마이크로초 수준 정확도를 갖는 이더캣 전송 시스템 설계 :Design of microsecond-accurate EtherCAT transmission system

오정규

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자료유형: 학위논문

저자정보: 오정규 (서울시립대학교, 서울시립대학교 일반대학원)

지도교수: 성민영

발행연도: 2023

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이 논문의 연구 히스토리 (2)

2023

마이크로초 수준 정확도를 갖는 이더캣 전송 시스템

오정규 , 백승은 , 윤희승 외 1명 한국정보과학회 학술발표논문집 2023.06 학술대회자료

마이크로초 수준 정확도를 갖는 이더캣 전송 시스템 설계

오정규 기계정보공학과 2023.01 학위논문

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EtherCAT 네트워크 기반 제어시스템에서는 분산 시계 동기화 메커니즘을 통하여 정밀한 제어 가능하다. 하지만, 제어기 소프트웨어의 불규칙한 실행시간은 제어 명령 전송 주기의 편차를 발생시킨다. 이로 인한 부정확한 제어 명령 수신 시점은 시스템 성능을 크게 저하한다. 그렇기 때문에 매 주기 정확한 시점에 제어 명령을 전송하여 동기화된 동작이 수행되도록 하는 것이 매우 중요하다. 특히, 상용화될 것으로 예측되는 Giga-bit EtherCAT 기술이 적용된 100μs 이하의 초단기 제어 시스템에는 더욱 정확한 제어 명령 전송 기술이 필요하다.
본 학위 논문에서는 매 주기 정확한 전송 시점을 계산하기 위해서 분산 시계 동기화 성능을 높이기 위한 기법과 명령 프레임 전송 시점을 조절하는 두 가지 송신기법을 제시한다. 또한, 다양한 실제 필드 수준의 실험환경을 구성하여 제안하는 EtherCAT 전송 시스템의 우수성을 평가하였다. 성능 평가 결과 EtherCAT 마스터의 분산 시계 동기화 시점의 개선과 PI기반 분산 시계 동기화 메커니즘을 통하여 동기 시계의 분산이 최대 62.63% 감소됨을 확인하였다. 또한, 1μs 이내의 분산 시계 동기화에 필요한 주기를 약 300회로 빠르게 동기화 시킬 수 있었다. 두가지 송신기법 중, 폴링기법을 이용하여 이번 주기의 전송 시점을 계산하는 첫 번째 송신기법은 측정된 실험 환경에서 명령 프레임 수신 시점 지터의 표준 편차가 91% 감소하였으며, PI 제어를 이용하여 최적의 실행시간으로 동작할 수 있도록 하는 두 번째 송신기법은 77.54% 감소하였다. 또한, 제안한 기법이 적용된 100μs주기의 초단기 제어 시스템에서 가용 Sync0 Shift Time이 10μs 증가 하였다.

In the EtherCAT network control systems, the distributed clock synchronization mechanism enables precise control. However, the irregular execution time of the controller software causes deviations in the control command transmission cycle. The inaccurate timing of receiving control commands significantly reduces the system performance. Therefore, it is very important to send control commands at the accurate time to ensure synchronized operation. In particular, more accurate control command transmission technology is essential for Microsecond-range control cycle control systems of 100μs or less with Giga-bit EtherCAT technology, which is expected to be commercialized.
In this thesis, we propose two techniques to improve the performance of distributed clock synchronization and adjust the transmission timing of command frames for calculating accurate transmission points at each cycle. In addition, various field-level experimental environments were constructed to evaluate the performance of the proposed EtherCAT transmission system. The performance evaluation results show that the distributed of the synchronization clock is reduced by up to 62.63% through the improvement of the PI-based EtherCAT distributed clock synchronization mechanism. Furthermore, it was possible to achieve distributed clock synchronization within 1μs in approximately 300 cycles.
Among the two transmission techniques, the first technique, which uses a polling method to calculate the transmission time of the current cycle, reduced the standard deviation of the jitter at the time of receiving the command frame by 91% in the measured experimental environment. The second technique, which uses PI control to operate at the optimal execution time, reduced the jitter by 77.54%. Improvement of distributed clock mechanism and transmission techniques in a 100μs cycle Microsecond-range control cycle control system resulted in a wider available Sync0 Shift Time.

#네트워크 기반 제어시스템 #EtherCAT #분산 시계 동기화

1. 서 론 1
2. 연구 배경 및 관련 연구 3
2.1 EtherCAT 기반 모션 제어기 3
2.2 분산 시계 동기화 메커니즘 9
2.3 관련연구 12
3. 성능 분석 및 성능 향상을 위한 설계 15
3.1 분산 시계 동기화 성능 분석 및 설계 15
3.1.1 마스터 동기화 시점에 따른 분산 시계 동기화 성능 15
3.1.2 분산 시계 편차(DC 드리프트) 보정 기법 16
3.2 명령 전송 정확도 향상 기법 18
3.2.1 결정형 송신기법(METS-Deterministic) 19
3.2.2 적응형 송신기법(METS-Adaptive) 21
4. 성능 평가 23
4.1 실험환경 23
4.2 개선된 분산 시계 동기화 성능 분석 및 평가 26
4.2.1 분산 시계 동기화 성능 저하 원인 분석 26
4.2.2 개선된 분산 시계 동기화 기법 성능 평가 27
4.3 명령 프레임 전송 정확도 향상 기법 성능 평가 32
4.3.1 두가지 송신기법(METS - D, A) 평가 32
4.3.2 가용 Sync0 Shift Time 측정 36
5. 결론 39
참 고 문 헌 41
Abstract 46

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