工業生產中，傳統的工業機器人在生產適用性上已經不能滿足日益增長的多任務需求，多軸機器人順勢發展，趨勢明顯。作為能夠實現自動控制、可重復編程、運動自由度建成空間直角關系的操作機，多軸機器人是以XYZ直角坐標系統為基本數學模型，以伺服電機、步進電機為驅動的單軸機械臂為基本工作單元，以滾珠絲桿、同步皮帶、齒輪齒條為常用的傳動方式所架構起來的機器人系統。因此，其完整的機器控制功能包括多個級聯控制環路，每種運動配置由時間中的位置或速度集合來定義，軸間的時序同步非常重要。

　　多軸控制時序延遲的產生原因

　　在CNC加工中，5/6/7軸協調很常見，甚至有些應用會用到多達12個軸，其工具和工件在特定空間內相對移動。每個軸都包含一個伺服驅動器、一個電機，在電機和軸接頭，或者末端執行器之間有時候會加裝一個變速箱。然后，系統通過工業以太網互聯，一般采用LINE型拓撲，如下圖所示。電機控制器將所需的空間軌跡轉換為每個伺服軸所需的單個位置基準，然后在網絡上循環傳輸。

多軸機床的網絡拓撲結構

　　這些應用按定義的周期時間運行，這個時間一般等于，或者是底層伺服電機驅動器的基波控制/脈寬調制(PWM)開關周期的幾倍。端到端網絡傳輸延遲是一個重要參數，在每個周期內，電機控制器必須將新位置基準和其他相關信息傳輸給上圖中的各個節點。然后，PWM周期內需要預留足夠的時間，以供每個節點使用新位置基準和任何新傳感器數據來更新伺服控制算法計算。然后，各個節點通過依賴于工業以太網協議的分布式時鐘機制，在同一時間點將更新后的PWM矢量應用于伺服驅動器。根據具體的控制架構，部分控制回路算法可以在PLC中實現，如果在網絡上接收到任何相關傳感器信息更新后，需要足夠的時間才能實現。

　　假設網絡上唯一的流量是機床控制器和伺服節點之間的周期性數據流，網絡延遲(TNW)由網絡跳轉到最遠節點的次數、網絡數據速率和每個節點遭受的延遲決定。在使用機器人和機床時，線路導致的信號傳輸延遲可以忽略，這是因為線纜長度一般相對較短。主要的延遲為帶寬延遲，即將數據傳輸到線路所需的時間。除了帶寬延遲外，其他延遲元素是由于以太網幀通過每個伺服網絡接口的PHY和雙端口開關產生的。

時序延遲對位置不確定性的影響

　　在面向機器人和機床等應用的高性能多軸伺服系統中，這種時序延遲等在I/O級的電機控制軸之間的時間偏移量變化會對機器人或機床的最終三維定位精度產生直接且顯著的影響。

　　考慮一個簡單的運動曲線如下圖所示，電機速度指令值(藍色曲線)上升后再下降。如果斜坡速率在機電系統的能力范圍內，則實際速度預期值將遵循指令值。但是，如果在系統中任何位置存在延遲，則實際速度(紅色曲線)將滯后于指令值，從而導致位置誤差Δθ。

　　時序延遲對多軸機器人位置精度的影響

　　在多軸機器中，根據機器的機械結構將目標位置(x, y, z)轉換為角度軸向描述(θ1, ..., θn)。角度軸向描述為每個軸定義了一系列相等時間間隔的位置/速度命令。軸之間的任何時序差異都會導致機器的精度降低。機器的目標路徑以一組(x, y)坐標來描述，延遲使y軸命令產生時序誤差，最終導致不規則的實際路徑。

　　在某些情況下，通過適當的補償可以最大程度地降低固定延遲的影響。然而，更關鍵的是無法對可變且未知的延遲進行補償。此外，可變延遲會導致控制環路增益發生改變，從而使調整環路獲得最佳性能變得很困難。應該注意的是，系統中任何地方的延遲都會導致機器精度不準確。因此，盡可能減小或消除延遲才能提高生產率和最終產品質量。

　　低延遲通信的可靠工業以太網解決方案

　　實時確定性以太網協議(例如EtherCAT)已經能夠支持多軸運動控制系統的同步運行。該同步包含兩方面含義——各個控制節點之間的命令和指令的傳遞必須與一個公共時鐘同步與控制算法和反饋函數的執行必須與同一個時鐘同步。

　　ADI公司推出的兩款新工業以太網PHY ADIN1300和ADIN1200，具備出色的功率和延遲規格，為工業應用的理想選擇。其中，ADIN1300是業界具有出色的功耗、延遲和封裝尺寸特性的10Mbps/100 Mbps/1000 Mbps工業以太網PHY，其EMC和ESD穩健性已經過廣泛測試，可在高達105°C的環境溫度下運行。ADIN1300 PHY已通過EMC/ESD標準測試，如表3所示。通過使用已通過IEC和EN標準廣泛測試的以太網PHY技術，可顯著降低產品合規性測試和認證的相關成本和時間。ADIN1200低功耗10 Mbps/100 Mbps穩健型工業以太網PHY已經過廣泛的EMC和ESD穩健性測試，可在高達105°C的環境溫度下運行。帶fido5200的ADIN1200為多協議、實時工業以太網設備連接提供系統級解決方案，支持Profinet?, EtherNet/IP?、EtherCAT、Modbus TCP和Powerlink實現嵌入式雙端口設備連接。

帶有fido5200的ADIN1200，用于實時多協議工業以太網器件連接

　　fido5200則是一個帶有兩個以太網端口的實時以太網多協議(REM)交換芯片，它在主機處理器和工業以太網物理層之間提供一個靈活的接口，包括一個可配置的定時器控制單元(TCU)，可針對各種工業以太網協議實現先進的同步方案。還可以借助專用定時器引腳實現輸入捕獲和方波信號輸出等附加功能。定時器輸入/輸出與本地同步時間保持同相，因此也與網絡流量保持同相，這使其不僅可以同步單個從機節點的I/O，而且可以同步整個網絡中的從機節點。

PHY和開關導致的延遲

　　本文小結

　　在高性能多軸同步移動應用中，控制時序要求非常精準，具有確定性和時間關鍵性，要求最大程度縮短端到端延遲，在控制周期時間縮短，控制算法的復雜性增加時尤其如此。實時以太網廣泛用于運動控制系統，一些協議可實現精度小于1 μs的時間同步，ADI低延遲PHY ADIN1300/1200和嵌入式直通開關與實時以太網多協議(REM)交換芯片fidp5200是優化這些系統的重要組件，適用于廣泛的工業實時以太網應用中。