基于EtherCAT的高性能伺服電機(jī)組的現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)研究

施大發(fā)

（湖南機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，長沙 410151）

0 引言

隨著工業(yè)生產(chǎn)設(shè)備向著系統(tǒng)化、規(guī)?；姆较虬l(fā)展，基于工業(yè)以太網(wǎng)的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)在一些數(shù)控系統(tǒng)中得到了很廣泛的應(yīng)用，工業(yè)以太網(wǎng)通信具有傳輸速度快，通信數(shù)據(jù)量大等種種優(yōu)點(diǎn)，對推動(dòng)機(jī)電一體化設(shè)備的快速發(fā)展起到了很大的作用。隨著網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的不斷發(fā)展，目前，在一定程度上，網(wǎng)絡(luò)伺服系統(tǒng)成為當(dāng)前伺服系統(tǒng)發(fā)展的主要方向之一。在此情況下，德國BECKHOFF公司推出了Ether CAT現(xiàn)場總線技術(shù)，它具有配置簡單，數(shù)據(jù)傳輸高速、高效等種種優(yōu)點(diǎn)。而且，在網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)上，幾乎支持所有的拓?fù)漕愋?，包括線型、樹型、星型等，每個(gè)系統(tǒng)可以配置多達(dá)65535臺設(shè)備，這種總線類型對于大規(guī)模的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)具有很好的優(yōu)勢，本文對基于Ether CAT 的高性能伺服電機(jī)組的現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)進(jìn)行了一定的設(shè)計(jì)研究。

1 控制系統(tǒng)總體架構(gòu)設(shè)計(jì)

基于Ether CAT的控制系統(tǒng)一般采用的是主從式的架構(gòu)，主站由PC機(jī)配置標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)卡來擔(dān)任，從站一般采用專用芯片進(jìn)行設(shè)計(jì)，主站起到主要的系統(tǒng)控制作用，向總線上的設(shè)備發(fā)送相應(yīng)的命令，從站根據(jù)自己的地址取出相應(yīng)的控制命令，根據(jù)命令進(jìn)行伺服電機(jī)的運(yùn)動(dòng)控制動(dòng)作。本系統(tǒng)從站的設(shè)計(jì)采用倍福公司推出的從站控制器ET1100和單片機(jī)進(jìn)行設(shè)計(jì)，系統(tǒng)的總體架構(gòu)如圖1所示：

圖1 基于Ether CAT的現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

伺服電機(jī)的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)屬于閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，由運(yùn)動(dòng)控制器，伺服驅(qū)動(dòng)器，伺服電機(jī)以及相關(guān)的位置或者速度檢測裝置組成，其中最常見的檢測裝置是編碼器，各個(gè)部分通過線纜連接在一起完成高性能的伺服電機(jī)的控制功能。圖2是全閉環(huán)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖。

伺服運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的作用是接受上位機(jī)信號，驅(qū)動(dòng)被控對象按照指令進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，保證運(yùn)動(dòng)部件的快速性和準(zhǔn)確性，從一定程度上來說，上位機(jī)控制信號也可以算是運(yùn)動(dòng)控制器的一部分，該系統(tǒng)中，主站運(yùn)動(dòng)控制部分與Ether CAT總線以及從站單片機(jī)部分共同構(gòu)成了伺服電機(jī)組的現(xiàn)場總線運(yùn)動(dòng)控制器。伺服電機(jī)編碼器作為系統(tǒng)的反饋裝置。同時(shí)從伺服電機(jī)運(yùn)動(dòng)控制的實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性方面考慮，運(yùn)動(dòng)控制采用雙閉環(huán)控制，其中由伺服驅(qū)動(dòng)器和編碼器構(gòu)成了反饋內(nèi)環(huán)，由于伺服驅(qū)動(dòng)器反應(yīng)的快速性，保證了該系統(tǒng)調(diào)節(jié)的實(shí)時(shí)性。由單片機(jī)、伺服驅(qū)動(dòng)器和編碼器構(gòu)成了外閉環(huán)控制，通過一定的軟件計(jì)算方法保證了運(yùn)動(dòng)的準(zhǔn)確性。

圖2 全閉環(huán)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖

表1 ET1100資源表

2 主站設(shè)計(jì)研究

Ether CAT主站的作用是發(fā)起通訊，而且，兩個(gè)從站之間要進(jìn)行通信，必須要把主站當(dāng)做中間路由器，通過主站完成。從原理上來說，Ether CAT不支持兩個(gè)主站之間的通信，但是，如果其中的一個(gè)主站具有從站的功能是，也可以在兩個(gè)主站之間進(jìn)行通信。主站在設(shè)計(jì)的硬件方面并沒有特別的需求，只需要一塊標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)卡即可，主站的功能基本上是靠軟件來實(shí)現(xiàn)的。本系統(tǒng)中，利用VC編寫的應(yīng)用程序根據(jù)用戶的相關(guān)設(shè)置，將用戶的命令轉(zhuǎn)化成相應(yīng)的命令控制字，對命令控制字進(jìn)行打包、發(fā)送和接受等過程。另外，該軟件功能還包括解析系統(tǒng)硬件組成及相關(guān)文件，提供與網(wǎng)卡的接口，并提供與其他網(wǎng)絡(luò)協(xié)議間的接口，完成于其他系統(tǒng)及通信協(xié)議的對話功能。

3 從站系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究

Ether CAT網(wǎng)絡(luò)中，最多可以有65535個(gè)從站結(jié)點(diǎn)，而從站結(jié)點(diǎn)從結(jié)構(gòu)上來說，又可以分為簡單結(jié)點(diǎn)和復(fù)雜結(jié)點(diǎn)，其中簡單結(jié)點(diǎn)一般利用從站控制器自身的I/O資源就可以實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的功能，本系統(tǒng)選用倍福公司推出的從站控制器ET1100，本身帶有豐富的I/O資源，如表1所示。

本系統(tǒng)采用的是復(fù)雜結(jié)點(diǎn)的方式，由從站控制器ET1100和單片機(jī)共同實(shí)現(xiàn)從站功能。完成從Ether CAT網(wǎng)絡(luò)中讀取數(shù)據(jù)，并進(jìn)行數(shù)據(jù)交換等應(yīng)用程序的功能。

從站應(yīng)用程序控制器通過中斷方式讀取Ether CAT網(wǎng)絡(luò)中的非周期性的數(shù)據(jù)，而通過查詢的方式存取周期性的數(shù)據(jù)，從而執(zhí)行相應(yīng)的應(yīng)用程序。

從站控制器除了完成與Ether CAT網(wǎng)絡(luò)中的其他設(shè)備進(jìn)行通信以外，更重要的是將Ether CAT上接受到的控制命令轉(zhuǎn)化成伺服驅(qū)動(dòng)器的指令，完成相應(yīng)的閉環(huán)控制功能。從一定程度上來說，伺服電機(jī)組的運(yùn)動(dòng)控制的性能決定于從站的設(shè)計(jì)，一般來說，常用的伺服控制有三種方式，包括速度控制方式、轉(zhuǎn)矩控制方式以及位置控制方式，其中位置控制方式是利用脈沖來進(jìn)行控制的，通過單片機(jī)的I/O可以模擬脈沖發(fā)生器，完成相應(yīng)的控制功能，而速度和轉(zhuǎn)矩控制方式都是利用模擬量來進(jìn)行控制的，利用單片機(jī)控制時(shí)，要利用一定的DA轉(zhuǎn)換功能或者單片機(jī)的模擬量輸出口進(jìn)行。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了具有位置控制、速度控制和轉(zhuǎn)矩控制三種控制模式的硬件接口電路，可以很好的實(shí)現(xiàn)對不同的控制對象的不同的控制要求。驅(qū)動(dòng)器的反饋信息可以通過編碼器來讀取，也可以通過驅(qū)動(dòng)器的控制口讀到對應(yīng)的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速，通過AD轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換以后，讀入單片機(jī)進(jìn)行處理。

與從站硬件系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)相對應(yīng)，從站單片機(jī)的軟件控制包含兩個(gè)部分的內(nèi)容，一部分是系統(tǒng)的通信功能，單片機(jī)與ET1100進(jìn)行通信連接，完成與上位機(jī)系統(tǒng)的通信過程，另外一部分是用于對伺服系統(tǒng)的控制和伺服系統(tǒng)反饋數(shù)據(jù)的采集，軟件的工作過程如下：首先，單片機(jī)開機(jī)進(jìn)入程序的初始化階段，這個(gè)階段的主要工作是完成從站相應(yīng)的配置工作，包括建立主站和從站之間的通信，初始化相關(guān)的寄存器，設(shè)置通信類型等，然后，完成初始化工作，程序進(jìn)行周期運(yùn)行的階段，等待Ether CAT總線上控制命令的到來，當(dāng)接收到響應(yīng)的控制命令時(shí)，則對該命令進(jìn)行一定的處理，然后發(fā)送給驅(qū)動(dòng)器，然后，讀取驅(qū)動(dòng)器反饋信息，進(jìn)行數(shù)據(jù)的打包處理，將驅(qū)動(dòng)器讀到的反饋信息打包成固定格式的子報(bào)文結(jié)構(gòu)，并反饋回Ether CAT總線，從而反饋到主站控制器部分。完成通信的過程，從站軟件的流程圖如圖3所示。

圖3 從站單片機(jī)程序流程圖

4 結(jié)論

Ether CAT工業(yè)以太網(wǎng)具有成本低、時(shí)效性高、擴(kuò)展性強(qiáng)等種種優(yōu)點(diǎn)，隨著工業(yè)生產(chǎn)設(shè)備向著智能化、規(guī)?；确较虬l(fā)展，在未來的工業(yè)控制領(lǐng)域必將成為工業(yè)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展主流。

本文對基于Ether CAT的高性能伺服電機(jī)組的現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)進(jìn)行了一定程度的研究，研究了該系統(tǒng)的主題框架，對現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的主站以及從站的軟件和硬件進(jìn)行了設(shè)計(jì)。系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行結(jié)果表明，系統(tǒng)具有很好的實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性，能夠滿足高性能伺服電機(jī)組的現(xiàn)場控制的實(shí)際需求?？梢院芎玫倪\(yùn)用于數(shù)控設(shè)備和工業(yè)機(jī)器人中。

[1] Beckhoff G, Ether CAT: The Ethernet fieldbus[z], Ether CAT Technology Group, 2006.

[2] 許大中.交流電機(jī)調(diào)速理論[M].浙江:浙江大學(xué)出版社出版. 1997.

[3] 何國軍.陳維榮.劉小強(qiáng).孫叢軍.基于DSP與FPGA的運(yùn)動(dòng)控制器設(shè)計(jì)[J].電子技術(shù)應(yīng)用.2009(7).

[4] 謝香林.李木國.Ether CAT網(wǎng)絡(luò)及其運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)研究.中國科技論文在線.http://www.paper.edu.cn.