高性能運(yùn)動(dòng)網(wǎng)絡(luò)要求嚴(yán)格管理的同步體制來保證多個(gè)軸之間的同步和實(shí)時(shí)更新。盡管以太網(wǎng)為采用分布控制的一般用途的應(yīng)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(gè)快速同步網(wǎng)絡(luò)，將集中運(yùn)動(dòng)處理器連接到多個(gè)伺服軸。SynqNet 特別為支持高性能集中控制系統(tǒng)而設(shè)計(jì)，并提供另外的好處包括自愈容錯(cuò)運(yùn)行、簡單的基于發(fā)現(xiàn)的配置和高抗擾性。另外，多個(gè)驅(qū)動(dòng)器供應(yīng)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(dāng)選擇一個(gè)運(yùn)動(dòng)網(wǎng)絡(luò)時(shí)，需要關(guān)注的關(guān)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(gè)方面和技術(shù)背景，以幫助讀者理解數(shù)字運(yùn)動(dòng)網(wǎng)絡(luò)。

    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(luò)平臺(tái)，并且將在工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域繼續(xù)它的勝利。在數(shù)字網(wǎng)絡(luò)的早期，帶寬的缺乏、決定論和長等待時(shí)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(yīng)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(gè)集中進(jìn)行處理的控制模型。

    SynqNet 是第一個(gè)商業(yè)化100BaseT (IEEE802.3) 網(wǎng)絡(luò)，提供集中控制模型的所有性能優(yōu)勢，同時(shí)還有增強(qiáng)的性能、容錯(cuò)、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(dòng)器公司所采用，像安川電機(jī)、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(shí)間

    高性能運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)依賴于一些關(guān)鍵技術(shù)元件，這些元件以集成方式無縫工作在一起。一個(gè)完美的控制系統(tǒng)必須將所期望的運(yùn)動(dòng)曲線轉(zhuǎn)變?yōu)橐粋€(gè)或多個(gè)伺服軸的運(yùn)動(dòng)。為完成這個(gè)任務(wù)，經(jīng)常需要采用一些運(yùn)動(dòng)學(xué)模型的形式，從XYZ “空間”坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換到機(jī)器坐標(biāo)系或“聯(lián)合”坐標(biāo)系。另外的一些像非線性或軸交叉耦合的影響應(yīng)該得到補(bǔ)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(shí)間的最小化。周期時(shí)間越短，控制系統(tǒng)越嚴(yán)密，機(jī)器的性能越高。對于快速的點(diǎn)對點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)，或者精確路徑運(yùn)動(dòng)，周期時(shí)間成為一個(gè)重要的要素。

    （2）網(wǎng)絡(luò)等待時(shí)間和傳輸率

    現(xiàn)代控制系統(tǒng)從每一個(gè)軸接收多個(gè)定值輸入和多個(gè)反饋輸入，如實(shí)際的力矩和速度，來為每一個(gè)電機(jī)計(jì)算新的目標(biāo)數(shù)據(jù)。為實(shí)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(shí)間和等待時(shí)間。在控制系統(tǒng)中，任何的傳送延遲都代表了一個(gè)階段延遲，這限制了可完成的增益和機(jī)器的有效反應(yīng)時(shí)間。

    （3）低的偏差和延遲抖動(dòng) 

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

    偏差是發(fā)送器和接收器之間或網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)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(yùn)動(dòng)控制，偏差變得相關(guān)，而且網(wǎng)絡(luò)必須能夠測量偏差并能夠進(jìn)行補(bǔ)償。

    SynqNet 通過采用階段鎖定循環(huán)技術(shù)把每一個(gè)從網(wǎng)絡(luò)的獨(dú)立時(shí)鐘同步到主網(wǎng)絡(luò)，這樣，把振動(dòng)減少到小于1μs。這就提供了比其它非同步網(wǎng)絡(luò)（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(bǔ)償。偏移和延遲抖動(dòng)由一些節(jié)點(diǎn)或網(wǎng)絡(luò)交流條件擔(dān)保。

    SynqNet 運(yùn)動(dòng)控制網(wǎng)絡(luò)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(shè)計(jì)的。按照IEEE802.3 規(guī)范，一個(gè)數(shù)據(jù)幀由28 個(gè)控制字節(jié)和至少46個(gè)數(shù)據(jù)字節(jié)組成。這種協(xié)議對于典型的工業(yè)化運(yùn)動(dòng)應(yīng)用軟件來說過大。通常一個(gè)節(jié)點(diǎn)(設(shè)備)的數(shù)據(jù)需求很少(少于46字節(jié))。為降低周期時(shí)間和等待時(shí)間，Synqnet 優(yōu)化了第二層的數(shù)據(jù)幀。一個(gè)SynqNet 幀至少由24 個(gè)字節(jié)組成而不是至少74個(gè)字節(jié)。這是SynqNet與以太網(wǎng)相比的一個(gè)關(guān)鍵優(yōu)勢。

    （2）同步全雙工通信

    標(biāo)準(zhǔn)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(gè)公認(rèn)的好方法。但這種機(jī)制天生具有不確定性，并且隨著網(wǎng)絡(luò)中設(shè)備數(shù)量的增加，碰撞時(shí)間幾乎會(huì)指數(shù)級的增加，這樣會(huì)導(dǎo)致性能的快速降低。
SynqNet為消除多路訪問沖突檢測機(jī)制而設(shè)計(jì)。它使用一個(gè)同步方法，用定期時(shí)間進(jìn)度表方式向每一個(gè)設(shè)備傳送數(shù)據(jù)。采用獨(dú)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(gè)2 x 100 Mbit的確定的日期速度。對于4個(gè)軸來說，結(jié)果是周期時(shí)間短至25微秒。

    （3）安全性

    SynqNet既可以在串形拓?fù)湟部梢栽诃h(huán)形拓?fù)渑渲谩－h(huán)形拓?fù)湓赟ynqNet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(cuò)能力，在線路中的一段發(fā)生故障的事件中，SynqNet 硬件在兩個(gè)伺服周期中重新規(guī)定數(shù)據(jù)線路，這時(shí)網(wǎng)絡(luò)仍然保持連接狀態(tài)。同時(shí)應(yīng)用程序得到事件通知和事件發(fā)生的位置，允許機(jī)器以與特定情況相適應(yīng)的方式作出響應(yīng)。

    （4）精確的捕獲技術(shù)

    捕獲包括基于位置的捕獲和基于時(shí)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(shí)間數(shù)據(jù)，然后使用這個(gè)數(shù)據(jù)在隨后的伺服周期內(nèi)優(yōu)化軌跡或機(jī)器控制的其它元素。在SynqNet，可得到實(shí)用的基于時(shí)間和基于位置的捕獲技術(shù)，而沒有在分布控制模型或其它數(shù)字網(wǎng)絡(luò)協(xié)議中常見的等待時(shí)間。

    SynqNet 保證所有節(jié)點(diǎn)的嚴(yán)格同步，保證處理復(fù)雜運(yùn)動(dòng)包括多路輸入、多路輸出(MIMO)的機(jī)器人需求和一些其它復(fù)雜運(yùn)動(dòng)應(yīng)用的能力。 SynqNet控制器采用共享內(nèi)存，為了在主計(jì)算機(jī)PCI總線之上進(jìn)行直接內(nèi)存映射。這考慮了在控制器和主計(jì)算機(jī)之間共享內(nèi)存寄存器，當(dāng)處理影響主計(jì)算機(jī)的與機(jī)器相關(guān)的任務(wù)時(shí)來減少操作系統(tǒng)的等待時(shí)間。另外，SynqNet 控制器具有一個(gè)板載DSP 或微處理器，專用于對時(shí)間要求高的周期性任務(wù)，在這種任務(wù)中由FPGA 完成固件管理數(shù)據(jù)采集。

    （5）易于使用 

    SynqNet 在設(shè)計(jì)時(shí)考慮了機(jī)器制造商。安裝和配置采用如下技術(shù)進(jìn)行了簡化：自動(dòng)發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，通用調(diào)整和報(bào)告方法。

    SynqNet 采用公共軟件API，為多個(gè)供應(yīng)商的所有網(wǎng)絡(luò)設(shè)備而設(shè)計(jì)。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(biāo)準(zhǔn)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)品，也提供定制的運(yùn)動(dòng)產(chǎn)品。API可作為一套強(qiáng)大的C/C++或者Active X 運(yùn)動(dòng)庫得到。

    SynqNet 具有查詢固件修改和為網(wǎng)絡(luò)上每個(gè)設(shè)備進(jìn)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(jī)器進(jìn)行插件更新或在這個(gè)領(lǐng)域安裝未知配置狀態(tài)的備用部件提供了一個(gè)有效方法。

    獲取實(shí)時(shí)節(jié)點(diǎn)信息的能力使得預(yù)言性維護(hù)、遠(yuǎn)程診斷和維修體制能夠得到支持。如果節(jié)點(diǎn)是一個(gè)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(dòng)電機(jī)和編碼器信息都可以遠(yuǎn)程存取，由用戶應(yīng)用程序以實(shí)時(shí)方式進(jìn)行。

    運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的關(guān)鍵元件包括運(yùn)動(dòng)處理器、驅(qū)動(dòng)器、輸入/輸出。日益增多的伺服驅(qū)動(dòng)器提供商支持SynqNet，它們提供標(biāo)準(zhǔn)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(dòng)器。元件的可大范圍選擇提供了設(shè)計(jì)靈活性和保證了能從全球最主要的驅(qū)動(dòng)器和電機(jī)供應(yīng)商獲得具有競爭性的價(jià)格。