CN112462717A - 一种基于EtherCAT的高精度多轴时钟同步方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于EtherCAT的高精度多轴时钟同步方法，包括以下步骤：设置时间测量模块，开启时间测量模块，测量EtherCAT sync中断与应用层执行之间的时间，然后将上述测量的时间输入到时钟同步修正算法模块对时钟进行修正，通过时钟同步修正算法模块修正应用层时间，分别对各轴进行以上操作，最终使得所有轴应用层执行中断与EtherCAT同步中断执行间隔为固定值，以实现多轴时钟同步的效果。本发明不仅可以实现单轴伺服与主站的高精度时钟同步，也可实现轴与轴之间的同步，同步等级可达0.1us，大大提升多轴伺服的同步响应，提升控制精度。

Description

一种基于EtherCAT的高精度多轴时钟同步方法
技术领域
本发明涉及一种多轴时钟同步方法，尤其涉及一种基于EtherCAT的高精度多轴时钟同步方法，属于工业互联网多轴传动技术领域。
背景技术
随着工业技术的飞速发展，市场对伺服系统的需求越来越多，而总线伺服因其布线简单，通信速率高，数据吞吐量大，可实现位置/速度/转矩等高级控制等特点，被广泛应用在3C、工业机器人、智能工厂等行业。传统现场总线包括Profitbus-DP、CANopen等，这些传统现场总线通信效率低，通信周期长，很难满足高端运动控制的高同步性、高效高速等要求。
近年来，工业以太网技术取得较大发展，由于工业以太网是基于以太网的一种改造技术，因此其具有以太网的通信速率高，共享资源能力强，可持续发展潜力大的特点，工业以太网技术可以完美的解决传统现场总线存在的问题，因此工业以太网成了现在工业产品设计的一种趋势，基于EtherCAT的总线伺服系统就是一种集成工业以太网技术的伺服方案。
为了系统的同步，EtherCAT协定中有提供分散式时钟机制(DC)，即使通讯循环周期有抖动，时钟的抖动远小于1μs，大约接近IEEE 1588精密时间协议的标准。因此EtherCAT的主站设备不需针对时钟使用特殊的硬件，可以用软件实现在任何标准的以太网MAC，即使没有特殊的通讯协处理器也没有关系。
然而，虽然EtherCAT协议中提供了同步机制，但是各个EtherCAT从站与主站并不是使用的同源时钟，每个设备时钟都有微小差别，最终导致各个轴的同步性不一致，甚至与主站数据滑拍的情况，如图1所示，严重影响伺服的控制性能，导致在高精度轨迹控制中轨迹变形。
以上问题是每个EtherCAT伺服系统都需要面对的，如果不能很好的解决该问题，伺服性能将大打折扣，伺服也将无法应用在高精尖设备中，尤其是多轴传动场合，更是对同步性有严格的要求。
传统的解决方案是设置EtherCAT通信数据缓存(Pbuff)，当EtherCAT同步中断(sync)到达时，将相应的数据送入Pbuff，而不是直接传递给应用层处理，如此可防止EtherCAT sync中断对应用处理产生较大影响，减小通信周期波动带来的应用执行抖动，同时，若EtherCAT sync中断晚于应用中断产生，应用层将提前触发处理中断，数据从Pbuff获取，如图2所示。其中，Pbuff GET代表获取时间，Pbuff Append代表添加数据。
以上方法可以在单伺服使用上解决通信周期波动以及主从时钟不同源导致的通信不同步、数据滑拍等问题，然而此方法只能解决单轴的同步问题，在多轴应用上也仅仅只能解决抖动问题，无法实现多轴的高精度同步。
发明内容
为了解决上述技术所存在的不足之处，本发明提供了一种基于EtherCAT的高精度多轴时钟同步方法，其不仅可以实现单轴与主站的时钟同步，还可实现多轴与主站之间的同步，轴与轴之间的同步。
为了解决以上技术问题，本发明采用的技术方案是：一种基于EtherCAT的高精度多轴时钟同步方法，包括以下步骤：
设置时间测量模块，开启时间测量模块，测量EtherCAT sync中断与应用层执行之间的时间，然后将上述测量的时间输入到时钟同步修正算法模块对时钟进行修正，通过时钟同步修正算法模块修正应用层时间，分别对各轴进行以上操作，最终使得所有轴应用层执行中断与EtherCAT同步中断执行间隔为固定值，以实现多轴时钟同步的效果。
进一步地，设置时间测量模块是指：将MCU中的一个定时器时钟频率配置为大于10M，定时器配置成功之后，启动计数，具体的过程为：
定时器配置在MCU系统初始化中完成，系统初始化完成后，应用层中断周期扫描EtherCAT从站ESC状态，当ESC状态处于OP操作模式后，开始计数，当计数值大于通信次数N之后，开启时间测量模块。
进一步地，时间测量过程为：首先MCU系统检测EtherCAT sync中断，当sync中断到来后，系统获取定时器Timer的计数counter，记为Tstart；而后等待应用层执行中断，在执行中断中再次获取Timer的计数counter，记为Tstop；获取到两个时钟后，可得EtherCATsync中断与应用层中断的时间间隔为：
Toffset＝Tstop–Tstart。
进一步地，时间测量过程完成对EtherCAT同步中断sync与应用层中断之间运行的时间间隔测量后，得到测量时间Toffset，将Toffset传入时钟同步修正算法模块中，完成对时钟的修正。
进一步地，时钟同步修正算法模块的修正过程为：将Toffset与设置偏置常量Tconst比较，并始终保持Tconst–delta<Toffset<Tconst+delta，
其中，Tconst为期望设置的ethercat同步中断与应用层执行中断之间的间隔时间；delta为允许的时钟抖动容差，将delta设置为1则可实现0.1us的时钟抖动；
若Toffset>Tconst+delta，则说明应用层时钟快于EtherCAT同步中断，此时调整应用层时钟周期，令Tp＝Tp-1，Tp为应用层时钟，此步骤减缓应用层时钟，此时Toffset将会慢慢接近Tconst；
若Toffset<Tconst–delta，则说明应用层时钟慢于EtherCAT同步中断，此时调整应用层时钟周期，令Tp＝Tp+1，Tp为应用层时钟，此步骤加快应用层时钟，此时Toffset将会慢慢接近Tconst。
进一步地，多轴时钟同步是指：所有轴伺服均通过上述步骤不断迭代，最终每个轴的应用层与EtherCAT同步中断sync之间的时间间隔Toffset都将等于定值Tconst；当Toffset＝Tconst时，所有轴的应用层执行时间完全同步，从而实现多轴伺服的0.1us级别的高精度同步。
进一步地，时钟同步修正算法模块在应用层中周期执行，当EtherCAT主站时钟发生波动时，通过时钟同步修正算法模块进行修正。
本发明不仅可以实现单轴伺服与主站的高精度时钟同步，也可实现轴与轴之间的同步，同步等级可达0.1us，大大提升多轴伺服的同步响应，提升控制精度。
附图说明
图1为现有技术中各个轴同步性不一致的示意图。
图2为现有技术中设置通信数据缓存的结果示意图。
图3为本发明的控制方法流程图。
图4为本发明实施例一的多轴时钟同步效果图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
如图3所示的一种基于EtherCAT的高精度多轴时钟同步方法，包括以下步骤：
设置时间测量模块，开启时间测量模块，测量EtherCAT sync中断与应用层执行之间的时间，然后将上述测量的时间输入到时钟同步修正算法模块对时钟进行修正，通过时钟同步修正算法模块修正应用层时间，分别对各轴进行以上操作，最终使得所有轴应用层执行中断与EtherCAT同步中断执行间隔为固定值，以实现多轴时钟同步的效果。
设置时间测量模块是指：将MCU中的一个定时器时钟频率配置为大于10M，定时器配置成功之后，启动计数，例如，可以将定时器时钟频率配置为16M，此时定时器Timer的时间精度可达0.0625us，此时分辨率比设置需求分辨率0.1us大1.6倍，因此，配置满足设置需求。
具体的过程为：
定时器配置在MCU系统初始化中完成，系统初始化完成后，应用层中断周期扫描EtherCAT从站ESC状态，当ESC状态处于OP操作模式后，开始计数，当计数值大于通信次数N(N可进行设置，目的为等待主站通信周期稳定)之后，开启时间测量模块。
时间测量过程为：首先MCU系统检测EtherCAT sync中断，当sync中断到来后，系统获取定时器Timer的计数counter，记为Tstart；而后等待应用层执行中断，在执行中断中再次获取Timer的计数counter，记为Tstop；获取到两个时钟后，可得EtherCAT sync中断与应用层中断的时间间隔为：
Toffset＝Tstop–Tstart。
时间测量过程完成对EtherCAT同步中断sync与应用层中断之间运行的时间间隔测量后，得到测量时间Toffset，将Toffset传入时钟同步修正算法模块中，完成对时钟的修正。
时钟同步修正算法模块的修正过程为：将Toffset与设置偏置常量Tconst比较，并始终保持Tconst–delta<Toffset<Tconst+delta，
其中，Tconst为期望设置的ethercat同步中断与应用层执行中断之间的间隔时间；delta为允许的时钟抖动容差，将delta设置为1则可实现0.1us的时钟抖动；
若Toffset>Tconst+delta，则说明应用层时钟快于EtherCAT同步中断，此时调整应用层时钟周期，令Tp＝Tp-1，Tp为应用层时钟，此步骤减缓应用层时钟，此时Toffset将会慢慢接近Tconst；
若Toffset<Tconst–delta，则说明应用层时钟慢于EtherCAT同步中断，此时调整应用层时钟周期，令Tp＝Tp+1，Tp为应用层时钟，此步骤加快应用层时钟，此时Toffset将会慢慢接近Tconst。
多轴时钟同步是指：所有轴伺服均通过上述步骤不断迭代，最终每个轴的应用层与EtherCAT同步中断sync之间的时间间隔Toffset都将等于定值Tconst；当Toffset＝Tconst时，所有轴的应用层执行时间完全同步，从而实现多轴伺服的0.1us级别的高精度同步。
时钟同步修正算法模块在应用层中周期执行，当EtherCAT主站时钟发生波动时，通过时钟同步修正算法模块进行修正。
EtherCAT(以太网控制自动化技术)是一个开放架构，以以太网为基础的现场总线系统，其名称的CAT为控制自动化技术(Control Automation Technology)字首的缩写。EtherCAT是确定性的工业以太网，最早是由德国的Beckhoff公司研发。
自动化对通讯一般会要求较短的资料更新时间(或称为周期时间)、资料同步时的通讯抖动量低，而且硬件的成本要低，EtherCAT开发的目的就是让以太网可以运用在自动化应用中。
EtherCAT多轴伺服系统是一种基于EtherCAT通信的多合一伺服技术，其将原本分离的单个伺服轴组合一起，形成整体，这样不仅可以提高盘柜效率，也可缩小电柜体积，可广泛应用在机器人、3C等行业，是伺服系统发展的趋势。
下面结合实施例对本发明作进一步详细的说明。
实施例一：
一种基于EtherCAT的高精度多轴时钟同步方法，包括以下步骤：设置时间测量模块，开启时间测量模块，测量EtherCAT sync中断与应用层执行之间的时间，然后将上述测量的时间输入到时钟同步修正算法模块对时钟进行修正，通过时钟同步修正算法模块修正应用层时间，分别对各轴进行以上操作，最终使得所有轴应用层执行中断与EtherCAT同步中断执行间隔为固定值，以实现多轴时钟同步的效果。
采用上述方法，实测在10轴伺服系统中，每个轴的Toffset误差范围均在0.1us以内，实现了各个轴在0.1us内的高精度时钟同步，多轴时钟同步效果如图4所示。
上述实施方式并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的技术方案范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也均属于本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种基于EtherCAT的高精度多轴时钟同步方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：
设置时间测量模块，开启时间测量模块，测量EtherCAT sync中断与应用层执行之间的时间，然后将上述测量的时间输入到时钟同步修正算法模块对时钟进行修正，通过时钟同步修正算法模块修正应用层时间，分别对各轴进行以上操作，最终使得所有轴应用层执行中断与EtherCAT同步中断执行间隔为固定值，以实现多轴时钟同步的效果。
2.根据权利要求1所述的基于EtherCAT的高精度多轴时钟同步方法，其特征在于：所述设置时间测量模块是指：将MCU中的一个定时器时钟频率配置为大于10M，定时器配置成功之后，启动计数，具体的过程为：
定时器配置在MCU系统初始化中完成，系统初始化完成后，应用层中断周期扫描EtherCAT从站ESC状态，当ESC状态处于OP操作模式后，开始计数，当计数值大于通信次数N之后，开启时间测量模块。
3.根据权利要求2所述的基于EtherCAT的高精度多轴时钟同步方法，其特征在于：所述时间测量过程为：首先MCU系统检测EtherCAT sync中断，当sync中断到来后，系统获取定时器Timer的计数counter，记为Tstart；而后等待应用层执行中断，在执行中断中再次获取Timer的计数counter，记为Tstop；获取到两个时钟后，可得EtherCAT sync中断与应用层中断的时间间隔为：
Toffset＝Tstop–Tstart。
4.根据权利要求3所述的基于EtherCAT的高精度多轴时钟同步方法，其特征在于：所述时间测量过程完成对EtherCAT同步中断sync与应用层中断之间运行的时间间隔测量后，得到测量时间Toffset，将Toffset传入时钟同步修正算法模块中，完成对时钟的修正。
5.根据权利要求4所述的基于EtherCAT的高精度多轴时钟同步方法，其特征在于：所述时钟同步修正算法模块的修正过程为：将Toffset与设置偏置常量Tconst比较，并始终保持Tconst–delta<Toffset<Tconst+delta，
其中，Tconst为期望设置的ethercat同步中断与应用层执行中断之间的间隔时间；delta为允许的时钟抖动容差，将delta设置为1则可实现0.1us的时钟抖动；
若Toffset>Tconst+delta，则说明应用层时钟快于EtherCAT同步中断，此时调整应用层时钟周期，令Tp＝Tp-1，Tp为应用层时钟，此步骤减缓应用层时钟，此时Toffset将会慢慢接近Tconst；
若Toffset<Tconst–delta，则说明应用层时钟慢于EtherCAT同步中断，此时调整应用层时钟周期，令Tp＝Tp+1，Tp为应用层时钟，此步骤加快应用层时钟，此时Toffset将会慢慢接近Tconst。
6.根据权利要求1所述的基于EtherCAT的高精度多轴时钟同步方法，其特征在于：所述多轴时钟同步是指：所有轴伺服均通过上述步骤不断迭代，最终每个轴的应用层与EtherCAT同步中断sync之间的时间间隔Toffset都将等于定值Tconst；当Toffset＝Tconst时，所有轴的应用层执行时间完全同步，从而实现多轴伺服的0.1us级别的高精度同步。
7.根据权利要求4所述的基于EtherCAT的高精度多轴时钟同步方法，其特征在于：所述时钟同步修正算法模块在应用层中周期执行，当EtherCAT主站时钟发生波动时，通过时钟同步修正算法模块进行修正。
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