(57)【要約】【課題】通信マスタ装置と複数のノードとの間をライントポロジーで接続する通信システムにおいて、各ノードにおける同期信号の生成タイミングのずれを補正する。【解決手段】通信システムは、通信マスタ装置と、通信マスタ装置から送出される通信フレームを受信する複数のノードとがライントポロジーで接続されている。通信マスタ装置は、ライントポロジー上で通信マスタ装置から遠方に位置する順に、各ノードに与えるべきデータが格納されるフィールドが配置された通信フレームを送出する。各ノードの信号処理ＬＳＩは、通信フレーム内で各ノードに割り当てられたフィールドのデータ到着時に同期信号を生成する同期信号生成回路１２と、ライントポロジー上で下流側に隣接するノードとの間に生じる伝播遅延時間を計算する演算回路１８と、伝播遅延時間に基づき、下流側に隣接するノードに送信する通信フレームを遅延させる遅延回路２４と、を備える。【選択図】図５
2012253682.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
通信マスタ装置と、通信マスタ装置から送出される通信フレームを受信する複数のノードとがライントポロジーで接続された通信システムであって、
前記通信マスタ装置は、ライントポロジー上で通信マスタ装置から遠方に位置する順に、各ノードに与えるべきデータが格納されるフィールドが配置された通信フレームを送出し、
前記ノードは、
通信フレーム内で各ノードに割り当てられたフィールドのデータ到着時に同期信号を生成する同期信号生成回路と、
ライントポロジー上で下流側に隣接するノードとの間に生じる伝播遅延時間を計算する演算回路と、
前記伝播遅延時間に基づき下流側に隣接するノードに送信する通信フレームを遅延させる遅延回路と、
を備えることを特徴とする通信システム。
【請求項２】
請求項１に記載の通信システムを、互いに直交する方向に配置されたリニアモータを使用してステージを駆動するリニアモータ駆動装置に適用した通信システムであって、
前記通信マスタ装置がＣＮＣ装置であり、前記ノードがリニアモータ制御装置であることを特徴とする通信システム。
【請求項３】
通信マスタ装置と、通信マスタ装置から送出される通信フレームを受信する複数のノードとがライントポロジーで接続された通信システムにおいて、
前記通信マスタ装置は、ライントポロジー上で通信マスタ装置から遠方に位置する順に、各ノードに与えるべきデータが格納されるフィールドが配置された通信フレームを送出し、
前記ノードは、
通信フレーム内で各ノードに割り当てられたフィールドのデータ到着時に同期信号を生成し、
ライントポロジー上で下流側に隣接するノードとの間に生じる伝播遅延時間を計算し、
前記伝播遅延時間に基づき下流側に隣接するノードに送信する通信フレームを遅延させる
ことを含む通信方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、産業用イーサネット技術を用いた通信技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＩＥＥＥ８０２．３で規定されるイーサネット（登録商標）技術を用いた産業用イーサネットでは、相互通信する複数の機器を通信ケーブルで接続する際に、図１に示すように、例えばＣＮＣ（Computer Numerical Control）装置などの通信マスタ装置Ｍとモータ制御装置などの複数のノード１〜４をデイジーチェーン方式で接続するライントポロジーを採用することがある。通信マスタ装置Ｍとノード１〜４は、それぞれ信号処理ＬＳＩとコネクタＣを有しており、下り回線（すなわち、通信マスタ装置から各ノードに向かう回線）と上り回線（すなわち、各ノードから通信マスタ装置に向かう回線）とがループして通信マスタ装置に戻って来るように、コネクタＣ間にケーブルが接続される。終端ノードにおける空きコネクタの処置は、図示のように外部ケーブルで折り返ししてもよいし、ＬＳＩの内部処理で折り返すようにしてもよい。コネクタＣ内の「ｒｘ」は受信端子を表し、「ｔｘ」は送信端子を表している。
【０００３】
ライントポロジーを用いる場合、通信マスタ装置から全ノードに与える通信データを一つの通信フレーム内にまとめて通信する統合フレーム方式を用いるのが一般的である。各ノードは、通信フレーム内でノード毎に予め定められたフィールドから自身のデータを読み出してそれぞれ必要な処理を実行する。このようなライントポロジーと統合フレーム方式の組み合わせの利点は、インターネット等で使用される一般的なイーサネットとは異なり、通信フレーム同士の衝突が発生しないため、通信マスタ装置から各ノードに通信フレームを周期的に送信できることである。
【０００４】
例えば、特許文献１には、モータ制御用シリアル通信装置において、上位制御装置と各モータ駆動装置とをデイジーチェーン接続することで、配線効率を高め、またハブを不要にすることが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００３−１８９６５４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
図１に示すような通信システムでは、各ノードは通信フレームの受信をタイミングとして各ノードにおける処理を同期させる。例えば図２に示すように、ノード１は通信フレームの先頭が到達した時刻ｔ１で同期信号を生成し、ノード２は時刻ｔ２で同期信号を生成する。時刻ｔ１とｔ２の差は、ノード１および２の間の伝播遅延に相当する。伝播遅延は、通信ケーブル内の遅延や各ノードの信号処理ＬＳＩによる遅延等を合計したものになる。
【０００７】
ＣＮＣ装置で制御される工作機械などのように、各ノード間の高精度の同期が必要とされるシステムでは、上記の伝播遅延は同期タイミングのずれとなり、そのまま加工誤差として現れる。したがって、伝播遅延の影響をできるだけ小さくすることが求められる。
【０００８】
本発明はこうした状況に鑑みてなされたものであり、その目的は、通信マスタ装置と複数のノードとの間をライントポロジーで接続する通信システムにおいて、各ノードにおける同期信号生成タイミングのずれを補正する技術を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の一態様は、通信マスタ装置と、通信マスタ装置から送出される通信フレームを受信する複数のノードとがライントポロジーで接続された通信システムである。通信マスタ装置は、ライントポロジー上で通信マスタ装置から遠方に位置する順に、各ノードに与えるべきデータが格納されるフィールドが配置された通信フレームを送出する。ノードは、通信フレーム内で各ノードに割り当てられたフィールドのデータ到着時に同期信号を生成する同期信号生成回路と、ライントポロジー上で下流側に隣接するノードとの間に生じる伝播遅延時間を計算する演算回路と、伝播遅延時間に基づき下流側に隣接するノードに送信する通信フレームを遅延させる遅延回路と、を備える。
【００１０】
この態様によると、各ノードにおける同期信号の生成タイミングのずれを低減することができる。
【００１１】
なお、以上の構成要素の任意の組み合わせや、本発明の構成要素や表現を方法、装置、システムなどの間で相互に置換したものもまた、本発明の態様として有効である。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、通信マスタ装置と複数のノードとの間をライントポロジーで接続する通信システムにおいて、各ノードにおける同期信号の生成タイミングのずれを補正することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】通信マスタ装置と複数のノードとがライントポロジーで接続された従来技術による通信システムを示す図である。
【図２】従来技術による同期信号生成タイミングの遅延を説明する図である。
【図３】本発明の一実施形態に係る、通信マスタ装置と複数のノードとがライントポロジーで接続された通信システムの概略を示す図である。
【図４】通信マスタ装置から送信される通信フレームの構成を示す図である。
【図５】各ノードの信号処理ＬＳＩの回路構成を示すブロック図である。
【図６】各ノードにおける処理を同期させる原理を説明する図である。
【図７】各ノードにおける処理を同期させる原理を説明する図である。
【図８】伝播遅延時間の導出方法を説明する図である。
【図９】本実施形態に係る、各ノードにおける処理を同期させる方法のフローチャートである。
【図１０】本実施形態を適用可能なリニアモータ駆動システムの概略構成図である。
【図１１】図１０のシステムにおける通信マスタ装置と複数のノード間の接続を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
図３は、本発明の一実施形態に係る通信システム５０の概略を示す図である。通信システム５０は、図１で説明したものと同様に、通信マスタ装置Ｍと複数のノードとがライントポロジーで接続される。本実施形態では、通信マスタ装置にｚ個（ｚは自然数）のノードが接続されており、図３ではそのうちｎ番目（ｎ＜ｚ、ｎは自然数）のノードｎとｎ＋１番目のノードｎ＋１を主に表している。
【００１５】
ノードｎとノードｎ＋１は、それぞれ二つのコネクタＣ１、Ｃ２と信号処理ＬＳＩ１０とを備える。便宜的に、通信マスタ側のコネクタをＣ１、末端ノードｚ側のコネクタをＣ２と表記する。図１と同様に、コネクタＣ１、Ｃ２内の「ｒｘ」は受信端子を表し、「ｔｘ」は送信端子を表している。通信フレームは、通信マスタ装置から下り回線（すなわち、通信マスタ装置から末端ノードｚに向かう回線）を経由し、続いて上り回線（すなわち、末端ノードｚから通信マスタ装置に向かう回線）を経由して通信マスタ装置に戻る。
【００１６】
なお、ノードは、通信マスタ装置から送信されるデータを受け取る任意の機器であってよい。例えば、通信システムを多軸加工の工作機械に適用する場合、ノードは各軸モータの制御装置に相当する。通信システムをレーザ加工機に適用する場合、ノードはステージ駆動モータおよびガルバノモータの制御装置に相当する。
【００１７】
図４は、通信マスタ装置から統合フレーム方式で送信される通信フレームＦの構成を示す。図中の左側を先頭にフレームが伝送されるものとする。
【００１８】
ヘッダ８０には、通信フレームの先頭を表すビット、通信フレームのメタデータ等が格納される。
【００１９】
データフィールド８２は、通信マスタ装置に接続される全ノード数以上の個別フィールドが確保されており、ノード毎に一つのフィールドが割り当てられる。本実施形態では、通信マスタ装置から遠方に位置するノードから順にフィールドが割り当てられる。すなわち、データフィールド８２の最左端に末端ノードｚ用のフィールドが割り当てられ、データフィールド８２の最右端にノード１用のフィールドが割り当てられる。以下、ノードｎに割り当てられるフィールドを「フィールドｎ」のように表記する。各ノードに割り当てられるフィールド長は全て等しいものとする
【００２０】
ＬＢＴフィールド８４は、後述するループバック時間（ＬＢＴ：Loop Back Time）が格納されるフィールドである。ＬＢＴフィールド８４は、データフィールド８２の前に配置されてもよい。
【００２１】
チェックコードフィールド８６は、チェックサムまたはＣＲＣ符号値などのチェックコードが格納される。
なお、通信フレームＦに上記以外のフィールドが確保されていてもよいのは言うまでもない。
【００２２】
図５は、各ノードの信号処理ＬＳＩ１０の回路構成を示すブロック図である。
【００２３】
時間計測回路１４は、タイマ１６を使用して、下り回線の通信フレームの到達時刻ｔｄと上り回線の通信フレームの到達時刻ｔｕとを測定する。
同期信号生成回路１２は、通信フレーム内で各ノードに割り当てられたフィールドのデータ到着時に同期信号を生成する。
演算回路１８は、上下の通信フレーム到達時刻の差分であるループバック時間ＬＢＴ＝（ｔｕ−ｔｄ）を計算する。また、後述するように、遅延回路２４で設定すべき遅延時間Ｄを計算する。
ＬＢＴ読出回路２８は、上り回線の通信フレームのＬＢＴフィールドから、下流側の隣接ノードで書き込まれたＬＢＴを読み出す。
ＬＢＴ書込回路２０は、演算回路１８で求められた自ノードのＬＢＴを上り回線の通信フレームのＬＢＴフィールドに書き込む。ＬＢＴが書き込まれた通信フレームは、上流側の隣接ノードに送信される。
遅延回路２４は、演算回路１８で計算された遅延時間Ｄだけ下り回線の通信フレームを遅延させる。遅延された通信フレームは、下流側の隣接ノードに送信される。
【００２４】
図示しないが、通信マスタ装置Ｍの信号処理ＬＳＩも、以下の点を除き図５に示したのと同様の構成を備える。通信マスタ装置Ｍでは、時間計測回路１４は、通信フレームの送出時刻と上り回線の通信フレームの到達時刻との差分をループバック時間ＬＢＴとして計算する。また、ＬＢＴ書込回路２０は不要である。
【００２５】
以下、信号処理ＬＳＩ１０によって、各ノードにおける処理を同期させる原理を説明する。
【００２６】
通信マスタ装置Ｍは、図４に示した通信フレームＦを送出する。上述したように、通信フレームＦ内では遠方のノードに対するデータの方が近方のノードに対するデータよりも先行して配置されている。各ノードの同期信号生成回路１２は、通信フレームＦ内で、各ノードに割り当てられたフィールドのデータ到着時に同期信号を生成する。
【００２７】
図６は、この様子を説明する図である。図中の上側がノードｎに到達する通信フレームを、下側がノードｎ＋１に到達する通信フレームを表している。ノードｎに通信フレームの先頭が到達した時刻をｔ１、ノードｎ＋１に通信フレームの先頭が到達した時刻をｔ２とすると、（ｔ２−ｔ１）がノード間の伝播遅延時間ＰＤＴ（Propagation Delay Time）となる。
【００２８】
また、ノードｎはフィールドｎの到達時刻ｔ４で同期信号を生成するのに対して、ノードｎ＋１はフィールドｎ＋１の到達時刻ｔ３で同期信号を生成する。ノードｎ＋１は通信フレームＦ内でフィールドｎよりも前に配置されているので、ノードｎ＋１における同期信号生成の方がノードｎにおける同期信号生成よりも早くなる。この時間差（ｔ４−ｔ３）を遅延時間Ｄと呼ぶ。
【００２９】
したがって、図７に示すように、本来の伝播遅延時間ＰＤＴに加えて、ノードｎ＋１への通信フレームＦの到着を遅延時間Ｄだけ遅らせれば、ノードｎとノードｎ＋１における同期信号生成タイミングをともに時刻ｔ４に合わせることができる。つまり、各ノードの信号処理ＬＳＩは、次式で算出される遅延時間Ｄを、遅延回路によって下りの通信フレームに付与した上で、下流側の隣接ノードに送信することで、ノード間の同期信号生成時間を補正することができる。
遅延時間Ｄ＝（１フィールドデータ長の伝送時間Ｌ）−伝播遅延時間ＰＤＴ・・・（式１）
【００３０】
なお、図から理解できるように、上記原理は、１フィールドデータ長の伝送時間Ｌがノード間の伝播遅延時間ＰＤＴよりも長いことが前提となる。しかし、伝播遅延時間ＰＤＴは数十クロック程度であり、フィールドデータの伝送時間はそれより長いことが通常であるため、この前提が成立しない場合はほとんどないと考えられる。
【００３１】
以上の処理を通信マスタ装置Ｍと全てのノードでそれぞれ実行することで、通信マスタ装置に接続される全ノードの同期信号生成タイミングを一致させることができる。
【００３２】
上記の処理のためには、各ノード間の伝播遅延時間ＰＤＴを計測する必要がある。図８を参照して、伝播遅延時間ＰＤＴの導出方法について説明する。
【００３３】
ライントポロジーでは、一つの通信フレームＦが各ノードを下り回線と上り回線の二回通過する。図８（ａ）では、ノードｎ＋１における下りの通信フレームの到達時刻をｔ２、上りの通信フレームの到達時刻をｔ３として表している。
【００３４】
ノードｎ＋１の信号処理ＬＳＩの時間計測回路１４は、上下の通信フレームの到達時刻をそれぞれ測定し、演算回路１８は到達時刻の差分（ｔ３−ｔ２）を計算する。この上下の通信フレームの時間差を、本明細書ではループバック時間ＬＢＴと呼ぶ。以下、ノードｎにおけるループバック時間をＬＢＴ（ｎ）のように表記する。
【００３５】
信号処理ＬＳＩのＬＢＴ書込回路２０が、算出されたループバック時間ＬＢＴ（ｎ＋１）を上りの通信フレームＦのＬＢＴフィールドに書き込んだ後、通信フレームが上流側の隣接ノードｎに送信される。
【００３６】
図８（ｂ）は、ノードｎにおける下りの通信フレームの到達時刻をｔ１、上りの通信フレームの到達時刻をｔ４として表している。ここで、ノードｎの方がノードｎ＋１よりも上流すなわち通信マスタ装置側にあることから、ｔ１＜ｔ２、ｔ４＞ｔ３であることに注意する。
【００３７】
ノードｎの信号処理ＬＳＩのＬＢＴ読出回路２８は、ノードｎ＋１から送られて来た上りの通信フレームのＬＢＴフィールドから、ループバック時間ＬＢＴ（ｎ＋１）を読み取る。また、ノードｎ＋１と同様に、演算回路１８がノードｎにおけるループバック時間ＬＢＴ（ｎ）＝（ｔ４−ｔ１）を計算する。ＬＢＴ書込回路がＬＢＴ（ｎ）をＬＢＴフィールドに書き込んだ後、通信フレームはさらに上流側の隣接ノードに送信される。
【００３８】
図８（ａ）、（ｂ）から理解できるように、ＬＢＴ（ｎ）とＬＢＴ（ｎ＋１）の差分は、ノードｎとノードｎ＋１とを結ぶ下り回線と上り回線の二回分の伝播遅延時間ＰＤＴを含んでいる。したがって、ノードｎの演算回路１８は、次式によりノードｎとノードｎ＋１との間の伝播遅延時間ＰＤＴを求める。
ＰＤＴ＝｛ＬＢＴ（ｎ）−ＬＢＴ（ｎ＋１）｝／２・・・（式２）
【００３９】
なお、マスタ装置Ｍは、フレームを送出する際、あらかじめＬＢＴ＝０として送信する。また、末端ノードでの伝播遅延時間ＰＤＴの計算式は、ＰＤＴ＝ＬＢＴ（ｎ）／２となる。
【００４０】
以上の演算を、通信マスタ装置を含む全ノードで行うことで、全ての隣接ノード間の伝播遅延時間ＰＤＴを求めることができる。
【００４１】
図９は、本実施形態に係る、各ノードにおける処理を同期させる方法のフローチャートである。
【００４２】
通信マスタ装置Ｍは、制御用データを含む実際の通信フレームを送信する前に、時刻同期用の通信フレームを各ノードに送信する（Ｓ１０）。ノードｎの時間計測回路１４は、上下の通信フレームの時間差であるループバック時間ＬＢＴ（ｎ）を計測する（Ｓ１２）。ＬＢＴ読出回路２８は、上り通信フレームのＬＢＴフィールドから、下流側隣接ノードのループバック時間ＬＢＴ（ｎ＋１）を読み出す（Ｓ１４）。ＬＢＴ書込回路２０は、上り通信フレームのＬＢＴフィールドに、自ノードのループバック時間ＬＢＴ（ｎ）を書き込み、上流側隣接ノードに送信する（Ｓ１６）。演算回路は、式２にしたがって自ノードと下流側隣接ノードの間の伝播遅延時間ＰＤＴを計算する（Ｓ１８）。演算回路１８は式１にしたがって遅延時間Ｄを計算し、遅延回路２４に設定する（Ｓ２０）。
【００４３】
図１０は、本実施形態を適用可能なリニアモータ駆動システム１００の概略構成図である。ステージ１０２は、Ｘ方向に沿って配置されたリニアモータ１０４に搭載されている。また、リニアモータ１０４は、Ｙ方向に沿って平行に配置された二台のリニアモータ１０６、１０８に搭載されている。これにより、リニアモータ駆動システム１００は、ステージ１０２をＸＹ平面内で移動させることができる。
【００４４】
図１１は、図１０のリニアモータ駆動システム１００における通信マスタ装置Ｍと複数のノードＸ、Ｙ１、Ｙ２間の接続を示す図である。図示するように、通信マスタ装置Ｍと複数のノードは、上記の通信システム５０と同様にライントポロジーで接続される。図１と同様に、通信マスタ装置Ｍとノードはそれぞれ信号処理ＬＳＩとコネクタＣを有しており、下り回線と上り回線とがループして通信マスタ装置に戻って来るように、コネクタＣ間にケーブルが接続される。終端ノードにおける空きコネクタの処置は、図示のように外部ケーブルで折り返ししてもよいし、ＬＳＩの内部処理で折り返すようにしてもよい。
【００４５】
通信マスタ装置Ｍは例えばＣＮＣ装置であり、ノードＸ、Ｙ１、Ｙ２は、それぞれリニアモータ１０４、１０６、１０８のモータ制御装置である。ＣＮＣ装置からモータ制御装置に対して、位置指令、速度指令、トルク指令などの各種動作指令が提供される。
【００４６】
この構成において、上述の実施形態の通信方法を適用することで、ＣＮＣ装置と複数のモータ制御装置の時刻同期精度を改善することができ、したがってステージ１０２の位置決め精度を改善することができる。
【００４７】
以上説明したように、本実施形態によれば、通信マスタ装置と複数のノードとの間をライントポロジーで接続する通信システムにおいて、各ノード間の伝播遅延を測定し、これに基づき各ノードにおける同期信号の生成タイミングを補正することができる。したがって、複数ノード間の時刻同期精度が向上し、各ノードで制御される機器による移動誤差または加工誤差を低減することができる。
【００４８】
以上、本発明の実施の形態について説明した。これらの実施の形態は例示であり、それらの各構成要素の組み合わせにいろいろな変形例が可能なこと、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。
【００４９】
本発明は、複数機器間をライントポロジーで接続した通信システムであって、同期処理が必要となる任意のシステムに適用することができる。
【符号の説明】
【００５０】
１０  信号処理ＬＳＩ、  １２  同期信号生成回路、  １４  時間計測回路、  １６  タイマ、  １８  演算回路、  ２０  ＬＢＴ書込回路、  ２４  遅延回路、  ２８  ＬＢＴ読出回路、  ５０  通信システム、  Ｆ  通信フレーム、  Ｍ  通信マスタ装置。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2012253682.tif 000009
【図８】
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【図９】
2012253682.tif 000011
【図１０】
2012253682.tif 000012
【図１１】
2012253682.tif 000013