모션 제어 시스템은 산업 자동화 분야의 핵심 요소로 광범위한 응용 분야를 포함하고 있으며 차세대 산업 혁명의 중요한 추진요소가 되고 있다. 제어명령 전송 등시성을 보장하는 것은 네트워크 기반 모션 제어 시스템의 필수 기능이다. 제어명령의 확정적인 전송시간을 보장하는 실시간 이더넷 기술들을 사용하더라도, 모션 제어기 내부 소프트웨어의 수행 예측 불가능성은 때때로 매우 큰 제어명령 전송 주기의 ...
모션 제어 시스템은 산업 자동화 분야의 핵심 요소로 광범위한 응용 분야를 포함하고 있으며 차세대 산업 혁명의 중요한 추진요소가 되고 있다. 제어명령 전송 등시성을 보장하는 것은 네트워크 기반 모션 제어 시스템의 필수 기능이다. 제어명령의 확정적인 전송시간을 보장하는 실시간 이더넷 기술들을 사용하더라도, 모션 제어기 내부 소프트웨어의 수행 예측 불가능성은 때때로 매우 큰 제어명령 전송 주기의 편차를 발생시킨다. 이러한 편차는 생성되는 모션의 품질 하락을 유발한다. 본 학위논문에서는 종단간 등시성 제어를 보장하기 위한 간단하지만 효율적인 휴리스틱 기법을 제시한다. 제안하는 휴리스틱 기법의 핵심 아이디어는 모션 제어 태스크의 런타임 수행시간 정보를 바탕으로 모션 제어기에서의 제어명령 전송시점의 위상 오프셋을 조정하는 것이다. 모션 제어 태스크의 안전하고 신뢰성 있는 위상 오프셋 값을 결정하기 위한 선수행 분석과정을 수행하였으며, 결정된 위상 오프셋을 모션 런타임 코드에 반영하기 위해 오픈소스 IEC 61131-3 통합개발환경을 확장한 프레임워크를 구현하였다. 또한, 프레임워크는 응용 개발자에게 편의성을 제공하기 위한 GUI 분석기도 포함한다. 제안한 휴리스틱 기법의 유효성을 검증하기 위해 EtherCAT 기반의 모션 제어 시스템 테스트베드를 구축하였고, 테스트베드 상에서 광범위한 실험을 수행하였다. 성능평가 결과, 휴리스틱 기법은 제어주기와 모터 드라이브 수에 따른 다양한 실험조합에 대해 매우 유효함을 확인할 수 있었다. 커널 수준의 코드 최적화와 커스터마이즈된 하드웨어를 사용하지 않아도, 제안한 휴리스틱 기법은 낮은 성능을 갖는 임베디드 제어기에서도 구동 지터가 제어주기의 1%~2% 이내로 바운드되며, 상용 모션 제어기와 거의 대등한 성능을 보임을 알 수 있었다. 또한, 학위논문에서는 멀티코어 모션 제어기의 성능을 활용하기 위한 모션 런타임의 소프트웨어 모델을 제안한다. I/O 작업과 계산 작업이 혼재된 단일 쓰레드 기반 모션 런타임을 서보 드라이브 프로파일 표준인 CiA 402에 근거한 공유 자료구조를 활용한 멀티쓰레드, 멀티코어 지원이 가능한 형태로 확장하였다. 제안한 소프트웨어 모델은 리눅스 환경에서 쓰레드 실시간 성을 보장할 수 있는 최적화 기법들을 포함하며 런타임 코드의 자동생성을 위해 오픈소스 통합 개발환경에 통합되었다. Preempt-RT 리눅스 기반의 듀얼코어 산업용 PC 모션 제어기를 구축하고 3축 산업용 로봇 플랫폼에서 성능평가를 수행하였다. 성능평가 결과, 1000 μs 제어주기에서 구동 시간 편차가 평균 10 ns, 최대 689 ns 로 매우 좋은 동기화 성능을 보였다. 멀티코어 환경에서 런타임 수행환경을 격리하는 것은 구동 지터를 매우 경감시킬 수 있음을 알 수 있었으며, 제안한 휴리스틱 기법을 같이 사용할 경우 더욱 높은 수준의 등시성 제어가 가능함을 확인할 수 있었다.
모션 제어 시스템은 산업 자동화 분야의 핵심 요소로 광범위한 응용 분야를 포함하고 있으며 차세대 산업 혁명의 중요한 추진요소가 되고 있다. 제어명령 전송 등시성을 보장하는 것은 네트워크 기반 모션 제어 시스템의 필수 기능이다. 제어명령의 확정적인 전송시간을 보장하는 실시간 이더넷 기술들을 사용하더라도, 모션 제어기 내부 소프트웨어의 수행 예측 불가능성은 때때로 매우 큰 제어명령 전송 주기의 편차를 발생시킨다. 이러한 편차는 생성되는 모션의 품질 하락을 유발한다. 본 학위논문에서는 종단간 등시성 제어를 보장하기 위한 간단하지만 효율적인 휴리스틱 기법을 제시한다. 제안하는 휴리스틱 기법의 핵심 아이디어는 모션 제어 태스크의 런타임 수행시간 정보를 바탕으로 모션 제어기에서의 제어명령 전송시점의 위상 오프셋을 조정하는 것이다. 모션 제어 태스크의 안전하고 신뢰성 있는 위상 오프셋 값을 결정하기 위한 선수행 분석과정을 수행하였으며, 결정된 위상 오프셋을 모션 런타임 코드에 반영하기 위해 오픈소스 IEC 61131-3 통합개발환경을 확장한 프레임워크를 구현하였다. 또한, 프레임워크는 응용 개발자에게 편의성을 제공하기 위한 GUI 분석기도 포함한다. 제안한 휴리스틱 기법의 유효성을 검증하기 위해 EtherCAT 기반의 모션 제어 시스템 테스트베드를 구축하였고, 테스트베드 상에서 광범위한 실험을 수행하였다. 성능평가 결과, 휴리스틱 기법은 제어주기와 모터 드라이브 수에 따른 다양한 실험조합에 대해 매우 유효함을 확인할 수 있었다. 커널 수준의 코드 최적화와 커스터마이즈된 하드웨어를 사용하지 않아도, 제안한 휴리스틱 기법은 낮은 성능을 갖는 임베디드 제어기에서도 구동 지터가 제어주기의 1%~2% 이내로 바운드되며, 상용 모션 제어기와 거의 대등한 성능을 보임을 알 수 있었다. 또한, 학위논문에서는 멀티코어 모션 제어기의 성능을 활용하기 위한 모션 런타임의 소프트웨어 모델을 제안한다. I/O 작업과 계산 작업이 혼재된 단일 쓰레드 기반 모션 런타임을 서보 드라이브 프로파일 표준인 CiA 402에 근거한 공유 자료구조를 활용한 멀티쓰레드, 멀티코어 지원이 가능한 형태로 확장하였다. 제안한 소프트웨어 모델은 리눅스 환경에서 쓰레드 실시간 성을 보장할 수 있는 최적화 기법들을 포함하며 런타임 코드의 자동생성을 위해 오픈소스 통합 개발환경에 통합되었다. Preempt-RT 리눅스 기반의 듀얼코어 산업용 PC 모션 제어기를 구축하고 3축 산업용 로봇 플랫폼에서 성능평가를 수행하였다. 성능평가 결과, 1000 μs 제어주기에서 구동 시간 편차가 평균 10 ns, 최대 689 ns 로 매우 좋은 동기화 성능을 보였다. 멀티코어 환경에서 런타임 수행환경을 격리하는 것은 구동 지터를 매우 경감시킬 수 있음을 알 수 있었으며, 제안한 휴리스틱 기법을 같이 사용할 경우 더욱 높은 수준의 등시성 제어가 가능함을 확인할 수 있었다.
Motion control systems (MCS) have been widely used in various industrial fields and are becoming important driving components for the next industrial revolution. Guaranteeing isochronous transfer of control commands is an essential function for networked MCS. Even if the adoption of real-time Ethern...
Motion control systems (MCS) have been widely used in various industrial fields and are becoming important driving components for the next industrial revolution. Guaranteeing isochronous transfer of control commands is an essential function for networked MCS. Even if the adoption of real-time Ethernet (RTE) technologies may be profitable in guaranteeing deterministic transfer of control messages, unpredictable behavior of software in the motion controller often results in unexpectedly large deviation in control message transmission interval. This deviation will leads to the degradation of Quality of Control (QoC). This Ph.D dissertation presents a simple and efficient heuristic to guarantee the end-to-end isochronous control with very small actuation jitter. The key idea is to adjust the phase offset of control message transmission time in the motion controller by investigating the runtime timing property of control task. We performed a pre-runtime analysis to determine a safe, reliable phase offset of control task and implemented a framework to apply the phase offset to the runtime code by extending an open source IEC 61131-3 IDE. Our framework also includes a GUI analyzer which providing an useful information to the application developers. For the verifying the effectiveness of our approach, we constructed an EtherCAT based motion control system testbed and performed extensive experiments on the testbed. The evaluation results show that our heuristic is highly effective under various configurations of control period, and the number of motor drives. Without any kernel-level modification and customized hardware, our heuristic can bound successive actuation jitters within 1%-2% of the control cycle time even on a low-performance embedded controller and provide performances comparable to or even better than that of a commercial controller. In addition, we propose a motion runtime software model that aims to utilize the computing power of multi-core motion controller. With shared data structure based on CiA 402 servo drive profile, we extended the single-threaded implementation of motion runtime to multi-threaded implementation supporting for multi-core architecture. Proposed software model includes several optimization techniques to improve the real time properties in Linux environment. We also have integrated our software model with an industrial compliant IDE for automatic runtime code generation. For the performance evaluation, we constructed a test-bed consisting of a motion controller with Preempt-RT Linux based dual-core industrial PC and a 3 axis industrial robot platform. The experimental results show that the actuation time difference between axes is 10 ns in average and bounded up to 689 ns under 1000 us control period. We observed that the isolation of runtime environment can greatly reduce the actuation jitters on multi-core motion controller. Moreover, proposed runtime software model with our heuristic guarantees higher level of isochronous control by minimizing the unexpected interference.
Motion control systems (MCS) have been widely used in various industrial fields and are becoming important driving components for the next industrial revolution. Guaranteeing isochronous transfer of control commands is an essential function for networked MCS. Even if the adoption of real-time Ethernet (RTE) technologies may be profitable in guaranteeing deterministic transfer of control messages, unpredictable behavior of software in the motion controller often results in unexpectedly large deviation in control message transmission interval. This deviation will leads to the degradation of Quality of Control (QoC). This Ph.D dissertation presents a simple and efficient heuristic to guarantee the end-to-end isochronous control with very small actuation jitter. The key idea is to adjust the phase offset of control message transmission time in the motion controller by investigating the runtime timing property of control task. We performed a pre-runtime analysis to determine a safe, reliable phase offset of control task and implemented a framework to apply the phase offset to the runtime code by extending an open source IEC 61131-3 IDE. Our framework also includes a GUI analyzer which providing an useful information to the application developers. For the verifying the effectiveness of our approach, we constructed an EtherCAT based motion control system testbed and performed extensive experiments on the testbed. The evaluation results show that our heuristic is highly effective under various configurations of control period, and the number of motor drives. Without any kernel-level modification and customized hardware, our heuristic can bound successive actuation jitters within 1%-2% of the control cycle time even on a low-performance embedded controller and provide performances comparable to or even better than that of a commercial controller. In addition, we propose a motion runtime software model that aims to utilize the computing power of multi-core motion controller. With shared data structure based on CiA 402 servo drive profile, we extended the single-threaded implementation of motion runtime to multi-threaded implementation supporting for multi-core architecture. Proposed software model includes several optimization techniques to improve the real time properties in Linux environment. We also have integrated our software model with an industrial compliant IDE for automatic runtime code generation. For the performance evaluation, we constructed a test-bed consisting of a motion controller with Preempt-RT Linux based dual-core industrial PC and a 3 axis industrial robot platform. The experimental results show that the actuation time difference between axes is 10 ns in average and bounded up to 689 ns under 1000 us control period. We observed that the isolation of runtime environment can greatly reduce the actuation jitters on multi-core motion controller. Moreover, proposed runtime software model with our heuristic guarantees higher level of isochronous control by minimizing the unexpected interference.
주제어
#네트워크 기반 모션 제어 시스템 등시성 제어 실시간 성 페이즈 오프셋 조절 EtherCAT 오픈소스 프레임워크
학위논문 정보
저자
김익환
학위수여기관
서울시립대학교
학위구분
국내박사
학과
기계정보공학과
지도교수
김태현
발행연도
2017
총페이지
ⅲ, 96 p.
키워드
네트워크 기반 모션 제어 시스템 등시성 제어 실시간 성 페이즈 오프셋 조절 EtherCAT 오픈소스 프레임워크
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