多轴超精密同步运动控制系统中的数据交互机制

图1
多轴超精密同步运动控制系统结构
数据交互的具体内容：① 激光测量位置数据、 其他传感器数据的同步采样，以及向其关联运动控 制器的实时传输； ② 上位机将运动控制参数数据向 各运动控制器的传输，对激光计数卡的配置数据传 输； ③ 并行的运动控制器间临时运算数据交互， 以 及用于错误或同步控制的数据交互等； ④ 伺服电动 机的作用力数据向相关功率驱动器的传输。本文讨 论上位机、并行运动控制器以及激光计数卡间的数 据交互，参看文献[17]关于伺服驱动器、运动控制 器，以及传感器检测单元间的测控数据交互。
台响应频率要求在较短控制周期中完成针对所有轴 的控制算法，存在较大的运算负荷。因此，控制系 [8-9] 统采用并行多处理器架构 。 上述控制架构的数据交互需具备以下特征： ① 多轴运动需采用多种测量系统， 涉及数百个传感 器信号；而控制要求较高的测量数据实时性，应具 备较低的数据采样与传输延迟； ② 针对纳米级的同 步运动需求，测量同步误差将带来毁灭性影响， 如在 1.6 m/s 速度下，1 s 的同步时间误差将造成 [8] 1.6 m 的位置测量同步误差， 毁掉同步运动精度 ；
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鑫：多轴超精密同步运动控制系统中的数据交互机制
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动控制器与激光计数卡间建立高速数据通道，实现 精密位置测量数据及临时数据传输，提供针对各运 动控制器的精密同步控制时序； ③ 错误总线用于控 制器间错误信息的快速传递，避免因作用力控制失 效而导致如工作台撞车等意外事件。上述三种总线 是独立的，加大了控制网络整体带宽。
单元、功率放大器构成。上位机将工作台的运动控 制任务分解为各运动轴的控制参数， 下载到下位机； 多个运动控制器为下位机，完成针对相关轴点对点 运动的强实时控制算法。通过构建主从式并行多处 理器架构， 对工作台运动控制任务进行了优化分配， 提高了多轴控制的实时性能。运动控制器输出逻辑 驱动力， 由功率放大器驱动电动机产生期望驱动力。
第 50 卷第 17 期 2014 年 9 月
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学 报
Vol.50 Sep.
No.17 2014
JOURNAL OF MECHANICAL ENGINEERING
DOI：10.3901/JME.2014.17.149
多轴超精密同步运动控制系统中的数据交互机制*
程 鑫
武汉 430070) (武汉理工大学机电工程学院
Abstract：Multi-axis ultra-precise synchronous motion control system needs to adopt parallel multiprocessors architecture. A data interchange mechanism based on distributed shared memory to realize high-efficiency data sampling and transmission in this type of control system is proposed. Multi-bus motion control network involving user-defined internal bus is designed, which constructs globally unified addressing memory model based on distributed local memory. Hardware-implemented message passing service refreshes shared data to ensure data consistency, which actually minimizes memory access time. Pipelined execution of data interchange and real-time control optimizes the slot allocation in parallel computing cycle, which maximizes the efficiency of parallel-processors. Precise synchronization strategy in data interchange realizes synchronous sampling of laser measuring position datum. Experimental results show the performances of data interchange mechanism not affected by increasing number of processors can realize stable bandwidth and precise transmission latency. Sub-nanosecond scaled synchronous position sampling can be implemented, and synchronization error has stable distribution characteristics towards transmission distance. The validity of this research has been proved in actual application. Key words：multi-axis；ultra-precise；synchronous motion control；data interchange；distributed shared memory
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图2
多处理器并行架构与运动控制网络 图3 激光测量数据采样接口
上位机通过配置内部总线控制器，定义其数据 传输行为。各运动控制器中包含一个数字信号处理 器(Digital signal processor, DSP)作为处理核心， 而基 于硬件实现总线控制器完成通信协议、数据封装与 解析、收发、存储等细节，减少 DSP 用于数据传输 的软件开销。 各类总线控制器皆设计为 DSP 的外部 设 备 ， 并 设 计 双 端 口 内 存 (Dual-ported RAM, DPRAM)作为数据缓存， 以匹配不一致的总线速率。 在内部总线同步周期，总线控制器产生同步中断信 号触发 DSP，而实现同步时序。 2.2 工作台精密位置数据的同步采样策略 工作台位置测量采用 HP 激光干涉电子测量系 统，含 HP 10898A 激光计数卡、HP 10735A 外差式 [18] 干涉仪及其他光学器件，分辨率可达 0.3 nm 。 访问计数卡内部数据寄存器可获取位置测量 数据。考虑到测量光路所表征的是运动工作台的位 移，其数据寄存器值将实时变化。定义位置采样延 迟为位置采样时刻与控制系统获得该位置数据时刻 的时间差，针对各测量光路的采样延迟不一致将直 接导致位置测量同步误差。总体位置采样延迟为以 下两个参数之和，其一是数据延迟，定义为激光位 置信号到达与位置数据有效之间的时间，其二是传 输延迟，定义采样信号下达到位置数据传输到总线 之间的时间。数据延迟依赖激光计数卡的性能，因 为一致的信号处理链路， 数据延迟总是精确的(约为 [18] 1.062 s )，受环境因素的影响会带来一些不确定 [19] 因素，可软件补偿 ；但传输延迟依赖数据采样策 略、通信协议以及信号在信道的物理传输性能等。
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2.1
基于分布式共享存储的数据交互
多处理器并行架构与多总线运动控制网络
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运动控制系统结构与数据交互需求
工作台采用粗微联合驱动，含多组大行程直线 电动机与洛伦兹微动电动机，涉及两类测量系统： ① 激光干涉位置测量， 通过采样激光计数卡获取位 置数据， 参与微动电动机闭环控制； ② 其他传感器 测量，含光栅尺、局部位置传感器、激光干涉仪光 强、气浮导轨气压、功率放大器状态等，通过传感 器检测单元获取数据，参与直线电动机及其他部件 闭环控制。 运动控制系统结构如图 1 所示， 由上位机 Power PC、运动控制器、激光干涉测量系统、传感器检测
VME (Versa modules eurocard)支持多处理机架 构，易于构建并行处理平台。考虑到工作台超精密 同步运动需求，除采用软件同步外，还需设计同步 控制时序；但同步精度主要依赖控制网络数据传输 延迟的精度，而标准 VME 协议中，主机按地址映 射关系轮询各从机，其传输协议涉及信号菊花链及 握手等，其数据总线控制权更迭存在不确定的等待 时间，当涉及多源、多目的地址数据传输时，难以 达到精确传输延迟。 图 2 示意了基于 VME 及其扩展总线的多处理 器并行架构。在 VME P2 的扩展引脚上，定义了内 部总线和错误总线作为标准 VME 的补充： ① 弱实 时性要求数据传输在 VME 总线进行，如运动控制 任务参数， 激光测量配置参数等； ② 内部总线在运
摘要：多轴超精密同步运动控制系统采用并行多处理器架构，提出基于分布式共享存储思路的数据交互机制，应对该控制系 统中的高效数据采样与传输。 设计含自定义总线的多总线运动控制网络， 在分布式物理内存上实现统一编址的共享内存模型， 通过基于硬件实现的消息传递服务刷新共享数据而维护其一致性，减小共享数据访问开销；将数据交互过程与实时控制算法 呈流水线进行，优化并行计算周期时隙分配，最大化并行处理器使用效率；制定数据交互过程的精密同步策略，实现激光干 涉测量位置数据同步采样。试验表明，数据交互机制性能不受并行处理器数目增多的影响，能达到稳定高带宽和精确数据传 输延迟；同步策略能实现亚纳秒级别的位置数据采样同步误差，且该误差随信号传输距离稳定分布。应用实例证明了本研究 内容的有效性。 关键词：多轴；超精密；同步运动控制；数据交互；分布式共享存储 中图分类号：TP391
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第 50 卷第 17 期期
③ 工作台动力学模型解耦 、 工作台间相关轴同步 [6-7] 控制算法 在不同的处理器中实现， 其临时数据需 在并行处理器间传输，而多测量系统数据需传输到 其关联的处理器， 即数据传输的源、 目的地址多变； ④ 数据交互需占用尽可能少的软件开销， 而集中资 源来保障算法实时性。 通常设计运动控制网络来解决运动控制器、电 [10] 动机驱动器及传感器间的数据交互问题 ，针对本 文对象存在以下不足： ① 常规控制网络节点间的同 步时序误差在微秒级别，虽通过网络延迟处理或补 [11] [12-13] 偿，如 NSP/SNTP 、IEEE 1588 等，能提高一 定的同步性能(亚微秒级)，但上述方法皆建立在网 络传输双向对称的基础上， 且耗费了较多软件开销； ② 运动控制网络协议， 如串行实时通信协议等， 其 传输带宽较低(20 Mbit/s)，且采用时分复用传输方 式，当数据源与目的多变时效率低，且各运动控制 器间将因等待同步指令而耗费了额外时间开销。 针对并行处理器系统，常采用共享总线或共享 [14] 存储器 建立全局物理内存来共享数据；但随着并 行处理器节点数量的增多，节点间的访问竞争和不 [15] 断增加的延迟限制了系统性能 ，并不适合应用于 既存在较多节点和大量数据传输需求，又具有高实 行性要求的精密运动控制运算。文献[16]设计了 3 个处理器间的共享内存结构， 避免了总线带宽瓶颈， 但该结构在处理器数目进一步增多时会异常复杂。 本文提出了一种基于多总线运动控制网络的 数据交互机制，一方面实现针对激光测量位置数据 的同步采样；另一方面在各运动控制器及位置测量 单 元 间 建 立 分 布 式 共 享 内 存 (Distributed shared memory, DSM)， 由硬件实现的消息传递服务完成共 享数据刷新而维护其一致性。数据交互过程与实时 控制算法执行呈流水线方式进行，并行处理器可同 步访问共享数据而无数据交互软件开销。
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前言
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光刻机工作台要求在高速 (1.6 m/s) 高加速度 (1.5 g)下，达到平均差小于 5 nm 的同步运动精度， 涉及超过 40 个轴的纳米级同步运动。 仅靠提高机械 或电气执行部件精度已难以实现，需要建立精确工 [1-7] 作台运动控制模型，采用有效控制算法 ；但工作
* 国家自然科学基金(51205300)、国家 02 重大科技专项(2009ZX2308-06) 和中央高校基本科研业务费专项资金(2014-IV-101)资助项目。20130918 收到初稿，20140421 收到修改稿
采用“同步锁存，顺序读取”的策略，设计数 据保持信号，在位置采样前同步锁存各激光轴的测 量数据，见图 3，而基于内部总线的数据访问将各 测量光路的位置数据传输到其关联的运动控制器。 各激光计数卡皆由同一个时钟信号与数据保持信号 驱动，从原理上避免了传输延迟对于同步性能的影 响(参考第 3 节传输模型)，其同步误差仅来自于时 钟信号、数据保持信号在信道上的物理传输性能。
Data Interchange Mechanism in Multi-axis Ultra-precise Synchronous Motion Control System
CHENG Xin
(School of Mechanical and Electronic Engineering, Wuhan University of Technology, Wuhan 430070)