多轴运动控制的同步和新型控制拓扑

传统的运动控制方法如图中的上半部分所示。运动控制器（通常为PLC）通过实时网络将位置指令(θ*)发送到电机控制器。电机控制器由三个级联的反馈环路组成，包括控制转矩/电流(T/i)的内部环路、控制速度(ω)的中间环路和另一个控制位置(θ)的环路。转矩环路的带宽最高，位置环路的带宽最低。来自工厂的反馈保持在电机控制器本地，并与控制算法和脉宽调制器紧密同步。

采用这种系统拓扑，运动控制器和电机控制器之间通过位置指令值来实现轴的同步，但是在CNC加工等极高精度应用中，与电机控制器的I/O（反馈和PWM）同步的相关性只会使之成为问题。位置环路通常具有相当低的带宽，因此对I/O同步较为不敏感。这意味着即使网络与I/O位于不同的同步域中，指令级的节点同步性能通常也能接受。

虽然图中上半部分所示的控制拓扑很常见，但也可以使用其他的控制分区方法，例如在运动控制器侧实现位置和/或速度环路，并通过网络传送速度/转矩指令值。工业领域近期趋于转向一种新的分区方法，即所有的控制环路都由电机控制器转移至网络主机侧功能强大的运动控制器（见图中的下半部分所示）。在实时网络上交换的数据是电机控制器的电压指令(v*)和运动控制器的工厂反馈(i, ω, θ)。这种控制拓扑由功能强大的多核PLC和实时网络实现，具有诸多优势。首先，该架构具有很高的可扩展性。还可以轻松地添加/移除轴，无需担心电机控制器的处理能力。其次，由于轨迹规划和运动控制都在同一个中心位置完成，因此可以提高精度。

新的控制拓扑也有缺点。在电机控制器中去除了控制算法，因此损失了代码执行和I/O的紧密同步。控制环路的带宽越高，损失I/O同步的问题就越大。转矩/电流环路对同步特别敏感。

传统（上图）和新兴（下图）的运动控制拓扑

I/O调度器将同步域绑定在一起

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