KR20150103561A - 이더캣 제어 장치 및 이를 포함하는 공장 자동화 시스템 - Google Patents

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KR20150103561A
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Abstract

본 발명의 하나의 실시형태에 따른 이더캣 제어 장치는 더미 ESC(EtherCat Slave Controller)를 포함하는 마스터(master) 및 상기 마스터와 이더캣 프로토콜에 따른 데이터 통신을 하는 제1 슬레이브(slave)를 포함하고, 상기 마스터는 상기 더미 ESC를 이용하여 상기 제1 슬레이브와 PTP(Precision Time Protocol) 방식에 따라 시간 동기를 맞춘다. 따라서, 상기 이더캣 제어 장치는 지터의 영향을 방지할 수 있기 때문에, 로봇과 고속 통신을 실행할 수 있다.

Description

이더캣 제어 장치 및 이를 포함하는 공장 자동화 시스템{EtherCAT CONTROL DEVICE AND FACTORY AUTOMATION SYSTEM HAVING THE SAME}
본 발명은 이더캣(EtherCAT) 제어 장치에 관한 것으로, 특히 마스터와 슬레이브 간에 시간 동기를 일치시킬 수 있는 이더캣 제어 장치 및 이의 구동 방법에 관한 것이다.
최근에는 통신기술의 발전과, 설치의 편리성 및 비용 절감 등의 이유로 네트워크를 통해 복수의 장치들을 서로 연결하여 동작시키고 있다. 복수의 장치들을 연결하는 네트워크들 중에서 이더캣(EtherCAT; Ethernet for Control Automation Technology) 네트워크는 산업용 이더넷의 한 종류로 빠른 데이터의 업데이트 기능을 가지면서 복수의 장치들 사이의 동기 제어가 가능하다. 일반적으로 이더캣 네트워크는 하나의 마스터 장치와 복수의 슬레이브 장치로 이루어진다.
본 발명의 목적은 마스터와 슬레이브 간의 시간 동기를 일치시킬 수 있는 이더캣 제어 장치를 제공하는데 있다.
본 발명의 다른 목적은 상기 이더캣 제어 장치를 포함하는 공장 자동화 시스템을 제공하는데 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 하나의 실시형태에 따른 이더캣 제어 장치는 더미 ESC(EtherCat Slave Controller)를 포함하는 마스터(master) 및 상기 마스터와 이더캣 프로토콜에 따른 데이터 통신을 하는 제1 슬레이브(slave)를 포함하고, 상기 마스터는 상기 더미 ESC를 이용하여 상기 제1 슬레이브와 PTP(Precision Time Protocol) 방식에 따라 시간 동기를 맞춘다.
실시 예로서, 상기 마스터와 상기 이더캣 프로토콜에 따른 데이터 통신을 하는 제2 슬레이브를 더 포함하고, 상기 제1 및 제2 슬레이브 각각은 ESC를 포함하고, 상기 제1 및 제2 슬레이브 각각은 각각의 ESC를 통하여 상기 PTP 방식에 따라 시간 동기를 맞출 수 있다.
실시 예로서, 상기 제1 슬레이브는 타임 마스터(time master)로 동작하고, 상기 마스터 및 상기 제2 슬레이브 각각은 타임 슬레이브(time slave)로 동작한다.
실시 예로서, 상기 제1 슬레이브는 로봇의 제1 축에 대응하는 모터를 제어하고, 상기 제2 슬레이브는 상기 로봇의 제2 축에 대응하는 모터를 제어한다.
실시 예로서, 상기 더미 ESC는 구동 준비 단계를 스스로 실행할 수 있고, 상기 구동 준비 단계는 초기화 단계, 안전 동작 단계, 프리 동작 단계 및 동작 단계를 포함한다.
실시 예로서, 상기 마스터는 운영체제(Operating System)에 따라 구동되는 CPU(Central Processing Unit)를 더 포함하고, 상기 운영체제는 RTOS(Real-time Operating System)를 포함하지 않는다.
실시 예로서, 상기 PTP 방식은 IEEE 1588로 규정된 프로토콜을 포함한다.
실시 예로서, 상기 마스터는 상기 더미 ESC의 구동 준비 단계를 실행하기 위한 DSP(Digital Signal Processor)를 더 포함한다.
실시 예로서, 상기 마스터는 마스터 클록을 생성하는 마스터 클록 생성기를 더 포함하고, 상기 마스터는 상기 마스터 클록에 동기되어 동작 명령을 상기 제1 또는 제2 슬레이브로 전송한다.
본 발명의 다른 하나의 실시형태에 따른 공장 자동화 시스템(Factory Automation System)은 제1 축에 제1 모터가 장착되고, 제2 축에 제2 모터가 장착된 로봇 및 상기 로봇을 제어하는 이더캣 제어 장치를 포함하고, 상기 이더캣 제어 장치는 더미 ESC(EtherCat Slave Controller)를 포함하는 마스터(master) 및 상기 마스터와 이더캣 프로토콜에 따른 데이터 통신을 하는 제1 슬레이브(slave)를 포함하고, 상기 마스터는 상기 더미 ESC를 이용하여 상기 제1 슬레이브와 PTP(Precision Time Protocol) 방식에 따라 시간 동기를 맞춘다.
실시 예로서, 상기 마스터와 상기 이더캣 프로토콜에 따른 데이터 통신을 하는 제2 슬레이브를 더 포함하고, 상기 제1 및 제2 슬레이브 각각은 ESC를 포함하고, 상기 제1 및 제2 슬레이브 각각은 각각의 ESC를 통하여 상기 PTP 방식에 따라 시간 동기를 맞출 수 있다.
실시 예로서, 상기 제1 슬레이브는 상기 마스터의 동작 명령에 응답하여 상기 제1 모터를 제어하고, 상기 제2 슬레이브는 상기 마스터의 동작 명령에 응답하여 상기 제2 모터를 제어한다.
실시 예로서, 상기 제1 슬레이브는 타임 마스터로 동작하고, 상기 마스터 및 상기 제2 슬레이브 각각은 타임 슬레이브로 동작한다.
실시 예로서, 상기 마스터는 상기 이더캣 제어 장치를 구동하기 위한 운영체제를 포함하는 중앙 처리 장치를 더 포함하고, 상기 운영체제는 RTOS를 포함하지 않는다.
실시 예로서, 상기 더미 ESC는 구동 준비 단계를 스스로 실행하며, 상기 구동 준비 단계는 초기화 단계, 안전 동작 단계, 프리 동작 단계 및 동작 단계를 포함한다.
본 발명의 실시 예에 따른 이더캣 제어 장치는 더미 ESC(dummy EtherCat Slave Controller)를 포함하고, 이를 통하여 마스터와 슬레이브 간에 시간 동기를 획득할 수 있다. 따라서, 이더캣 제어 장치는 1ms 동작에서 지터의 영향으로 인한 에러를 방지할 수 있다.
도 1은 일반적인 이더캣 제어 장치의 내부를 도시한 블록도이다.
도 2는 도 1에 도시된 이더캣 제어 장치에서 마스터와 슬레이브 간에 시간 동기를 맞추는 방법을 설명하기 위한 타이밍도이다.
도 3은 도 2에서 제시된 문제점을 설명하기 위한 개념도이다.
도 4은 본 발명의 실시 예에 따른 공장 자동화 시스템을 도시한다.
도 5은 도 4에 도시된 이더캣 제어 장치를 도시한 블록도이다.
도 6은 도 5에 도시된 제1 내지 제4 슬레이브 간에 동기화 과정을 설명하기 위한 도면이다.
도 7은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 이더캣 제어 장치를 도시한 블록도이다.
도 8은 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 이더캣 제어 장치를 도시한 블록도이다.
도 9a는 도 1에 도시된 이더캣 제어 장치의 실행 결과를 도시한 그래프이다.
도 9b는 도 5에 도시된 이더캣 제어 장치의 실행 결과를 도시한 그래프이다.
도 10은 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 이더캣 제어 장치를 도시한다.
본문에 개시되어 있는 본 발명의 실시 예들에 대해서, 특정한 구조적 내지 기능적 설명들은 단지 본 발명의 실시 예를 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로, 본 발명의 실시 예들은 다양한 형태로 실시될 수 있으며 본문에 설명된 실시 예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 안 된다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위로부터 이탈되지 않은 채 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 구성요소들 간의 관계를 설명하는 다른 표현들, 즉 "~사이에"와 "바로 ~사이에" 또는 "~에 이웃하는"과 "~에 직접 이웃하는" 등도 마찬가지로 해석되어야 한다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 개시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
한편, 어떤 실시 예가 달리 구현 가능한 경우에 특정 블록 내에 명기된 기능 또는 동작이 순서도에 명기된 순서와 다르게 일어날 수도 있다. 예를 들어, 연속하는 두 블록이 실제로는 실질적으로 동시에 수행될 수도 있고, 관련된 기능 또는 동작에 따라서는 상기 블록들이 거꾸로 수행될 수도 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예들을 설명한다.
도 1은 일반적인 이더캣 제어 장치의 내부를 도시한 블록도이다.
도 1를 참조하면, 이더캣 제어 장치(10)는 마스터(11)와 제1 내지 제4 슬레이브(21-24)를 포함한다. 마스터(11)는 제1 내지 제4 슬레이브(21-24) 각각으로 이더캣 프로토콜(EtherCAT protocol)에 따른 데이터를 전송할 수 있다. 또한, 마스터(11)는 제1 내지 제4 슬레이브(21-24) 각각으로부터 이더캣 프로토콜(EtherCAT protocol)에 따른 데이터를 수신할 수 있다. 제1 내지 제4 슬레이브(21-24) 각각은 로봇의 4개의 축 각각을 제어할 수 있다. 실시 예로서, 제1 내지 제4 슬레이브(21-24)가 도시되었으나, 슬레이브의 개수는 이에 한정되지 않는다.
마스터(11)는 이더캣 프로토콜(EtherCAT protocol)에 따라 데이터를 송수신할 수 있는 통신 장치(11a), 이더캣 제어 장치(10)를 운영하기 위한 오퍼레이팅 시스템(Operating System; OS)를 포함하는 CPU(Central Processing Unit; 11b),
동작 명령(CMD)을 제1 내지 제4 슬레이브(21-24)로 전송할 때 사용하기 위한 마스터 클록(M_CLK)을 발생하는 마스터 클록 회로(11c) 그리고 마스터 클록 회로(11c)에서 발생된 클록(CLK)을 이용하여 CPU(11b)에 인터럽트를 실행하는 로직 회로(Logic Circuit; 11d)를 포함한다.
실시 예로서, 통신 장치(11a)는 LAN(Local Area Network)으로 구현될 수 있다. 마스터 클록 회로(11c)는 ATMEGA AVR로 구현될 수 있다. 로직 회로(Logic Circuit; 11d)는 PCI9030으로 구현될 수 있다.
산업용 로봇은 각 축에 장착된 모터의 제어를 통하여 구동된다. 제1 내지 제4 슬레이브(21-24) 각각은 상기 각 축에 연결된 모터(motor)를 구동하기 위한 모터 드라이브(motor drive), 상기 모터 드라이브를 제어하기 DSP(digital signal processor) 그리고 이더캣 프로토콜에 따른 데이터를 송수신하기 위한 ESC(EtherCAT Slave Controller)를 포함한다. 이더캣 제어 장치(10)에서 마스터와 슬레이브 간에 시간 동기를 맞추는 방법은 도 2를 통하여 상세히 설명된다.
도 2는 도 1에 도시된 이더캣 제어 장치에서 마스터와 슬레이브 간에 시간 동기를 맞추는 방법을 설명하기 위한 타이밍도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 마스터 클록 회로(11c)는 500usec 주기를 가지는 마스터 클록(M_CLK)을 생성할 수 있다. CPU(11b)는 마스터 클록(M_CLK)의 주기를 보정하여 제1 내지 제4 슬레이브(21-24)와 시간 동기를 맞출 수 있다.
구체적으로, 마스터(11)는 마스터 클록(M_CLK) 중 짝수 번째 라이징 엣지(Rising Edge)에 동기되어 제1 내지 제4 슬레이브(21-24) 중 어느 하나로 동작 명령을 전송한다.
t1 시간에, 마스터(11)는 마스터 클록(M_CLK) 중 짝수 번째 라이징 엣지를 이용하여 제1 내지 제4 슬레이브(21-24) 중 어느 하나로 동작 명령(N)을 송신할 수 있다. 예를 들면, 제1 슬레이브(21)가 마스터(11)로부터 동작 명령(N)을 수신하는 경우, t2 시간에, 제1 슬레이브(21)는 마스터(11)로부터 동작 명령(N)을 수신한다. 그러나, 동작 명령(N)은 지터(jitter)에 의하여 짝수 번째 라이징 엣지(t1)로부터 t2 시간까지의 딜레이(즉, t2 - t1)를 가질 수 있다. 이 때, 제1 슬레이브(21)는 동작 명령을 받은 시간(t2)과 다음 슬레이브 싱크 시간(t3)의 차이(t3-t2)를 저장한다.
제1 슬레이브(21)는 ESC을 이용하여 1msec 주기의 ESC 클록 신호(ESC_CLK)를 생성할 수 있다. 제1 슬레이브(21)는 상기 저장한 시간 차(t3-t2)(즉, 동작 명령을 받은 시간(t2)와 다음 슬레이브 싱크 시간(t3) 간의 차이)를 다음 동작 명령(N+1)이 전송되는 동안, 마스터(11)로 전송한다.
마스터(11)는 시간 차(즉, t3-t2)의 크기가 500usec로 일정하게 유지되게 하기 위하여 마스터 클록(M_CLK)의 주기를 늘리거나 줄일 수 있다. 이를 통하여, 마스터(11)는 마스터 클록(M_CLK)과 제1 슬레이브(21)의 기준 시간인 ESC 클록(ESC_CLK) 사이에 시간 동기를 맞출 수 있다. 따라서, 이더캣 제어 장치(10)는 지터의 영향을 제거할 수 있다.
도 3은 도 2에서 제시된 문제점을 설명하기 위한 개념도이다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 도 2를 통하여 설명된 마스터(11)와 제1 슬레이브(21) 간의 시간 동기 방법은 약 600usec의 타이밍 지터를 가질 수 있다. 이 경우, 16msec 주기를 가지는 마스터와 슬레이브 간의 통신에서는 문제가 되지 않았다. 그러나, 최근 고속/정밀 제어를 위하여 마스터와 슬레이브 간의 통신 주기가 1msec으로 단축되고 있다. 이 경우, 지터의 인한 문제를 해결하기 위하여 도 2에서 제시된 방법은 사용할 수 없는 문제가 발생된다.
예를 들면, 제1 슬레이브(21)가 마스터(11)로부터 동작 명령(N)을 수신하는 경우, 마스터(11)는 동작 명령(N)의 전송이 늦어지면, 이를 수신하는 제1 슬레이브(21)는 동작 수행 이전에 상기 동작 명령(N)을 수신하지 못하기 때문에, 로봇의 모터 동작에 문제가 발생할 수 있다.
도 4은 본 발명의 실시 예에 따른 공장 자동화 시스템을 도시한다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 공장 자동화 시스템(1000)은 이더캣 제어 장치(EtherCat Control Device; 100) 및 산업용 로봇(Industrial Robot; 101)을 포함한다.
산업용 로봇(101)은 각각의 축에 장착된 모터의 구동을 통하여 동작할 수 있다. 이더캣 제어 장치(100)는 각각의 축에 장착된 모터를 제어할 수 있다. 실시 예로서, 이더캣 제어 장치(100)는 이더캣 프로토콜에 따라 산업용 로봇(101)의 모터를 제어할 수 있다. 이더캣 제어 장치(100)는 도 5를 통하여 상세히 설명된다.
도 5은 도 4에 도시된 이더캣 제어 장치를 도시한 블록도이다.
도 4 및 도 5를 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 이더캣 제어 장치(100)는 마스터(110)와 제1 내지 제4 슬레이브(121-124)를 포함한다. 마스터(110)는 제1 내지 제4 슬레이브(121-124) 각각으로 이더캣 프로토콜(EtherCAT protocol)에 따른 데이터를 전송할 수 있다. 또한, 마스터(110)는 제1 내지 제4 슬레이브(121-124) 각각으로부터 이더캣 프로토콜에 따른 데이터를 수신할 수 있다. 제1 내지 제4 슬레이브(121-124) 각각은 산업용 로봇(101)의 각 축에 장착된 모터를 제어할 수 있다. 실시 예로서, 제1 내지 제4 슬레이브(121-124)가 도시되었으나, 슬레이브의 개수는 이에 한정되지 않는다.
마스터(110)는 더미(dummy) ESC(111), CPU(112) 그리고 통신 장치(113)를 포함한다. 더미 ESC(111)는 제1 내지 제4 슬레이브(121-124) 각각에 포함된 ESC와 동일한 ESC로 구현될 수 있다. ESC는 시계 기능을 포함한다.
일반적으로, 제1 내지 제4 슬레이브(121-124) 각각은 각각의 ESC를 통하여 PTP(Precision Time Protocol) 방식에 따라 시간 동기를 맞출 수 있다. 예를 들면, 제1 슬레이브(121)를 타임 마스터(time master)로 동작하면, 나머지 제2 내지 제4 슬레이브(122-124) 각각은 타임 슬레이브(time slave)로 동작한다. PTP 방법은 도 6를 통하여 상세히 설명된다.
마스터(110)와 제1 내지 제4 슬레이브(121-124) 간에 시간 동기를 맞추기 위하여, 마스터(110)는 타임 슬레이브로 동작한다. 즉, 마스터(110)는 타임 마스터로 동작하는 슬레이브와 PTP(Precision Time Protocol) 방식에 따라 시간 동기를 맞출 수 있다. 타임 마스터와 복수의 타임 슬레이브들 간의 시간 동기는 PTP 방법을 이용하여 실행된다.
일반적으로, ECS는 정상적인 동작을 수행하기 위하여 구동 준비 단계를 실행해야 한다. 상기 구동 준비 단계는 초기화를 위한 초기화 단계, 통신 준비를 위한 안전 동작 단계, 리드 동작 확인을 위한 프리 동작 단계 및 라이트 동작 확인을 위한 동작 단계를 포함한다. 더미 ESC(111)는 스스로 구동 준비 단계를 실행할 수 있다.
또한, 더미 ESC(111)가 구동 준비 단계를 실행하기 위하여, 별도의 칩(예를 들면, DSP(Digital Signal Processor))이 장착될 수 있다. 이러한 실시 예는 도 7을 통하여 설명된다.
CPU(112)는 통신 장치(113)를 통하여 제1 내지 제4 슬레이브(121-124) 간의 데이터 통신을 할 수 있다. 실시 예로서, 통신 장치(113)는 LAN(Local Area Network)을 포함할 수 있다. CPU(112)와 통신 장치(113)는 PCI(Peripheral Component Interconnect) 버스를 통하여 연결될 수 있다. 더미 ESC(111)와 통신 장치(113)는 이더캣으로 연결될 수 있다.
제1 내지 제4 슬레이브(21-24) 각각은 로봇(101)을 동작시키는 모터(motor)를 구동하기 위한 모터 드라이브(motor drive), ESC의 구동 동작 단계를 수행하고, 상기 모터 드라이브를 제어하기 DSP(digital signal processor)을 더 포함할 수 있다.
일반적으로, 리얼 타임 오퍼레이팅 시스템(Real-time Operating System; RTOS)으로 운영되는 마스터는 정확한 시계 기능을 포함하고 있다. 이를 이용하여, 마스터는 복수의 슬레이브들 간에 시간 동기를 맞출 수 있다.
그러나, 마스터(110)가 리얼 타임이 보장되지 않는 오퍼레이팅 시스템을 포함하는 경우, 도 2에 도시된 바와 같은 방법으로 마스터(110)와 제1 내지 제4 슬레이브(121-124) 간에 시간 동기를 맞출 수 있다. 이 경우, 마스터(110)와 제1 내지 제4 슬레이브(121-124) 간의 데이터 통신을 위한 클록 주기가 1ms인 경우, 타이밍 마진(timing margin)이 적기 때문에, 마스터와 슬레이브 간에 데이터 통신은 지터의 영향을 받을 수 있다.
이를 해결하기 위하여, 마스터(110)는 더미 ESC(111)를 통하여 타임 마스터로 동작하는 제1 슬레이브(121) 사이에 시간 동기를 맞출 수 있다. 이를 통하여, 더미 ESC(111)의 ESC 클록(ESC_CLK)과 제1 슬레이브(121) ESC 클록(ESC_CLK) 사이의 시간 동기는 일치할 것이다. 마스터(110)는 시간 동기를 획득한 ESC 클록(ESC_CLK)에 동기되어 동작 명령을 제1 내지 제4 슬레이브(121-124) 중 어느 하나로 전송할 수 있다.
도 6은 도 5에 도시된 제1 내지 제4 슬레이브 간에 동기화 과정을 설명하기 위한 도면이다.
도 5 및 도 6를 참조하면, 제1 내지 제4 슬레이브(121-124) 간에 동기화 과정에서, 제1 슬레이브(21)는 타임 마스터(time master)로 동작하고, 제2 내지 제4 슬레이브(22-24) 각각은 타임 슬레이브(time slave)로 동작한다. 실시 예로서, 제1 내지 제4 슬레이브(121-124) 간에 동기화 과정은 PTP(Precision Time Protocol)라 불리는 방법을 포함한다. PTP는 IEEE 1588로 규정된 프로토콜을 사용한다.
예를 들면, 제1 슬레이브(121)는 타임 마스터로 동작하고, 제2 슬레이브(122)는 타임 슬레이브로 동작한다. 제1 및 제2 슬레이브(121-122) 각각은 ESC를 포함하고 있기에, 고유한 시계를 가지고 있다. 타임 마스터인 제1 슬레이브(121)가 가진 시계를 마스터 타임(master time)이라 하고, 타임 슬레이브인 제2 슬레이브(122)가 가진 시계를 슬레이브 타임(slave time)이라 한다.
마스터 타임 50에서 타임 마스터는 타임 슬레이브로 싱크 메시지(Sync message)를 전송한다. 타임 슬레이브는 슬레이브 타임 32에서 상기 싱크 메시지를 수신한다. 만약 통신 오버헤드(overhead)가 0이라고 가정하면, 타임 슬레이브는 마스터 타임과 슬레이브 타임 간에는 18이라는 시간 차이가 존재함을 확인할 수 있다.
이러한 시간 차이의 정확도를 높이기 위하여, 타임 마스터는 상기 싱크 메시지와 1이라는 시간 차이를 두고 팔로우업 메시지(follow-up message)를 타임 슬레이브로 전송한다. 타임 슬레이브는 슬레이브 타임에서 18이라는 시간 차이를 보정한다. 즉, 타임 슬레이브는 18이라는 시간 차이를 보정하여 슬레이브 타임 51에서 팔로우-업 메시지를 수신한다.
통신 오버헤드 시간을 측정하기 위하여 타임 슬레이브는 슬레이브 타임 54에서 타임 마스터로 딜레이 리퀘스트 메시지(delay request message)를 전송한다. 타임 마스터는 상기 딜레이 리퀘스트 메시지를 수신하고, 즉시 타임 슬레이브로 딜레이 리스폰스 메시지(delay response message)를 전송한다. 타임 슬레이브는 슬레이브 타임 58에서 상기 딜레이 리스폰스 메시지를 수신한다. 타임 마스터에서 상기 딜레이 리퀘스트 메시지를 받고, 즉시 상기 딜레이 리스폰스 메시지를 전송하는 시간을 무시하면, 통신 오버헤드는 4(즉, 58-54)이다. 통신 오버헤드를 반으로 나누면, 단방향 오버헤드가 된다. 따라서, 타임 슬레이브는 단방향 오버헤드 2를 추가하여 타임 슬레이브의 슬레이브 타임을 61에서 63으로 보정한다.
슬레이브들 간의 시간 동기 방법은 슬레이브들 각각이 가지고 있는 ESC를 이용한다. 또는, 리얼 타임 운영체제(Real Time Operating System; RTOS)를 포함하는 마스터는 ESC와 유사한 기능을 수행할 수 있다. 그러나, 도 5에 도시된 마스터(110)가 리얼 타임을 보장하지 못하는 경우, 슬레이브들 간에 시간 동기를 맞추는 방법을 사용할 수 없다. 이러한 문제를 해결하기 위하여, 마스터(110)는 더미 ESC(111)를 포함할 수 있다.
즉, 본 발명의 실시 예에 따른 이더캣 제어 장치(100)는 마스터(110)와 제1 내지 제4 슬레이브(121-124) 간에 시간 동기를 맞추기 위해 슬레이브들 간에 적용하는 PTP 방법을 마스터와 슬레이브 간에 적용한다.
제1 내지 제4 슬레이브(121-124) 간에 시간 동기를 맞추는 과정에서, 마스터(110)는 더미 ESC(111)를 이용하여 타임 슬레이브로 동작한다. 즉, 제1 슬레이브(121)가 타임 마스터로 동작하면, 제2 내지 제4 슬레이브(122-124) 그리고 마스터(110)는 타임 슬레이브로 동작한다. 상술한 PTP 방법을 통하여 마스터(110)는 제1 내지 제4 슬레이브(121-124)와 시간 동기를 맞출 수 있다.
도 7은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 이더캣 제어 장치를 도시한 블록도이다.
도 7을 참조하면, 도 7에 도시된 이더캣 제어 장치(200)는 마스터(210)의 DSP(212)를 제외하고, 도 5에 도시된 이더캣 제어 장치(100)와 동일한 구성을 포함한다. 마스터(210)는 더미 ESC(211)의 구동 준비 단계를 실행하기 위한 DSP(212) 를 더 포함할 수 있다.
DSP(212)는 더미 ESC(211)의 구동 준비 동작인 초기화를 위한 초기화 단계, 통신 준비를 위한 안전 동작 단계, 리드 동작 확인을 위한 프리 동작 단계 및 라이트 동작 확인을 위한 동작 단계를 실행할 수 있다.
도 8은 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 이더캣 제어 장치를 도시한 블록도이다.
도 8을 참조하면, 도 8에 도시된 이더캣 제어 장치(300)는 마스터(310)의 마스터 클록 생성기(312)를 제외하고, 도 5에 도시된 이더캣 제어 장치(100)와 동일한 구성을 포함한다.
마스터(310)는 마스터 클록(M_CLK)를 생성하기 위한 마스터 클록 생성기(312)를 더 포함할 수 있다.
도 9a는 일반적인 이더캣 제어 장치에 의한 싱크 지터를 도시한 그래프이다.
도 1, 도 2 및 도 9a를 참조하면, 가로축은 시간을 나타내고, 세로축은 시간 차를 나타낸다. 시간 차는 도 2에 도시된 (t3 - t2)를 의미한다.
도 1에 도시된 이더캣 제어 장치(10)에 의한 지터는 싱크 클록에 의한 지터(즉, t2-t1)(0.5usec), OS에 의한 지터(약 150usec)와 통신 장치(11a)에 의한 지터(약 150usec)를 합한 약 300usec이다. 토탈 지터의 양에서 싱크 클록에 의한 지터는 매우 작다.
도 9b는 본 발명의 실시 예에 따른 이더캣 제어 장치에 의한 싱크 지터를 도시한 그래프이다.
도 5 및 도 9b를 참조하면, 가로축은 시간을 나타내고, 세로축은 시간 차를 나타낸다.
본 발명의 실시 예에 따른 이더캣 제어 장치(100)에 의한 지터는 싱크 클록에 의한 지터(0.5usec), OS에 의한 지터(약 25usec)와 통신 장치(113)에 의한 지터(약 25usec)를 합한 약 50usec이다. 마스터와 슬레이브 간에 PTP 방법을 적용한 결과 토탈 지터의 양은 감소하였다.
도 10은 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 이더캣 제어 장치를 도시한다.
도 5 및 도 10을 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 이더캣 제어 장치(400)는 하나의 마스터 장치(410)와 제1 및 제2 슬레이브 그룹(420-430)을 포함할 수 있다. 실시 예로서, 이더캣 제어 장치(400)는 두 개의 슬레이브 그룹을 포함하도록 도시되었으나, 이에 한정되지는 않을 것이다.
제1 및 제2 슬레이브 그룹(420-430) 각각은 복수의 슬레이브들을 포함할 수 있다. 예를 들면, 제1 슬레이브 그룹(420)는 도 5에 도시된 제1 내지 제4 슬레이브(121-124)를 포함할 수 있다.
마스터 장치(410)와 제1 슬레이브 그룹(420)은 이더넷 케이블(EtherNet Cable)로 연결될 수 있다. 또한, 제1 슬레이브 그룹(420)과 제2 슬레이브 그룹(430)은 이더넷 케이블로 연결될 수 있다.
마스터 장치(410)는 이더넷 케이블을 통하여 제1 또는 제2 슬레이브 그룹(420-430)으로 동작 명령을 전송할 수 있다. 실시 예로서, 마스터 장치(410)은 도 5에 도시된 마스터(110)로 구현될 수 있다.
본 발명은 도면에 도시된 일 실시 예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시 예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 등록청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.
본 발명은 이더캣 제어 장치 및 이를 포함하는 공장 자동화 시스템(Factory Automation System)에 적용이 가능할 것이다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시 예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
100, 200, 300, 400 : 이더캣 제어 장치
110 : 마스터
111 : 더미 ESC
112 : CPU
113 : 통신 장치
121 : 제1 슬레이브
122 : 제2 슬레이브
123 : 제3 슬레이브
124 : 제4 슬레이브
1000 : 공장 자동화 시스템

Claims (10)

  1. 더미 ESC(EtherCat Slave Controller)를 포함하는 마스터(master); 및
    상기 마스터와 이더캣 프로토콜에 따른 데이터 통신을 하는 제1 슬레이브(slave)를 포함하고,
    상기 마스터는 상기 더미 ESC를 이용하여 상기 제1 슬레이브와 PTP(Precision Time Protocol) 방식에 따라 시간 동기를 맞추는 이더캣 제어 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 마스터와 상기 이더캣 프로토콜에 따른 데이터 통신을 하는 제2 슬레이브를 더 포함하고,
    상기 제1 및 제2 슬레이브 각각은 ESC를 포함하고,
    상기 제1 및 제2 슬레이브 각각은 각각의 ESC를 통하여 상기 PTP 방식에 따라 시간 동기를 맞출 수 있는 이더캣 제어 장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 제1 슬레이브는 타임 마스터(time master)로 동작하고,
    상기 마스터 및 상기 제2 슬레이브 각각은 타임 슬레이브(time slave)로 동작하는 이더캣 제어 장치.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 제1 슬레이브는 로봇의 제1 축에 대응하는 모터를 제어하고,
    상기 제2 슬레이브는 상기 로봇의 제2 축에 대응하는 모터를 제어하는 이더캣 제어 장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 더미 ESC는 구동 준비 단계를 스스로 실행할 수 있고,
    상기 구동 준비 단계는 초기화 단계, 안전 동작 단계, 프리 동작 단계 및 동작 단계를 포함하는 이더캣 제어 장치.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 마스터는 운영체제(Operating System)에 따라 구동되는 CPU(Central Processing Unit)를 더 포함하고,
    상기 운영체제는 RTOS(Real-time Operating System)를 포함하지 않는 이더캣 제어 장치.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 PTP 방식은 IEEE 1588로 규정된 프로토콜을 포함하는 이더캣 제어 장치.
  8. 제1 축에 제1 모터가 장착되고, 제2 축에 제2 모터가 장착된 로봇; 및
    상기 로봇을 제어하는 이더캣 제어 장치를 포함하고,
    상기 이더캣 제어 장치는,
    더미 ESC를 포함하는 마스터; 및
    상기 마스터와 이더캣 프로토콜에 따른 데이터 통신을 하는 제1 슬레이브를 포함하고,
    상기 마스터는 상기 더미 ESC를 이용하여 상기 제1 슬레이브와 PTP 방식에 따라 시간 동기를 맞추는 공장 자동화 시스템(Factory Automation System).
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 마스터와 상기 이더캣 프로토콜에 따른 데이터 통신을 하는 제2 슬레이브를 더 포함하고,
    상기 제1 및 제2 슬레이브 각각은 ESC를 포함하고,
    상기 제1 및 제2 슬레이브 각각은 각각의 ESC를 통하여 상기 PTP 방식에 따라 시간 동기를 맞출 수 있는 공장 자동화 시스템.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 제1 슬레이브는 상기 마스터의 동작 명령에 응답하여 상기 제1 모터를 제어하고,
    상기 제2 슬레이브는 상기 마스터의 동작 명령에 응답하여 상기 제2 모터를 제어하는 공장 자동화 시스템.
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