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    高性能運動網(wǎng)絡要求嚴格管理的同步體制來保證多個軸之間的同步和實時更新。盡管以太網(wǎng)為采用分布控制的一般用途的應用提供足夠的性能，對于有更多要求的情況，它通常是太慢了。在這些情況下，就需要一個快速同步網(wǎng)絡，將集中運動處理器連接到多個伺服軸。SynqNet 特別為支持高性能集中控制系統(tǒng)而設計，并提供另外的好處包括自愈容錯運行、簡單的基于發(fā)現(xiàn)的配置和高抗擾性。另外，多個驅(qū)動器供應商支持SynqNet，它們提供了具有成本競爭力的很多系列的產(chǎn)品。

    當選擇一個運動網(wǎng)絡時，需要關注的關鍵因素非常簡單。它能具有你需要的性能嗎？它可靠和安全嗎？它易于使用的程度有多大？擁有它全部成本是多少？本文回顧了這四個方面和技術背景，以幫助讀者理解數(shù)字運動網(wǎng)絡。

    以太網(wǎng)的局限性

    以太網(wǎng)已經(jīng)成為無處不在的辦公網(wǎng)絡平臺，并且將在工業(yè)自動化領域繼續(xù)它的勝利。在數(shù)字網(wǎng)絡的早期，帶寬的缺乏、決定論和長等待時間，市場提供的是分布處理解決方案。但對于高性能和多軸應用，這種以太網(wǎng)分布處理方法一般是不夠的，它們需要一個集中進行處理的控制模型。

    SynqNet 是第一個商業(yè)化100BaseT (IEEE802.3) 網(wǎng)絡，提供集中控制模型的所有性能優(yōu)勢，同時還有增強的性能、容錯、可靠性和診斷特性。 SynqNet 由Danaher Motion 公司的子公司――Motion Engineering 股份有限公司開發(fā)。協(xié)議很快被主要的驅(qū)動器公司所采用，像安川電機、Advanced Motion Controls、松下、Glentek、Sanyo Denki、Trust Automation、和Soonhan Engineering等。

    高性能控制系統(tǒng)的需求

    （1）最小的伺服周期時間

    高性能運動控制系統(tǒng)依賴于一些關鍵技術元件，這些元件以集成方式無縫工作在一起。一個完美的控制系統(tǒng)必須將所期望的運動曲線轉(zhuǎn)變?yōu)橐粋€或多個伺服軸的運動。為完成這個任務，經(jīng)常需要采用一些運動學模型的形式，從XYZ “空間”坐標系轉(zhuǎn)換到機器坐標系或“聯(lián)合”坐標系。另外的一些像非線性或軸交叉耦合的影響應該得到補償。 不管最終的軟件控制模型是什么，重要的是總的伺服周期時間的最小化。周期時間越短，控制系統(tǒng)越嚴密，機器的性能越高。對于快速的點對點的運動，或者精確路徑運動，周期時間成為一個重要的要素。

    （2）網(wǎng)絡等待時間和傳輸率

    現(xiàn)代控制系統(tǒng)從每一個軸接收多個定值輸入和多個反饋輸入，如實際的力矩和速度，來為每一個電機計算新的目標數(shù)據(jù)。為實現(xiàn)有效的高性能控制，定值數(shù)據(jù)和反饋數(shù)據(jù)必須同步傳送，具有非常短的周期時間和等待時間。在控制系統(tǒng)中，任何的傳送延遲都代表了一個階段延遲，這限制了可完成的增益和機器的有效反應時間。

    （3）低的偏差和延遲抖動 

    數(shù)字控制系統(tǒng)在自由碰撞的網(wǎng)絡干擾初步是由于主節(jié)點和從節(jié)點的本地時鐘之間的差異而造成的。此外，電磁干擾也能加強延遲抖動。延遲抖動直接傳送到路徑運動。對于單軸，延遲抖動能夠?qū)е虏环€(wěn)定的控制行為，如速度變化或擺動的最后位置錯誤。對于多軸系統(tǒng)，后果則更嚴重。這樣，對于精確路徑運動，具有最小的延遲抖動是必要的。

    偏差是發(fā)送器和接收器之間或網(wǎng)絡節(jié)點之間的數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓潭ㄑ舆t。它是由電纜傳送延遲（大約1μs/100米）和內(nèi)部邏輯電路中的延遲引起的。 對于高性能的特性運動控制，偏差變得相關，而且網(wǎng)絡必須能夠測量偏差并能夠進行補償。

    SynqNet 通過采用階段鎖定循環(huán)技術把每一個從網(wǎng)絡的獨立時鐘同步到主網(wǎng)絡，這樣，把振動減少到小于1μs。這就提供了比其它非同步網(wǎng)絡（如基于以太網(wǎng)的TCP/IP或IP/UDP）更優(yōu)良的性能。 SynqNet 采用特殊算法將偏移限制在20ns，特殊算法是測量系統(tǒng)偏移并在硬件上加以補償。偏移和延遲抖動由一些節(jié)點或網(wǎng)絡交流條件擔保。

    SynqNet 運動控制網(wǎng)絡的卓越性能

    （1）更為優(yōu)化的數(shù)據(jù)幀

    SynqNet使用不重要的第二層。以太網(wǎng)是為傳送長數(shù)據(jù)包而設計的。按照IEEE802.3 規(guī)范，一個數(shù)據(jù)幀由28 個控制字節(jié)和至少46個數(shù)據(jù)字節(jié)組成。這種協(xié)議對于典型的工業(yè)化運動應用軟件來說過大。通常一個節(jié)點(設備)的數(shù)據(jù)需求很少(少于46字節(jié))。為降低周期時間和等待時間，Synqnet 優(yōu)化了第二層的數(shù)據(jù)幀。一個SynqNet 幀至少由24 個字節(jié)組成而不是至少74個字節(jié)。這是SynqNet與以太網(wǎng)相比的一個關鍵優(yōu)勢。

    （2）同步全雙工通信

    標準的以太網(wǎng)利用一對雙絞線傳送和接收數(shù)據(jù)。對雙絞線的存取由所共知的多路訪問沖突檢測(MACD)管理，它是一個公認的好方法。但這種機制天生具有不確定性，并且隨著網(wǎng)絡中設備數(shù)量的增加，碰撞時間幾乎會指數(shù)級的增加，這樣會導致性能的快速降低。
SynqNet為消除多路訪問沖突檢測機制而設計。它使用一個同步方法，用定期時間進度表方式向每一個設備傳送數(shù)據(jù)。采用獨立的接收和傳送線對(全雙工)來避免數(shù)據(jù)沖突，并且傳送一個2 x 100 Mbit的確定的日期速度。對于4個軸來說，結(jié)果是周期時間短至25微秒。

    （3）安全性

    SynqNet既可以在串形拓撲也可以在環(huán)形拓撲配置。環(huán)形拓撲在SynqNet系統(tǒng)內(nèi)可方便布線，并對電纜中斷有一定的容許量。SynqNet具有“自愈”容錯能力，在線路中的一段發(fā)生故障的事件中，SynqNet 硬件在兩個伺服周期中重新規(guī)定數(shù)據(jù)線路，這時網(wǎng)絡仍然保持連接狀態(tài)。同時應用程序得到事件通知和事件發(fā)生的位置，允許機器以與特定情況相適應的方式作出響應。

    （4）精確的捕獲技術

    捕獲包括基于位置的捕獲和基于時間的捕獲，指的是傳感器觸發(fā)事件的能力，事件可以是記錄位置，或者記錄在十億分之一秒精度范圍內(nèi)的時間數(shù)據(jù)，然后使用這個數(shù)據(jù)在隨后的伺服周期內(nèi)優(yōu)化軌跡或機器控制的其它元素。在SynqNet，可得到實用的基于時間和基于位置的捕獲技術，而沒有在分布控制模型或其它數(shù)字網(wǎng)絡協(xié)議中常見的等待時間。

    SynqNet 保證所有節(jié)點的嚴格同步，保證處理復雜運動包括多路輸入、多路輸出(MIMO)的機器人需求和一些其它復雜運動應用的能力。 SynqNet控制器采用共享內(nèi)存，為了在主計算機PCI總線之上進行直接內(nèi)存映射。這考慮了在控制器和主計算機之間共享內(nèi)存寄存器，當處理影響主計算機的與機器相關的任務時來減少操作系統(tǒng)的等待時間。另外，SynqNet 控制器具有一個板載DSP 或微處理器，專用于對時間要求高的周期性任務，在這種任務中由FPGA 完成固件管理數(shù)據(jù)采集。

    （5）易于使用 

    SynqNet 在設計時考慮了機器制造商。安裝和配置采用如下技術進行了簡化：自動發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡設備，通用調(diào)整和報告方法。

    SynqNet 采用公共軟件API，為多個供應商的所有網(wǎng)絡設備而設計。SynqNet 產(chǎn)品現(xiàn)在可以從最重要的美國和日本廠商購買到，它們不僅提供標準運動產(chǎn)品，也提供定制的運動產(chǎn)品。API可作為一套強大的C/C++或者Active X 運動庫得到。

    SynqNet 具有查詢固件修改和為網(wǎng)絡上每個設備進行固件下載的能力。這簡化了軟件、固件甚至FPGA圖象的配置管理過程，并且為機器進行插件更新或在這個領域安裝未知配置狀態(tài)的備用部件提供了一個有效方法。

    獲取實時節(jié)點信息的能力使得預言性維護、遠程診斷和維修體制能夠得到支持。如果節(jié)點是一個SynqNet放大器，所有的參數(shù)象溫度、故障和警告條件、配置、驅(qū)動電機和編碼器信息都可以遠程存取，由用戶應用程序以實時方式進行。

    運動系統(tǒng)的關鍵元件包括運動處理器、驅(qū)動器、輸入/輸出。日益增多的伺服驅(qū)動器提供商支持SynqNet，它們提供標準產(chǎn)品和定制產(chǎn)品、單軸和多軸、范圍從10W 到10KW的伺服驅(qū)動器。元件的可大范圍選擇提供了設計靈活性和保證了能從全球最主要的驅(qū)動器和電機供應商獲得具有競爭性的價格。