4-1 雙軸的網路控制系統
當網路控制系統從單軸拓展到雙軸時，兩軸在網路延遲時間可能不同，原 因是雙軸使用了不同網路、使用了容易受到環境影響的無線網路而使兩軸傳輸 延遲時間不同、兩軸網路通過的網域、路由器的數目不同…等。而當我們使用 異質性的網路在循軌跡時，兩軸傳輸延遲時間不同會造成循軌跡的結果與命令 不同，如圖 4.1 所示 XY 的循圓命令因為兩軸的延遲時間不同，響應變成了橢 圓。
圖 4.1 不同時間延遲的雙軸命令與響應結果圖
而本研究的異質性網路雙軸實驗架構如圖 4.2，異質性的雙軸網路其中一軸 為 Ethernet + CAN 的混和網路，而另一軸是單純的 CAN 網路。其中 Ethernet + CAN 的網路由於 Ethernet 有與外部連接，會發生網路壅塞產生延遲，而進行 Ethernet 與 CAN 的封包轉換也會額外增加延遲。因此 Ethernet + CAN 比單純使 用 CAN 網路的延遲時間還要長。
在本章將介紹雙軸的協調機制，其主要包含兩部分，以測量到的延遲時間
來進行協調的等待同步機制與用輪廓誤差來 CCC 架構，使用協調機制後，便能 夠克服異質性網路造成的不同動與誤差。
圖 4.2 異質性網路雙軸實驗架構
4-2 雙軸同步
4-2-1 等待同步機制
造成雙軸不匹配的主要原因就是兩軸的延遲時間不同，因此在兩軸都各別 測量出網路的延遲時間，根據延遲時間差距來進行調整，如圖 4.3。
圖 4.3 等待同步機制
等待同步機制主要分成三個步驟，T1為在 Ehernet+CAN 的時間延遲，T2 為在
CAN 網路的時間延遲，配合圖 4.3 來看：
1. 兩軸個別的延遲時間測量。
→經過測量得到 T1 =102ms、T3=2ms。
2. 測量結果回傳到 Client 端，計算出時間差，換算成需等待的命令數。
→(102-2)/10=5 (取樣週期 Ts = 10ms)，因此 X 軸慢了 10 個命令
3. 根據得到的計算結果，修改延遲時間較小的軸的命令，配合延遲大的軸。
→Client 送 no.500 給 X 軸，送 no.(500-10) 給 Y 軸
4-2-2 等待同步機制模擬
實驗設定：X 軸延遲 102ms，Y 軸延遲 2ms，取樣週期 10ms
圖 4.4 (a) 等待同步機制加入前後的 XY 響應圖
橢圓與圓以真圓度最能夠比較出其差異，真圓度直徑法：最大直徑與最小直徑 之差
加入前：0.3584 加入後：0.0134
加入等待同步機制消除了延遲造成的差異，大幅改善了真圓度，將軌跡由橢圓 改善成圓。
-1 -0.5 0 0.5 1
-1 -0.8 -0.6 -0.4 -0.2 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1
X axis
Y axis
4-3 交叉耦合控制器用於遠端網路控制系統
4-3-1 交叉耦合控制器(cross-coupled controller , CCC)
交叉耦合控制器是由 Koren 所提出[20]，主要目的不是改善各軸的追蹤誤 差，而是協調各軸的位置誤差以消除兩軸以上的輪廓誤差。交叉耦合控制器並 不直接改變個軸的運動控制迴路，而是在軸與軸的控制迴路間加上補償器，藉 由補償器產生適當的迴授信號至各軸而使得各軸的動態響應能夠匹配。之後 Koren and Lo 又提出一種新的交叉耦合控制架構，稱為可變增益交叉耦合控制 器[21,22]，控制器架構如圖 4.5 所示。之所以稱為可變增益的原因為控制器會 依照不同的軌跡形式去調整輪廓誤差增益模組增益值(Cx,Cy)。
圖 4.5 可變增益交叉耦合控制器結構圖
4-3-2 交叉耦合控制器圓路徑(circular Contour)
由圖 4.6 的圓路徑幾何形狀可知道其輪廓誤差ε為：
(
Px −X)
+(
Py −Y)
−R= 0 2 0 2
ε
其中刀具實際位置
(
P ,x Py)
可以由軸位置誤差(
E ,x Ey)
與命令軌跡來表示，即：在實驗架構中，位置回授透過網路傳回控制端，位置命令由控制端透過網 路向 XY 兩軸發出，因此，將 CCC 的補償值改為由位置命令加入，因此將傳統 的交叉耦合控制系統架構(圖 4.7)稍作修改，將加入補償值的位置提前到位置增 益之前[23]，如圖 4.8 所示。由於是網路控制，為了避免網路傳輸延遲造成系統 的不穩定，把 PDC 加入圖 4.8 的架構當中，然而 PDC 的 Butterfly element 卻會 影響位置迴授訊號，因此我們把受到 PDC butterfly element 影響到的位置回授 訊號與 CCC 要用的位置迴授訊號分開，最後得到一系統架構，能夠防止網路傳 輸延遲時間造成的系統不穩定，另外還有 CCC 協調雙軸減少誤差的功能，如圖 4.9 所示。
圖 4.7 交叉耦合控制器的運動控制系統架構
圖 4.8 補償位置提前到增益之前並加上網路傳輸
圖 4.9 CCC+PDC 的遠端控制系統
4-4 結合的雙軸協調機制
圖 4.10 根據雙軸延遲差距補償的 CCC 架構
以 X 軸延遲 50ms，Y 軸延遲 2ms 進行模擬，比較 XY 軸延遲同步後，加入 CCC without CCC
-1 -0.5 0 0.5 1 with CCC, C=3
(a) (b)