分散式運動控制

分散式運動控制指運動控制系統與外部的其它控制系統或上位計算機進行分散式網路聯接和網路控制。網路技術的引入，使運動控制系統控制範圍擴大了，使大範圍的協調運動控制成為可能，便於實現集中的分散式控制。分散式運動控制系統的主要任務是通過網路來實現多個執行機構的協調控制。

在分散式運動控制系統中，每個模組作為單獨的一個控制單元，可以滿足模組化機器人設計的要求。分散式運動控制系統廣泛使用於眾多運動控制領域，如機器人，多自由度機械臂，多軸工作檯等對象上。

基本介紹

• 中文名：分散式運動控制
• 外文名：distributed motion control
• 領域：控制
• 主要任務：由網路實現多執行機構的協調控制
• 特點：獨立數據處理、獨立驅動
• 控制策略：運動同步控制、網路時鐘同步等

運動控制

運動控制系統是對機械運動部件的位置、速度等進行實時控制管理，使其按照預期的運動軌跡和規定的運動參數進行運動的系統川。它主要包括運動控制器、驅動器、執行機構以及反饋系統幾個部分，如圖1所示。運動控制器是指以中央邏輯控制單元為核心，以感測器為信號敏感元件，以電機/動力裝置和執行單元為控制對象的一種控制裝置，其主要任務是根據作業的要求和感測器件的信號進行必要的邏輯數學運算，為電機或其它動力和執行裝置提供正確的控制信號。

圖1 運動控制系統框圖

背景

網路化多軸運動控制依據結構可分為集中式結構和分散式結構兩種。網路的實時性是其套用在工業自動化領域的軟肋，而多軸運動控制的協調對控制精度要求的苛刻使得對網路的實時性要求更高。採用集中式控制結構不僅需要在網路傳輸實時的控制信號還要傳輸位置反饋信號，無疑加重了網路的壓力。而採用分散式控制結構，只需在網路傳輸少量的運動控制指令和同步信息，因此對網路的頻寬和實時性的要求有所降低。同時分散式控制結構方便擴展，使得控制系統靈活性增強。使用分散式控制結構是網路化運動控制系統的發展趨勢。

基本介紹

集中式

在集中式結構中，每個軸的位置環位於運動控制器中，從而組成基於網路閉環的控制系統。在每個控制周期，運動控制器通過控制網路接收各個軸的位置反饋，計算每個軸的速度給定值並通過網路傳送給各個伺服控制器。集中式控制結構的主要套用場合是CNC、機器人等設備。由於位置控制算法集中在運動控制器內實現，因此可實現比較複雜的控制算法，如可通過採用交叉禍合控制方法補償各運動軸動態特性的差別和擾動，從而有效減小同步誤差。但網路閉環產生的延遲和抖動也會影響系統的穩定性和控制性能，必須在控制算法設計時加以考慮。集中式控制結構對控制網路頻寬也有較高的要求。

分散式

在分散式結構中，每個軸的位置環位於伺服控制器中，不構成網路閉環。分散式運動控制結構如圖2所示。每個運動軸的位置環和速度環都位於伺服控制器內。分散式控制結構的主要套用場合是印刷、包裝生產線等設備。這類設備中往往有大量數目的運動軸，採用集中式控制是不合適的。由於控制算法分散在各伺服驅動器內實現，從而降低了通信需求，增加系統的可靠性。

圖2 分散式運動控制結構

特點

分散式運動控制相對於傳統的集中式運動控制，具有如下一些特點。

(1) 獨立數據處理。每個模組單元在運動學和動力上應具有相對的獨立性。如在機器人的運動學和動力學中，各單元之間的耦合非常強，為了實現模組化設計，應儘可能保證模組在運動學和動力學上的獨立性，可以考慮通過模組來分別調整機器人的各運動學參數。

(2) 獨立驅動。每個主動模組應具有驅動能力，完成特定的運動和動作。如在機器人結構中，每個主動單元就是實現一個或多個自由度的關節或運動單元。為了減少在模組問的機械運動傳遞，因此每個主動模組都有自己的驅動系統。

策略

運動控制系統的任務是使執行機構按照預期的運動軌跡和規定的運動參數進行運動，而分散式運動控制系統的主要任務是通過網路來實現多個執行機構的協調控制。下文以乙太網為例，簡述了運動同步控制、網路時鐘同步和網路流量控制三個方面的控制策略，在網路通用性前提下解決網路的實時性，使其滿足分散式運動控制的需求。

同步控制

為了滿足網路的通用性要，使用交換式乙太網組建分散式運動控制系統。使用交換機劃分衝突域的方式雖然很好的解決了乙太網數據包的衝突問題,然而它也增大了數據包的網路延遲。

圖3 採用事件觸發的分散式控制

如圖3為採用事件觸發的分散式控制示意圖。由於控制命令從運動控制器到每個伺服控制器的網路延遲都存在差別，即使使用廣播方式傳送數據，命令到達各個伺服控制器的時間也各不相同，因此驅動控制器接收到控制命令後輸出指令脈衝序列的時間也各不相同。顯然在這種方式下多軸電機運轉形成的軌跡和目標軌跡會產生偏離。

如果在控制命令中添加執行時間信息，驅動控制器接收到插補數據後不是馬上發出指令脈衝序列，而是到達指定執行時間後再發出指令脈衝。按照這種方式，只要保證各個控制器時鐘完全同步，指令脈衝序列發出的時間就會完全相同。為了保證指令在控制周期內發出，插補數據需要提前一段時間發出，驅動控制器收到數據後需要設定定時器，在指定時間到達之後才能執行脈衝指令。將預先設定定時器，在定時器時間達到時執行任務的機制稱為定時觸發機制。

圖4 採用定時觸發的分散式控制

如圖4所示為使用定時觸發機制進行分散式插補的示意圖。插補數據包提前時間傳送。三個伺服控制器接收到數據包之後分別以、和時間定時。最後各個伺服控制器的指令脈衝序列發出的時間完全同步。

顯然，使用定時觸發機制來實現網路同步,必須實現網路時鐘同步。

網路時鐘同步

網路時鐘同步是分散式運動控制系統的基礎。在保證了時鐘同步的基礎上才能保證定時觸發機制的正常工作。運動控制網路的時鐘同步與一般信息系統的時鐘同步有很大的不同，最主要的差別是運動控制網路所要求的同步精度往往在微秒級甚至亞微秒級，這是一般信息系統中所採用的時鐘同步機制無法達到的。現有的時鐘同步方法通常在同步控制網路中實現，其確定性的機制較利於時鐘調整算法的實現。然而，在異步網路中，介質存取控制機制的不確定性導致同步周期存在著抖動，從而為提高時鐘同步精度增加了難度。

網路流量控制

分散式插補會產生大量的插補數據需要通過網路傳輸。為了有效的利用網路頻寬，提高傳輸效率，將多個分段的插補數據放在一個報文中傳輸，這樣驅動控制器必須將多個分段先存儲在快取區中。在嵌入式系統中，快取區的大小是有限的，因此通常採用擴展外部RAM的方法擴充快取區。然而訪問外部RAM的時間較長，要保證高速插補的持續進行，數據需要放在微控制器的片內RAM。