PWM定時完全同步后，通過ESC的SYNCO信號邊沿標(biāo)定運(yùn)動控制的輸出時刻和反饋采樣時刻，則實現(xiàn)了伺服控制器間的多軸同步。

3  多軸同步測試

 下面基于F28M35開發(fā)的支持Ether CAT小型機(jī)器人伺服控制器通過GPIO輸出脈沖，使用示波器來觀察。伺服控制器ESC輸出的250 Hz SYNCO信號如圖10所示，為了測試方便，本文使用Tektronix示波器MD03104的AFG輸出250 Hz SYNCO信號，PWM輸出50μs周期脈沖。

 圖11顯示，channel 1為PWM脈沖波形，channel2為ESC的SYNCO信號，圖中顯示ESC的SYNCO信號的上升沿觸發(fā)了PWM中間同步，圖中顯示不在中間是由于PWM中斷延遲造成的。ESC的SYNCO信號觸發(fā)PWM定時同步后則實現(xiàn)了伺服控制器間的時鐘完全同步。

 圖12為兩個伺服控制器輸出的兩路PWM脈沖波形，周期為50μs，從圖12 a）可以看出在PWM未同步前，兩路PWM脈沖存在時鐘偏移，經(jīng)過Ether CA-TESC的SYNCO信號上升沿校正后，從圖12 b）可以看出兩路PWM定時完全同步。

 PWM定時同步后，各伺服控制器在ESC的SYNCO信號上升沿后等待相同的PWM周期時間輸出運(yùn)動，圖13表明PWM同步前，兩個伺服控制器命令輸出不同步，圖13 b）表明PWM同步后，兩個伺服控制器間命令輸出基本同步。

 把同步信號進(jìn)一步展開，得到的多軸同步時間差見圖14。4 ms的同步周期，同步時間誤差為±40. 00 ns，誤差率為±0. 001010。高精度的伺服控制器，軸同步誤差要小于1μs，從圖14可知，基于F28M35伺服控制器的多軸同步達(dá)到要求，滿足高精度運(yùn)動控制需求。

4結(jié)束語

 基于F28M35伺服控制器，通過檢測ESC的SYNCO信號的上升沿來觸發(fā)同步伺服控制器PWM定時同步和執(zhí)行運(yùn)動輸出，在不使用專用時鐘線路和專用芯片（如FPGA）情況下能實現(xiàn)伺服控制器間的多軸同步。接下來需要進(jìn)一步分析PWM同步時占空比的變化對輸出的影響程度。