KR20170132737A - 모션 관련 제어 시스템을 위한 중앙집중형 네트워크 연결된 토폴로지 - Google Patents

모션 관련 제어 시스템을 위한 중앙집중형 네트워크 연결된 토폴로지 Download PDF

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KR20170132737A
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에얄 사피르
레이첼 더쉬
쉬 지아 친
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아지토 모션 시스템즈 엘티디
아크리비스 시스템즈 피티이 엘티디
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Abstract

시스템 아키텍처로서 복수의 원격 유닛을 갖는 중앙집중형 토폴로지를 이용하는 중앙집중형 네트워크 모션 제어기(10)를 배열하는 방법으로서, 상기 방법은 (i) 동기화된 메시지를 이용해, 모든 시스템 및 축 데이터를 처리 유닛으로 제공하는 단계 - 제어 샘플링율에 따라 데이터가 업데이트되고 모든 데이터 아이템이 각각의 원격 유닛으로부터 이용 가능함 - , (ii) 중앙집중형 처리 유닛이 거동 제어 및 다중 축 프로파일링 및 위치, 속도 및 전류 같은 모션 제어를 수행하는 단계, (iii) 중앙집중형 처리 유닛(10)으로부터 동기화된 메시지가 사용되어 타이밍을 설정하고 모든 유닛의 연속 동기화를 유지하며, 희망 저 레벨 명령어를 원격 유닛으로 전달하는 단계를 포함하는, 중앙집중형 네트워크 모션 제어기를 배열하는 방법.

Description

모션 관련 제어 시스템을 위한 중앙집중형 네트워크 연결된 토폴로지
본 발명은 모션 제어 시스템과 관련되며, 더 구체적으로 토폴로지의 배열, 및 중앙집중 처리 유닛과 복수의 원격 분산 슬레이브 주변장치 간 통신을 위한 방법 및 장치와 관련된다.
종래 기술에서, 모션 제어를 위한 여러 다른 시스템이 제안되었고 상업적 용도로 배치된 바 있다. 모션 제어 스킴이 진화하여 지난 수십 년 동안 하나의 패러다임에서 또 다른 패러다임으로 변화했다. 성능, 신뢰성 및 비용이 이러한 변화에 영향을 미치는 메인 구동 요인이 되어왔다. 이러한 변하는 시스템에 대한 특징을 3개의 카테고리로 나눌 수 있다.
그 첫 번째이자 종래 기술에서 제안된 가장 오래된 패러다임이 도 1에 도시된 중앙집중 모션 제어 스킴이다. 이 구현예는 개별 성형 토폴로지를 보여주며, 여기서, 모션 제어 시스템의 맥락에서 마스터 제어기라고 알려진 중앙 유닛이 이 맥락에서 축 또는 드라이브라고 지칭될 복수의 원격 슬레이브 유닛에 연결된다. 마스터 제어기는 위치와 속도 모두 측면에서 축들에 대한 가시성(visibility)을 가질 수 있어서, 마스터 제어기에 연결된 모든 축들 간 동기화를 가능하게 할 것이다. 이 결과로, 이 특정 구현예가 모터 및 시스템 특성의 우수한 제어를 유지할 것이다. 이는 특히 복수의 이동 축 간 정밀한 조화(coordination)를 필요로 하는 시나리오에서 고성능을 요구하는 시스템을 위해 일반적으로 선택되는 방법이다. 그러나 모든 시스템 신호(피드백, 증폭기 명령어, 입/출력)가 중앙집중형 모션 제어기에 직접 연결될 필요가 있기 때문에 이러한 시스템은 유연하지 않은 경향이 있다. 이는 전체 시스템의 설치, 유지관리 및 실질적으로 신뢰성 측면에서 어려움을 발생시킨다.
또한 종래 기술에서 언급된 시스템에서, 전류 제어 메커니즘이 원격 슬레이브 유닛에 의해 수행되는 작업이며, 따라서 시스템의 전체 제어 메커니즘에 대해 마스터 제어기와 이의 원격 슬레이브 유닛들 간 밀접한 연결을 야기한다. 더 구체적으로, 마스터 제어기에 의해 각각의 드라이브의 위치 및 속도가 디지털 방식으로 제어되고 작동되는데, 이때 일반적으로 전류 제어는 원격 슬레이브 유닛의 아날로그 회로에 의해 구현된다. 이로부터, 마스터 제어기의 관점에서, (모터를 움직이기 위한 힘을 가하는 직접 요소인) 모터에 가해지는 전류가 관찰될 수 없고 따라서 제어될 수 없으며, 최종 제어가 원격 슬레이브 유닛에 완전히 종속적임으로써, 제안되는 시스템의 매우 강직된 시행이 초래됨을 알 수 있다.
중앙집중형 제어 방법의 또 다른 형태가 종래 기술에서 제안된 펄스 및 방향을 통한 것이며, 여기서, 모션 제어기는 궤적을 계산하고 펄스 및 방향 명령어를 통해 각각의 드라이브와 통신하기 위한 본질적으로 베히클(vehicle)에 불과하다. 이 토폴로지는, 복잡한 동작을 수행할 수 있는 능력, 가령, 위치, 속도 및 전류 루프 제어를 저절로 수행할 수 있는 능력을 갖는 지능형 슬레이브 드라이브를 가짐으로써, 구현된다.
이러한 유형의 시스템은 설치하기 용이하고 물리적 케이블링 측면에서 유연성이 있음으로써, 더 높은 신뢰성 및 마스터 제어기에 대한 비용 절감을 야기한다.
그러나 이러한 시스템은 조화된 모션을 위한 복수의 축들 간 낮은 동기성이 동반되는 낮은 성능과 드라이브 모터 거동의 낮은 제어와 타협해야 한다. 덧붙여, 마스터 제어기와 이의 복수의 연결된 슬레이브 유닛 간 통신이 원시적(primitive)이다. 따라서 이로 인해, 경우 특정적인 제어 알고리즘을 미세 튜닝하거나 구현할 수 있는 능력을 갖지 않음으로써 발생하는 한계가 있고, 시스템의 입도(granularity)가 타 토폴로지보다 더 성기다(coarser).
종래 기술에 의해 제안된 또 다른 시스템이 분산 제어이다. 마스터 제어기는 일부 형태의 표준 통신 프로토콜, 가령, CANOpen 또는 EtherCat을 통해 지능형 드라이브와 통신할 수 있는 네트워크 연결된 장치의 형태로서 구현된다.
또한, 지능형 드라이브가 각각의 통신 사이클 동안 마스터 제어기가 요청한 모든 관련 정보, 가령, 위치, 속도, 속도 명령어, 전류, 전류 명령어 등을 알림으로써 마스터 제어기와 통신한다. 마스터 제어기는 감독 제어를 제시하기 위한 옵션을 가짐으로써, 슬레이브 유닛에게 어떻게 거동할지를 알릴 수 있고, 슬레이브 유닛이 관련 작업을 수행할 수 있을 것임을 가정하거나 각각의 통신 사이클의 지속시간만큼 슬레이브 유닛을 제한된 방식으로 명쾌하게 제어할 수 있다.
이 아키텍처의 토폴로지는 데이지 체인 네트워크를 이용한 것이다. 네트워크 제어기가 하나의 슬레이브 드라이브/모듈에 연결될 것이며 예를 들어 다음과 같이 각각의 다음번 슬레이브 드라이브/모듈이 잇따라 연쇄 연결될 것이다: 마스터-슬레이브 A, 슬레이브 A-슬레이브 B, 슬레이브 B-슬레이브 C 등.
이 프로포지션은 더 큰 유연성, 연결될 수 있는 더 많은 수의 축, 및 단순화된 케이블링 레이아웃을 가능하게 하는 솔루션을 제시한다. 그러나 이 솔루션은 마스터와 슬레이브 유닛 간 통신 프로토콜의 내재적 속성인 통신 사이클로부터의 병목 현상 때문에 복수의 축의 조화와 관련하여 낮은 성능을 단점으로 가진다. 추가로, 이러한 통신 사이클이 시스템에 연결된 슬레이브 유닛의 수의 증가에 따라 대응하여 증가할 수 있다.
증가된 복잡도 및 슬레이브 유닛의 지능 때문에, 이러한 시스템의 구현에 포함되는 추가 비용이 복합화될 것이다. 산업 또는 상업적 적용예에 적합하기에 충분히 높은 신뢰도 또는 정확도를 가지면서, 다중-축 동작의 관점에서 신호의 캡처 또는 트리거를 필요로 하는 작업을 수행하는 것이 또한 매우 어렵거나 심지어 불가능하다.
성능, 단순성, 신뢰성, 제조가능성, 유연성, 안전, 및 비용에 대한 요인을 고려할 때 이러한 기존의 세 가지 토폴로지 각각은 각자 이점과 단점을 가진다.
또한, 이는 종래 기술에서 나타난 이들 3개의 메인 패러다임의 핵심 개념을 하이브리드 아키텍처의 형태로 병합하는 것을 제한하지 않는다. 이러한 제안된 종래 기술 중에, 한 가지 주목할만한 하이브리드가 SyngNet 아키텍처에서 나타난 고리형 또는 데이지 체인 토폴로지를 이용한 중앙집중 모션 제어이다.
중앙 제어기에 의해 위치 및 속도 제어가 수행되고, 이의 슬레이브 드라이브에 의해 전류 제어가 핸들링된다. 동시에, 중앙 제어기는 디지털 정보를 통해 전류 명령어의 정보를 슬레이브 노드로 전송하는 네트워크 연결된 장치이며 위치 및 속도에 대한 피드백 정보가 슬레이브 드라이브로부터 동일한 방식으로 중앙 제어기로 다시 통신된다.
최종 토폴로지가 중앙 모션 제어 토폴로지의 가장 빠른 응답을 차용하고, 복수의 드라이브 간 매우 높은 동기성을 가능하게 하며 동시에 위치, 속도, 입/출력과 관련된 드라이브의 피드백이 디지털 통신의 형태로 전송되기 때문에 복수의 케이블과 비교할 때 배선의 복잡도가 상당히 감소된다.
그러나 이 시스템은, 각각의 드라이브가 데이지 체인 방식으로 서로 연결되기 때문에 각각의 드라이브 간 심각한 종속성이 존재할 때 모든 드라이브들 간 동기성을 획득함에 있어 내생적 복잡도로 인해, 난이도의 상당한 증가와 강건하고 신뢰할만한 시스템을 구현하는 것의 장애물과 절충되어야 한다.
상기의 내용을 고려하면, 제안된 발명의 목적은 토폴로지의 배열 및 중앙집중형 마스터 유닛과 이의 원격 분산 슬레이브 주변장치 간 통신을 위한 개선된 방법 및 장치를 제공하는 것이다. 제안되는 해결책은 기존 방법의 모든 이점을 포함하고, 이들의 단점 중 대부분을 제거하여, 성능을 더 높이고, 신뢰성을 더 높이며, 및 제조 비용을 더 낮춘다.
상기 내용은 중앙집중형 토폴로지를 시스템 아키텍처의 백본(backbone)으로서 이용하는 본 발명에 의해 달성되는 목적들 중 하나이다. 이 구현예는 디지털 통신 프로토콜의 형태를 이용함으로써 마스터 유닛과 슬레이브 유닛 간 또는 복수의 슬레이브 유닛 간에 정보를 전달한다.
더 구체적으로, 원격 유닛으로부터의 정보를 마스터 제어기로 다시 전달하는 데 디지털 메시지가 사용되는 분산 제어로부터 양태가 설명된다. 제안된 솔루션에서 제시되는 통신 프로토콜은 Akribis-Agito에 의해 설계된 사설 기반 직렬, 반이중 통신이다.
제안된 솔루션은 표준화되고 경제적으로 이용 가능한 케이블을 이용하여, 통신 프로토콜을 통해 디지털 정보를 전달(relay)함으로써, 시스템이 매우 높은 데이터 전송률을 획득할 수 있게 하는, 마스터 제어기에 연결된 단순하고 신뢰할만한 원격 유닛의 형태로 인해 유연성이 발생하는 신규한 접근법을 제시한다.
통신 프로토콜의 또 다른 측면은 매우 높은 데이터율에서의 통신을 가능하게 할 뿐 아니라 전송되는 데이터의 신뢰성을 보장하는 에러 검출 및 교정 알고리즘의 구현이다. 교정 수단에 의해, 전송된 정보를 인코딩함으로써, 이러한 형태의 통신이 노이즈와 관련하여 훨씬 더 높은 공차를 허용할 것이다.
또한, 본 발명의 토폴로지가 성형 레이아웃(star layout)일 것인데, 여기서, 마스터 제어기가 슬레이브 유닛 또는 복수의 슬레이브 유닛에 개별적으로 연결된다. 본 발명은 각각의 원격 유닛의 모든 계산을 마스터 제어기로 통합시킬 뿐 아니라 각각의 원격 유닛의 모든 상태에 대한 완전한 가시성(visibility)을 가진다는 개념을 제공하며, 또한 이로 인해, 구조적 관점에서의 결집성이 더 높아진다.
본 발명에서 존재하는 이러한 기본적인 동작을 분리함으로써, 본 발명은 마스터 제어기에 연결된 슬레이브 유닛의 유형의 종속도를 낮추며, 이로써, 차후 확장의 편의 및 복수의 일반적인 장치와의 호환이 가능해진다. 이러한 특성은 어느 시스템에서도 본질적으로 바람직하기 때문에 시스템을 크게 이롭게 하는 적합한 개선일 것이다.
또한, 복잡하고 계산 집약적 동작을 마스터 제어기로 집약시킴으로써, 전체 시스템의 비용이 대단히 감소되며 정확한 조화 및 동기성을 요구하는 많은 수의 축을 필요로 하는 시스템에 대해 특히 경제적이 된다.
또한, 본 발명의 목적은 슬레이브 유닛의 복잡도를, 단순히 전력 증폭기의 동작 및 CPLD(또는 그 밖의 다른 임의의 로직 장치)를 이용해 구현되는 일부 디지털 로직으로 달성 가능한 기본 동작까지로 그리고 슬레이브와 마스터 간 정보를 통신할 수 있는 능력까지로 단순화하는 것이다.
슬레이브 유닛에 의해 수집되는 모든 피드백 정보(위치 피드백, 전류 감지, 입/출력, 온도 등)가 높은 전송율로 중앙 제어기로 다시 전송될 것이며, 대응하는 저 레벨 명령어가 중앙 제어기로부터 원격 유닛으로 전송되어, 대응하는 모터 또는 이산/아날로그 출력을 구동할 수 있다.
본 발명의 상기 및 그 밖의 다른 양태가 다음의 도면 및 발명의 설명에서 자명할 것이다.
본 명세서의 도면은 설명 목적만 지니며 본 발명의 범위를 어떠한 식으로도 제한하려는 의도는 없다.
도 1은 종래의 중앙집중형 제어 시스템의 시스템 흐름을 도시한다.
도 2는 펄스 및 방향을 이용하는 종래의 중앙집중형 제어를 도시한다
도 3은 종래의 분산 제어 시스템을 도시한다.
도 4는 본 발명에 따르는 중앙집중형 네트워크 제어를 도시한다.
다음의 기재는 단지 예시에 불과하며 본 발명, 출원, 또는 용도를 한정하려는 것이 아니다. 도면 전체에서, 대응하는 도면 부호가 유사하거나 대응하는 부분 및 특징부를 지시한다.
도 1은 위치 및 속도와 관련하여 모든 축(모터)에 대한 가시성(visibility)을 가짐으로써 동기화를 가능하게 하는 종래의 중앙집중 기반 제어 시스템의 시스템 흐름을 나타낸다.
도 2는 펄스 및 방향을 통한 종래의 중앙집중 제어 방법을 보여주며, 여기서 모션 제어기는 궤적을 계산하고 펄스 및 방향 명령어를 통해 각각의 드라이브와 통신한다.
도 3은 일부 형태의 표준 통신 프로토콜, 가령, CANOpen 또는 EtherCat를 통해 지능형 드라이브와 통신할 수 있는 분산 제어라고 알려진 제어되는 종래의 네트워크를 보여준다.
본 발명에 따르는 모션 제어 시스템을 위한 중앙집중형 네트워크 연결된 토폴로지가 개시된다. 토폴로지는 높은 성능, 낮은 비용, 더 우수한 조화, 동기화, 감소된 케이블링/연결 복잡도 및 증가된 전체 시스템 신뢰도로 동작한다. 제어 네트워크 스킴은 복수의 슬레이브 유닛이 마스터 유닛에 연결될 때의 대역폭이 공유되지 않도록 구성되며, 따라서 시스템 성능이 슬레이브 유닛의 수의 증가에 따라 저하되지 않는다. 접근법은 일반적이며 마스터와 슬레이브 유닛 간 통신이 본 특허 명세서에 기재된 통신 표준, 방법 및 네트워크 토폴로지에 따르는 한, 회전형, 선형 및 볼 스크류 모터에 한정되지 않는다.
본 명세서에 개시된 분산 모션 제어 시스템의 제어 방법이 이산 제어기를 중앙집중형 제어기로 포함시킴으로써 중앙집중화하는 단계를 포함한다. 다시 말하면, 개별 분산 제어/전력 유닛에 본래 내장된 이산 제어기가 중앙집중형 제어기로 대체되고, 원격 유닛은 로컬 센서, 입/출력을 인터페이싱하고 중앙집중형 컴퓨터와 통신하기 위한 단순한 전자 회로를 갖는 전력 유닛으로서만 남겨둔다.
도 4에 도시된 바와 같이, 마스터 제어기(10), 복수의 원격 전력/서보 증폭기(12A, 12B, 12C, 12D), 복수의 원격 I/O 유닛(13A, 13B), 및 복수의 중앙집중형 통신 링크(11)를 포함하는 중앙집중형 네트워크 제어 시스템이 도시되어 있으며, 각각이 마스터 제어기(10)를 특정 원격 유닛(12A - 12D, 13A - 13B)으로 연결한다(도 4에 도시됨). 또한 제어 시스템은 선택적 사용자 인터페이스 PC(20)를 포함한다. 본 발명에 따라, 매우 빠른 응답을 요구하는 특수 기능을 지원하기 위해, 선택된 피드백(30) 및 I/O(40)의 마스터 제어기(10)로의 직접 연결을 위한 옵션이 존재한다. 일부 조건에서, 둘 이상의 원격 유닛(가령, 13A, 13B)이 체인 연결되어 마스터 제어기(10)로의 연결의 수를 감소시킬 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에서, 원격 유닛(12A - 12D)은 원격 시스템, 가령, 모터, 입력, 출력 등으로의 인터페이스를 제공하기 위해서만 사용되며, 내장형 처리 장치, 가령, CPU 또는 DSP를 전혀 필요로 하지 않는다. 비교적 단순한 로직 회로를 갖는 작은 기판만 사용되어 중앙집중형 통신 링크, 및 원격 유닛의 피드백 및 입/출력으로의 인터페이스를 구현할 수 있다. 본 발명에서, 원격 유닛(12A - 12D, 13A, 13B)은 종래의 분산 시스템 유닛에 비교할 때, 훨씬 더 단순하고 저렴하다.
원격 유닛(12A - 12D, 13A - 13B)과 중앙집중형 마스터 제어기(10) 간 중앙집중형 통신(본 명세서에서 Central-I 링크라고 알려짐)이 디지털 직렬 통신이지만, 기본적으로 1:1 통신이다. 즉, 모든 원격 유닛이 병렬로 통신하고 마스터 제어기(10)와 (서로) 독립적으로 통신한다. 통신은 양방향성이며, 반이중(half duplex) 또는 전이중(full duplex)일 수 있다. 원격 유닛과 제어기(10) 간 통신이 적절한 때 버스트를 운영하는데, 이때, 각각의 버스트가 특정 작업 및 타이밍을 가지며, 이는 정보를 전송하는 데 사용되고 동시에 모든 유닛을 마스터 제어기(10)에 그리고 따라 모든 유닛들 간 동기화시키는 데 사용된다.
고주파수 데이터 버스트가 Central-I 링크를 통한 마스터 유닛과 각각의 원격 유닛 사이에 메시지를 전송하기 위한 방법이지만, 파워 온(power on) 후에 그리고 장애 복구(fault recovery)의 경우에, 링크는 더 낮은 주파수, 가령, DC로 주로 동작하여, 동작 통신 메시지에 비교할 때 더 높은 우선순위를 가져야 하는 정보(가령, 리셋 요청)를 전송할 수 있다.
동기화가 통신 케이블의 길이에 따라 달라질 수 있기 때문에, 본 발명은 각각의 원격 유닛에 대해 케이블의 전파 딜레이를 측정하고 따라서 각각의 원격 유닛을 이 타이밍 오프셋에 대해 조절하도록 설정하기 위한 내장된 기능을 포함한다. 원격 유닛은 이의 타이밍 이벤트(피드백의 샘플링, PWM 카운터 등)를 조절하여, 각각의 유닛이 서로 다른 길이의 케이블을 갖는 경우라도 모든 원격 유닛이 완전 동기화되어 동작할 것이다.
바람직한 실시예에서, 마스터 제어기(10)로부터 중앙집중형 제어 네트워크를 통해 각각의 원격 유닛으로 가는 두 가지 유형의 통신 메시지가 존재한다(더 많은 유형의 메시지가 추가될 수 있다). 제1 유형은 동기화된 메시지이고 제2 유형은 오프라인 메시지이다. 제1 유형은 마스터 제어기(10)에서 원격 유닛(12A-12D)(및 13A-13B)으로의 정보(주로, 명령어, 가령, PWM 명령어 및 출력 명령어)를 전달하고, 동시에 원격 유닛을 마스터 제어기(10)로 동기화시키는 데 사용되고, 제2 유형은 마스터 제어기(10)로부터 원격 유닛으로 정보(주로, 설정(configuration))를 전달하는 데만 사용된다.
마찬가지로, 원격 유닛으로부터 마스터 제어기(10)로 가는 두 가지 유형의 메시지가 존재한다. 각각은 마스터 제어기로부터의 통신 메시지에 대한 응답이다. 제1 유형은 동기화된 메시지(주로, 피드백 및 입력 데이터)이고 제2 유형은 오프라인 메시지(주로, 설정 데이터)이다.
동기화된 메시지가 마스터 제어기(10)의 제어 사이클 내 엄격한 타이밍을 가지며 각각의 제어 사이클에서 실행된다.
일반적으로, 마스터에서 원격 유닛으로의 오프라인 메시지는, 전력이 스위치 온(ON)되자마자(그러나 이에 한정되지 않음), 전송되어 원격 유닛을 설정할 수 있다. 마스터에서 원격 유닛으로의 설정 메시지는 어떠한 특정 타이밍 요건도 갖지 않는다. 원격 유닛에서 마스터로의 오프라인 메시지는 마스터에서 원격 유닛으로의 오프라인 메시지에의 즉각적인 응답으로서만 전송되고 수신된 메시지를 수신확인(acknowledge)하고 요청된 데이터를 보고하는 데 사용된다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따라, 중앙집중형 제어 네트워크 프로토콜이 고성능 모션 제어 시스템의 엄격한 요건을 제공하도록 정의된다. 동기화된 메시지는 제어 루프에서의 딜레이를 최소화하도록 가능한 짧을 것이다. 동기화된 마스터에서 원격 유닛으로의 메시지는, 수 나노초까지의 정확도를 갖고, 병렬 연결된 모든 유닛에게로 발생되어, 시스템의 모든 유닛의 최적 동기화를 보장할 수 있다. 복수의 안전 기능이 프로토콜 내에 통합되어, 원격 유닛의 임의의 잘못된 동작을 피할 수 있으며, 예를 들면, 복수의 CRC, 에러 검출 유닛이 있다.
본 발명의 네트워킹이 제어 시스템의 훨씬 낮은 레이어에서 구현되고 최소 프로토콜에서 동작하여, 메시지당 비트의 수를 최소로 유지하면서, 여전히 마스터 제어기(10)가 시스템에 대한 모든 데이터를 실시간으로 관찰할 수 있게 할 수 있다. 또한 시스템은 병렬로 동작되며 따라서 어떠한 특수 하드웨어 및/또는 비용 없이 매우 높은 전체 전송율을 획득할 수 있다. 데이터 스트림의 송신 및 수신이 양 측 모두에서 프로그램 가능 로직 장치(programmable Logic Device)에 의해 완전히 핸들링된다. 안정적이고 널리 사용되는 LVDS의 베이스(BLVDS) 물리 레이어 기법이 긴 케이블 및 5 내지 50 MHz의 주파수를 통한 신뢰할만한 통신을 제공할 수 있는 사용될 한 가지 옵션 또는 그 밖의 다른 임의의 물리 레이어이다. 오늘날 LVDS 기법이 초고주파수용으로 사용되고, 여기서 50MHz를 초과할 필요가 없으며 그 이하도 필요하지 않다.
본 발명의 중앙집중형 제어기는 모든 머신 및 축 데이터를 하나의 CPU 기판 상에 제공하고, 상기 데이터는 제어 샘플링율에 따라 업데이트되며, 이들 모든 데이터 아이템은 원격 유닛의 범위 내에서 이용 가능하다. 중앙집중형 제어기(10)는 머신 거동 및 다중 축 모션 및 제어, 가령, 위치, 속도 및 전류 제어를 수행한다.
상기 중앙집중형 네트워크 제어기(10)는 높은 다중축 및 제어 궤적 성능을 가지며 축 종속적 알고리즘을 구현하기에 용이하다. 제어기(10)는 또한 복잡한 3D 에러 맵핑 및 공간 잠금/이벤트 및 그 밖의 다른 복잡한 피드백 기능을 지원하기 용이하며, 모든 관련 데이터가 항상 이용 가능하기 때문에 머신 로직을 구현하는 데 용이하다. 전력 유닛 또는 I/O(13A, 13B) 유닛이 원격이며 유연하며 제어기(10) 및 사용자/머신에게 완전히 투명하다.
하나의 축에서의 안전성 및 장애가 다른 축에 어떠한 영향도 미치지 않으며, 제어기(10) 및 원격 유닛(12A - 12D)(및 13A - 13B)이 수 나노 초까지로 동기화된다.
제안된 토폴로지 및 통신 방법은, 내장 기능으로서, 복잡한 방법(가령, EtherCat에 의해 사용되는 것), 고장 난 축 레벨과 시스템 레벨 모두에서, (수 나노 초까지로 낮아진) 전체 시스템 동기화, 하나의 축에서의 장애의 경우 축들 간 독립성, 및 이러한 장애의 경우 즉시 검출 및 응답을 필요로 하지 않는다.
제안된 토폴로지는 Central-I 링크 케이블에서 자유 와이어를 통해 마스터로부터 원격 유닛에 공급될 전력을 기초로, (고전력 "노이지(noisy)" 스위칭 서보 증폭기일 수 있는) 원격 유닛으로부터 Central-I 링크를 고립시키는 선택적 스킴을 포함한다.
본 발명에서, 기본적으로 축의 개수는 한정되지만 마스터 제어기(10)에서의 더 강력한 처리 유닛이 계산 파워 한계를 극복하는 데 사용될 수 있으며 스위칭 보드가 추가 통신 링크를 추가하는 데 사용될 수 있다. 덧붙여, 방법은 동일한 컨셉/기법을 이용하고, 따라서 지원되는 원격 유닛의 수를 증가시킴으로써 마스터 유닛의 레이어를 갖도록 설계될 수 있다.
본 명세서의 설명은 단지 예시에 불과하며, 본 명세서에 기재된 것의 요지에서 벗어나지 않는 변형예가 본 명세서의 범위 내에 있는 것으로 의도된다. 이러한 변형은 본 발명의 사상 및 범위 내에 있는 것으로 간주된다.

Claims (22)

  1. 시스템 아키텍처로서 복수의 원격 유닛을 갖는 중앙집중형 토폴로지를 이용하는 중앙집중형 네트워크 모션 제어기(10)를 배열하는 방법으로서, 상기 방법은
    (i) 동기화된 메시지를 이용해, 모든 시스템 및 축 데이터를 처리 유닛으로 제공하는 단계 - 제어 샘플링율에 따라 데이터가 업데이트되고 모든 데이터 아이템이 각각의 원격 유닛으로부터 이용 가능함 - ,
    (ii) 중앙집중형 처리 유닛이 거동 제어 및 다중 축 프로파일링 및 위치, 속도 및 전류 같은 모션 제어를 수행하는 단계,
    (iii) 중앙집중형 처리 유닛(10)으로부터 동기화된 메시지가 사용되어 타이밍을 설정하고 모든 유닛의 연속 동기화를 유지하며, 희망 저 레벨 명령어를 원격 유닛으로 전달하는 단계를 포함하는, 중앙집중형 네트워크 모션 제어기를 배열하는 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 저 레벨 명령어는 희망 PWM 명령어를 포함하는, 중앙집중형 네트워크 모션 제어기를 배열하는 방법.
  3. 제1항에 있어서, 케이블 전파 딜레이를 측정하고 원격 또는 마스터 유닛의 설정에 의해 딜레이를 보상하는 단계를 더 포함하는, 중앙집중형 네트워크 모션 제어기를 배열하는 방법.
  4. 제1항에 있어서, 특정 클록 주파수당 통신 대역폭을 증가시키기 위해, 복수의 직렬 스트림을 병렬로 운영함으로써, 중앙집중형 통신 링크를 통한 병렬/직렬 통신을 이용하는 단계를 더 포함하는, 중앙집중형 네트워크 모션 제어기를 배열하는 방법.
  5. 제1항에 있어서, 축 종속성 알고리즘 및 3D 에러 맵핑과 잠금(lock) 및 공간 위치를 기초로 하는 이벤트를 수행하는 단계를 더 포함하는, 중앙집중형 네트워크 모션 제어기를 배열하는 방법.
  6. 제1항에 있어서, 마스터 유닛으로부터 원격 유닛으로 전력 서플라이를 구현하는 단계를 더 포함하는, 중앙집중형 네트워크 모션 제어기를 배열하는 방법.
  7. 제1항에 있어서, 통신 메시지에 대해 사용되지 않는 와이어를 통해, 중앙집중형 통신 내에서 피드백 및/또는 입력 및 출력을 프로그램 가능/설정 가능하게 연결하는 단계를 더 포함하는, 중앙집중형 네트워크 모션 제어기를 배열하는 방법.
  8. 제1항에 있어서, 원격 전력 유닛이 처리 유닛을 필요로 하지 않는, 중앙집중형 네트워크 모션 제어기를 배열하는 방법.
  9. 제1항에 있어서, 로직 장치가 양 측부에서 모두 중앙집중형 통신 링크를 구현하는 데 사용되는, 중앙집중형 네트워크 모션 제어기를 배열하는 방법.
  10. 제1항에 있어서, 위치 피드백 인터페이스는 일반적으로 원격 유닛 상에서 구현되는, 중앙집중형 네트워크 모션 제어기를 배열하는 방법.
  11. 제1항에 있어서, 원격 유닛으로부터의 통신이 부분적으로 데이지-체인 연결되는, 중앙집중형 네트워크 모션 제어기를 배열하는 방법.
  12. 제1항에 있어서, 모든 원격 유닛에 대한 통신이 제어기(10)와 병렬로 이뤄지는, 중앙집중형 네트워크 모션 제어기를 배열하는 방법.
  13. 제1항에 있어서, 통신은 반이중(half-duplex) 또는 전이중(full-duplex) 및 양방향인, 중앙집중형 네트워크 모션 제어기를 배열하는 방법.
  14. 제1항에 있어서, 동기화된 메시지를 운영하는 통신은 주기적이며, 각각의 버스트(burst)는 특정 작업을 갖는, 중앙집중형 네트워크 모션 제어기를 배열하는 방법.
  15. 제1항에 있어서, 마스터 제어기(10)에 의해 생성되는 메시지의 유형은 동기화된 메시지 및 오프라인 메시지를 포함하며, 각각의 원격 유닛은 또한 동기화된 메시지 및 오프라인 메시지를 마스터 제어기(10)에게로 생성하는, 중앙집중형 네트워크 모션 제어기를 배열하는 방법.
  16. 제15항에 있어서, 오프라인 메시지는 원격 유닛을 설정하도록 전송되는, 중앙집중형 네트워크 모션 제어기를 배열하는 방법.
  17. 제15항에 있어서, 오프라인 메시지는 어떠한 특정 타이밍 또는 효과를 필요로 하지 않는, 중앙집중형 네트워크 모션 제어기를 배열하는 방법.
  18. 제15항에 있어서, 원격 유닛으로부터 마스터 제어기(10)로의 오프라인 메시지는 마스터 제어기(10)로부터의 오프라인 메시지에 대한 즉시 응답인, 중앙집중형 네트워크 모션 제어기를 배열하는 방법.
  19. 제1항에 있어서, 원격 유닛의 원치 않는 작동을 수행하지 않음을 보장하기 위해 안전성을 이행하는 단계 및 원격 유닛들을 서로에 완전히 독립적이도록 유지하는 단계를 더 포함하는, 중앙집중형 네트워크 모션 제어기를 배열하는 방법.
  20. 제1항에 있어서, 복수의 원격 유닛에 연결되는 단일 마스터의 스킴을, 중앙집중형 통신 링크를 통해 서로 연결되며 자신의 원격 유닛을 갖는 복수의 마스터가 사용되는 스킴으로 확장하는 단계를 더 포함하는, 중앙집중형 네트워크 모션 제어기를 배열하는 방법.
  21. 제1항에 있어서, 상기 방법은 EtherCat의 사용, 전체 시스템 동기화, 하나의 축에서의 장애의 경우 축들 간 독립성, 이러한 장애의 경우 장애 축 레벨과 시스템 레벨 모두에서 즉각적인 검출 및 응답 없이 이뤄지는, 중앙집중형 네트워크 모션 제어기를 배열하는 방법.
  22. 중앙집중형 네트워크 모션 제어 시스템으로서, 상기 시스템은
    (i) 마스터 제어기(10),
    (ii) 복수의 서보 증폭기(servo amplifier)(12A - 12D),
    (iii) 복수의 I/O 유닛(13A - 13B),
    (iv) 복수의 중앙집중형 통신 링크,
    (v) 중앙집중형 통신 링크를 허용하는 복수의 원격 유닛
    을 포함하며, 마스터 제어기(10)로부터의 복수의 동기화된 메시지가 사용되어 타이밍을 설정하고 서보 증폭기(12A - 12D) 및 I/O 유닛(13A - 13B)의 연속 동기화를 유지하며 마스터 제어기(10)로부터 서보 증폭기(12A - 12D)로 희망 PWM 명령어를 전송하며, 각각의 서보 증폭기(12A - 12D)로부터의 동기화된 메시지가 모든 샘플링된 데이터를 전송하기 위한 응답으로서 전송되는, 중앙집중형 네트워크 모션 제어 시스템.
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