基于ethercat的多軸運動控制器

1、基于EtherCAT的多軸運動控制器,1           EtherCAT技術(shù)介紹2 EtherCAT技術(shù)的實現(xiàn)3 EtherCAT伺服控制器原理,概述,由于以太網(wǎng)通信速度快、數(shù)據(jù)量大等特點使運動控制性能得到了極大的提升。EtherCAT（Ethernet for Control Autom

2、ation Technology）技術(shù)（也稱為以太網(wǎng)現(xiàn)場總線）是德國BECKHOFF公司提出的實時工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù). 它基于標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)技術(shù)，具備靈活的網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)配置簡單，具有高速、高有效數(shù)據(jù)率等特點，其有效數(shù)據(jù)率可達90%以上.,EtherCAT產(chǎn)品,1.1 EtherCAT系統(tǒng)組成和工作原理,EtherCAT采用主從式結(jié)構(gòu)，主站PC機采用標(biāo)準(zhǔn)的100Base-TX以太網(wǎng)卡，從站采用專用芯片。系統(tǒng)控制周

3、期由主站發(fā)起，主站發(fā)出下行電報.數(shù)據(jù)幀遍歷所有從站設(shè)備，每個設(shè)備在數(shù)據(jù)幀經(jīng)過時分析尋址到本機的報文，根據(jù)報文頭中的命令讀入數(shù)據(jù)或?qū)懭霐?shù)據(jù)到報文中指定位置，并且從站硬件把該報文的工作計數(shù)器（WKC）加１，表示該數(shù)據(jù)被處理。,應(yīng)用范圍廣泛 EtherCAT支持幾乎所有的拓撲類型，包括線型、樹型、星型等，其在物理層可使用100BASE-TX雙絞線、100BASE-FX光纖或者 LVDS（Low Voltag

4、e Differential Signaling, 即低壓差分信號傳輸），還可以通過交換機或介質(zhì)轉(zhuǎn)換器實現(xiàn)不同以太網(wǎng)布線的結(jié)合。,1.2 EtherCAT數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu),EtherCAT以標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)技術(shù)為基礎(chǔ)，在MAC（媒體訪問層）增加了一個確定性調(diào)度的軟件層，該軟件層實現(xiàn)了通信周期內(nèi)的數(shù)據(jù)幀的傳輸。EtherCAT采用標(biāo)準(zhǔn)的IEEE802.3以太網(wǎng)幀，幀結(jié)構(gòu)如圖2，各部分含義見表1：,EtherCAT沒有重

5、新定義新的以太網(wǎng)幀結(jié)構(gòu)，而是在標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)幀結(jié)構(gòu)中使用了一個特殊的以太網(wǎng)幀類型0x88A4，采用這種方式可以使控制數(shù)據(jù) 直接寫入以太網(wǎng)幀內(nèi)，并且可以與遵守其它協(xié)議的以太網(wǎng)幀在同一網(wǎng)絡(luò)中并行。一個EtherCAT幀中可以包含若干個EtherCAT子報文，報文結(jié)構(gòu)如圖3，各部分含義見表2，每個報文都服務(wù)于一塊邏輯過程映像區(qū)的特定內(nèi)存區(qū)域，由FMMU（Fieldbus Memory Management 

6、Unit，負責(zé)邏輯地址與物理地址的映射）寄存器和SM（Sync Manager，負責(zé)對ESC和微處理器內(nèi)存的讀寫）寄存器定義，該區(qū)域最大可達４GB字節(jié)。EtherCAT報文由一個16位的WKC(Working Count)結(jié)束，其數(shù)據(jù)區(qū)最大長度可達1486個字節(jié)。在報文頭中由8位命令區(qū)數(shù)據(jù)決定主站對從站的尋址方式，由于數(shù)據(jù)鏈獨立于物理順序，因此可以對EtherCAT從站進行任意的編址。,2.1 EtherCAT主站的

7、實現(xiàn),EtherCAT技術(shù)在主站方面只需在一塊標(biāo)準(zhǔn)的NIC網(wǎng)卡，主站功能完全由軟件實現(xiàn)。EtherCAT可以用一個以太網(wǎng)幀發(fā)送1486字節(jié)的有效數(shù)據(jù)，所以在通常情況下，每個通信周期只需要一個或兩個幀就能完成所有結(jié)點的全部通信。,EtherCAT主站程序應(yīng)該包含以下幾個方面：,(１)      讀取XML配置文件，根據(jù)配置文件信息構(gòu)造主站與從站設(shè)備；(２)  &

8、#160;   管理EtherCAT從站，發(fā)送配置文件中定義的初始化幀，初始化從站，為通信做準(zhǔn)備；(３)      使用郵箱操作實現(xiàn)非周期性數(shù)據(jù)傳輸，配置系統(tǒng)參數(shù)，處理通信過程中某些偶然性事件； (４)      實現(xiàn)過程數(shù)據(jù)通信，完成主站與從站之間的實時數(shù)據(jù)交換，達到主站控制從站運行，并處理從站實時狀態(tài)

9、的功能。,2.2 EtherCAT從站的實現(xiàn),可以利用BECKHOFF公司開發(fā)的從站控制器ESC(EtherCAT Slave Controller)根據(jù)實際需要設(shè)計從站設(shè)備。從站硬件示意圖如圖5。從站控制器與主站交換兩種形式的數(shù)據(jù)，一種是周期性數(shù)據(jù)，一種是非周期性數(shù)據(jù)， 周期性數(shù)據(jù)傳輸可以采用緩沖區(qū)方式，任何一方在任何時間都可以訪問此方式定義的內(nèi)存，得到最新數(shù)據(jù)； 非周期性數(shù)據(jù)傳輸采用握手

10、方式（郵箱方式）實現(xiàn)，一方寫入數(shù)據(jù)到定義的內(nèi)存，只有完成定義內(nèi)存的最后一個字節(jié)的寫入，另一方才能開始從定義內(nèi)存中讀出數(shù)據(jù)，而且只有在讀出定義內(nèi)存的最后一個字節(jié)數(shù)據(jù)后，才能重新寫入數(shù)據(jù)。,3.1系統(tǒng)概述,一個EtherCAT主站通過EtherCAT協(xié)議可以連接若干從站運動控制器單元。 一個運動控制器單元由從站控制底板、通信卡和1~8塊運動控制卡組成。 每個運動控制卡控制一個伺服軸。,3.2　數(shù)據(jù)通信,本系統(tǒng)在

11、應(yīng)用層自定義了數(shù)據(jù)模塊結(jié)構(gòu)，模塊數(shù)據(jù)分為兩種:一種是指令數(shù)據(jù)模塊，由主站寫給從站，控制伺服運動。一種是狀態(tài)數(shù)據(jù)模塊，主站從從站讀取，表示伺服軸狀態(tài)反饋。一個運動控制卡使用一個指令數(shù)據(jù)模塊和一個狀態(tài)數(shù)據(jù)模塊，每個EtherCAT子報文由從站上的所有運動控制卡的數(shù)據(jù)模塊組成，如下圖所示。,每個數(shù)據(jù)模塊包含10個字節(jié)，指令數(shù)據(jù)模塊分別定義為數(shù)據(jù)模塊頭、控制字和指令數(shù)據(jù)區(qū)，狀態(tài)數(shù)據(jù)模塊分別定義為數(shù)據(jù)模塊頭、狀態(tài)字和狀態(tài)數(shù)據(jù)區(qū)。,結(jié)論,