基于F28M35的伺服控制器多轴同步设计

 吴兵1，2

  （1．上海交通大学电子信息与电气工程学院，上海200240；2．上海智殷自动化科技有限公司，上海200032）

摘要：描述了由PWM定时组成的伺服控制器时钟结构，分析了伺服控制器间时钟不同步的两类原因：时钟偏移和时钟漂移。针对时钟偏移和时钟漂移的特点，提出了多种通过检测Ether CAT从站SYNCO信号边沿来触发伺服控制器间PWM定时同步的时钟同步方案。在PWM定时同步的基础上，通过SYNCO信号边沿标定伺服控制器的控制输出时刻和反馈采样时刻，从而实现伺服控制器间的多轴同步。最后实验证明该设计方案能有效地保证基于F28M35伺服控制器间的多轴同步。

  关键词：伺服控制器；Ether CAT；多轴同步；PWM

  中图分类号：TP273文章编号：1006 - 2394( 2016) 05 - 0001  - 05

0  引言

 高精度的运动控制，不仅需要单轴运动位置控制精确，而且需要各轴同时控制输出和同时反馈采样（即多轴同步），否则会直接影响系统的轨迹精度，影响生产效率及产品质量。多轴同步一直是工业界内热门的研究课题，因此研究多轴同步设计具有一定的现实意义。

 在集中式控制系统中，各轴控制输出和反馈采样都在同一个时钟节拍下工作，同步精度可以达到小于1μs，因此不存在多轴同步问题。但该方案使用专用的同步时钟线路来实现多轴同步，增加了机械设计和机械装配难度，较长的同步时钟线路容易受电磁干扰和信号衰减的影响，增加了硬件成本。本文不使用专用时钟线路和专用芯片，仅通过检测Ether CAT从站的SYNCO信号，实现基于TI F28M35开发的伺服控制器间的多轴同步。

1  多轴同步原理

 由于每个轴的运动是靠伺服控制器来控制和驱动的，多轴同步最终要靠伺服控制器来实现。伺服控制器间的时钟同步是多轴同步的前提。本文选用了Eth-erCAT作为伺服控制器的通信总线，Ether CAT主站通过实时时钟校正得到高精度同步的DC分布时钟（误差小于1μs），通过Ether CAT主站配置，伺服控制器可以从ESC( Ethe r CAT Slave Controller)处获得周期准确·同步的SYNCO信号，通过检测ESC的SYNCO边沿信号触发PWM定时同步，实现伺服控制器间的PWM定时同步；在PWM定时同步基础上，通过ESC的SYNCO边沿信号来标定控制输出时刻和反馈采样时刻，从而实现伺服控制器间的多轴同步。

 伺服控制器内部有电流环刷新定时、速度环刷新定时和位置环刷新定时，通常情况下电流环刷新定时周期最短，且电流环刷新定时与PWM定时完全同步，为了控制方便和控制可靠（尽量避免中断嵌套），伺服控制器软件选用PWM定时作为伺服控制器的唯一定时和基础定时，即控制定时的最小单元是PWM定时周期。如果各伺服控制器间的PWM定时精确同步了，通过PWM定时衡量和ESC的SYNCO边沿信号标定，则可实现伺服控制器间的多轴同步。故在不增加额外硬件的情况下，首先实现伺服控制器间的PWM定时完全同步，再通过PWM衡量和ESC的SYNCO边沿信号标定，就可以实现伺服控制器间的多轴同步。如图1所示为伺服控制器时钟同步结构。

 ESC的SYNCO信号一方面触发伺服控制器PWM定时同步，另一方面也标定了运动控制的输出时刻和反馈的采样时刻。如果各伺服控制器PWM定时都被ESC的SYNCO信号边沿触发同步了，则伺服控制器间PWM定时都同步了；在PWM定时同步基础上，通过ESC的SYNCO信号标定控制的输出时刻和采样时刻，从而实现多轴同步，如图2所示为时钟同步时序图。

 时钟不同步的原因分为两类：一类是时钟偏移，原因是伺服控制器的上电时间不一样；另一类是时钟漂移，原因是PWM时钟源的精度不高，或者精度受温度影响而变化。无论是由于时钟偏移或者时钟漂移，在ESC的SYNCO信号的上升沿同步PWM定时，第一次同步能解决时钟偏移问题，后续经常性再同步能解决时钟漂移问题，避免了时钟差的累计效应。下面将讨论如何通过ESC的SYNCO信号边沿实现PWM同步。

2多轴同步设计

 F28M35带有多个PWM控制器，并提供了同步方法，EPWM1、EPWM2和EPWM3的同步关系和方法如图3所示。

 EPWM1可以通过GPTRIP6选择外部GPIOO~GPI063中任一引脚作为时钟同步信号EPWMISYNCI的输入信号源，上升沿时PWM同步，并将EPWM1的输出同步信号EPWMISYNCO作为EPWM2的EP-WM2SYNCI的输入信号源，同理将EPWM2的输出同步信号EPWM2SYNCO作为EPWM3的EPWM3SYNCI的输入信号源，这样通过1路ESC的SYNCO信号同步信号就可以同时控制3路PWM信号，从而保证电机驱动的同步性。PWM工作时，TBCTR为PWM时基计数器，TBPRD为PWM的周期寄存器，TBPHR为PWM的时基相位寄存器（即控制相位同步寄存器），还有2个事件，一个为CTR= zero（即TBCTR值为0），另一个为CTR= PRD（即TBCTR= TBPRD）。PWM同步时有两种工作模式，一种模式同步后TBCTR被TB-PHR值所更新，继续递增计数；另一种模式TBCTR被TBPHR值所更新，继续递减计数。下面从不同的PWM头尾部同步和PWM中间位置同步来分析利弊。

 在TBCTR值为0附近（即PWM波形的头尾部）PWM同步，同步位置可能为头部，也可能为尾部，从图4和图5中可知，无论是在头尾部递增还是头尾部递减，都可能出现两次“CTR=zero”事件，即触发两次PWM中断，事件间隔较小，会引起伺服控制器定时误差大，导致不能完成运算任务，故PWM头尾部递增同步方法不可取。

 在TBCTR值为TBPRD附近（即PWM波形中间左边或右边）PWM同步，同步位置可能为左边，也可能为右边，从图6和图7中可知，无论是在PWM中间递增还是PWM中间递减，在PWM周期误差不大的情况下，两次出现“CTR=zero”事件（即触发两次PWM中断），时间基本和PWM设置的周期一致，变化较小，故PWM中间递增同步和PWM中间递减同步都可以。本文选择PWM中间递减同步。使用PWM中间递减同步时，如果ESC的SYNCO信号周期和PWM定时周期一致，TBPHS= TBPRD，则每个PWM周期都被正确同步，如图8所示。

只要PWM时钟频率有偏移或者漂移，在中间就会被同步，PWM定时和ESC的SYNCO信号正好相差半个PWM周期，但各伺服控制器间的PWM定时完全同步。在机器人伺服控制器中，SYNCO信号周期和PWM周期是不相同的，在本文的研究中，PWM时钟周期为50μs，ESC的SYNCO信号周期是PWM定时周期整数倍（如80倍，即80个PWM周期同步一次），ESC的SYNCO信号的上升沿会对PWM中间同步，如图9所示。

 在晶振精度为0. 003 010情况下，80个PWM周期后，累计的最大PWM周期偏差为0.12μs，对被同步PWM的占空比影响为0.12/50=0.24%，每80个周期的第一个PWM周期被ESC的SYNCO信号重新同步，该误差不会被累积，故可以实现伺服控制器间的PWM时钟完全同步。F28M35硬件实现检测ESC的SYNCO信号上升沿并调整PWM的相位。

 通过硬件实现伺服控制器间PWM定时完全同步后，通过ESC的SYNCO信号边沿标定运动控制的输出时刻和反馈采样时刻，则实现了伺服控制器间的多轴同步。

3  多轴同步测试

 下面基于F28M35开发的支持Ether CAT小型机器人伺服控制器通过GPIO输出脉冲，使用示波器来观察。伺服控制器ESC输出的250 Hz SYNCO信号如图10所示，为了测试方便，本文使用Tektronix示波器MD03104的AFG输出250 Hz SYNCO信号，PWM输出50μs周期脉冲。

 图11显示，channel 1为PWM脉冲波形，channel2为ESC的SYNCO信号，图中显示ESC的SYNCO信号的上升沿触发了PWM中间同步，图中显示不在中间是由于PWM中断延迟造成的。ESC的SYNCO信号触发PWM定时同步后则实现了伺服控制器间的时钟完全同步。

 图12为两个伺服控制器输出的两路PWM脉冲波形，周期为50μs，从图12 a）可以看出在PWM未同步前，两路PWM脉冲存在时钟偏移，经过Ether CA-TESC的SYNCO信号上升沿校正后，从图12 b）可以看出两路PWM定时完全同步。

 PWM定时同步后，各伺服控制器在ESC的SYNCO信号上升沿后等待相同的PWM周期时间输出运动，图13表明PWM同步前，两个伺服控制器命令输出不同步，图13 b）表明PWM同步后，两个伺服控制器间命令输出基本同步。

 把同步信号进一步展开，得到的多轴同步时间差见图14。4 ms的同步周期，同步时间误差为±40. 00 ns，误差率为±0. 001010。高精度的伺服控制器，轴同步误差要小于1μs，从图14可知，基于F28M35伺服控制器的多轴同步达到要求，满足高精度运动控制需求。

4结束语

 基于F28M35伺服控制器，通过检测ESC的SYNCO信号的上升沿来触发同步伺服控制器PWM定时同步和执行运动输出，在不使用专用时钟线路和专用芯片（如FPGA）情况下能实现伺服控制器间的多轴同步。接下来需要进一步分析PWM同步时占空比的变化对输出的影响程度。