基于EtherCAT網(wǎng)絡的三軸伺服控制系統(tǒng)設計*

李志洲，鄭民欣，王錦錦，鄭安平

(1.鄭州輕工業(yè)學院a.電氣信息工程學院;b.機電工程學院，鄭州 450002 2.重慶大學自動化學院，重慶 400030)

基于EtherCAT網(wǎng)絡的三軸伺服控制系統(tǒng)設計*

李志洲1a，鄭民欣1b，王錦錦2，鄭安平1a

(1.鄭州輕工業(yè)學院a.電氣信息工程學院;b.機電工程學院，鄭州 450002 2.重慶大學自動化學院，重慶 400030)

文章以實時以太網(wǎng)EtherCAT技術為基礎構建網(wǎng)絡結構，組建了一個三軸并聯(lián)高性能伺服控制系統(tǒng)。硬件設計方面選用了施耐德Ser系列伺服電機和Lexium17D系列伺服驅動器，以及德國倍福公司的ET1100設備系列的運動控制器。軟件方面使用Unilink和TwinCat提供運動控制程序運行平臺。此系統(tǒng)實時性好、組網(wǎng)簡單，可用于復雜加工控制領域中的高性能三軸聯(lián)動伺服控制。

EtherCAT;三軸伺服控制;空間直線插補;軟邏輯控制

0 引言

隨著計算機、電力電子、自動化控制等技術的發(fā)展，對于伺服電機較難控制、調節(jié)速度性能差等伺服系統(tǒng)中常見問題的解決，均取得了很大的成果?；诠I(yè)以太網(wǎng)的運動控制器在工業(yè)器人、數(shù)控機床、機電一體化加工和測試設備中獲得廣泛應用;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。但是傳統(tǒng)的以太網(wǎng)存在著一定的缺陷，不能滿足工業(yè)控制現(xiàn)場對實時性的要求。這是由于其介質訪問方式CSMA/CD(即帶有沖突檢測的載波偵聽多路訪問機制)是一種非確定的介質訪問機制，在節(jié)點數(shù)增多，數(shù)據(jù)量大的情況下通信效率很低［1］。2003 年，德國 BECKHOFF(倍福)自動化公司提出EtherCAT(Ethernet for Control Automation Technology)技術，這是一種新的實時以太網(wǎng)技術。它基于標準的以太網(wǎng)技術，采用靈活的網(wǎng)絡拓撲結構，具有實時性高、系統(tǒng)配置簡單、數(shù)據(jù)傳輸率高等優(yōu)勢［2］，并且能很好的體現(xiàn)全雙工特性。2007年12月EtherCAT被IEC制定為IEC61158和IEC61784中定義的第12種通信協(xié)議標準，而后EtherCAT技術在國外得到快速發(fā)展，但國內(nèi)尚處于起步階段。

在此，將EtherCAT網(wǎng)絡引入三軸伺服控制系統(tǒng)中，由EtherCAT數(shù)據(jù)幀進行主站、控制器和伺服驅動器之間的數(shù)據(jù)通信;在實現(xiàn)三軸同步動作的同時，大幅提高PC主站、控制器及驅動器之間的數(shù)據(jù)的可靠性和傳輸速度，從而可用于高性能、實時性要求高的遠程控制加工領域。

1 EtherCAT技術原理

EtherCAT使用標準的IEEE802.3以太網(wǎng)幀結構，因此不需要在控制器中附加其他硬件來實現(xiàn)通信，它可以與遵守其他協(xié)議的以太網(wǎng)在同一網(wǎng)絡中并行。但是又由于EtherCAT的數(shù)據(jù)幀中使用了一個特殊的幀類型0X88A4，使得它突破了其他以太網(wǎng)的系統(tǒng)限制，可以直接將控制數(shù)據(jù)寫入以太網(wǎng)幀中［3］，圖1表明了EtherCAT數(shù)據(jù)幀與標準IEEE802.3以太網(wǎng)幀結構之間的聯(lián)系。每一個數(shù)據(jù)幀包含許多個子報文，報文具體結構如圖2，其中子報文中的命令表示讀寫方式和尋址方式;索引號即是幀編碼;子報文地址代表從站地址;長度是報文數(shù)據(jù)區(qū)長度;Res即保留位;M和狀態(tài)位分別表示后續(xù)到來和中斷到來標志。

圖1 EtherCAT與IEEE802.3以太網(wǎng)幀結構之間區(qū)別和聯(lián)系

圖2 EtherCAT報文與子報文的具體結構及關系

EtherCAT技術采用的是主站——從站結構，包含所有從站數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)幀被主站控制和發(fā)送，它依次經(jīng)過每一個從站，從站在其傳輸?shù)倪^程中讀出相應的報文數(shù)據(jù)，當?shù)竭_最后一個從站時，從站將處理過的數(shù)據(jù)幀返回到主站，這樣完成一次通信，歷時即為一個通信周期。整個通信過程只有幾納秒的延遲，借助于主站中DMA技術和從站中的EtherCAT專用芯片，EtherCAT系統(tǒng)可以在30微妙內(nèi)交換一幀多達1486個字節(jié)的協(xié)議數(shù)據(jù)，并且它直達底層I/O設備，充分利用了 I/O帶寬，數(shù)據(jù)傳輸率高達90%［2］。

2 三軸伺服控制系統(tǒng)設計

本設計為基于EtherCAT網(wǎng)絡的三軸伺服控制系統(tǒng)，硬件系統(tǒng)總體結構如圖3。以PC機為主建立通信主站，從站控制單元包括通信控制器和運動控制卡。通信控制器選用的是倍福公司開發(fā)的ASC從站專用網(wǎng)絡接口控制芯片ET1100，它具有兩個MII接口，可連接到EtherCAT網(wǎng)絡，用于和主站進行數(shù)據(jù)交換;控制卡選自瑞泰公司的控制板ICETEK-F28335-A，它是使用TI公司的TMS320F28335系列芯片開發(fā)的DSP控制卡，支持 CAN總線、串口，并且有AD、PWM輸出、擴展引腳等接口。DSP芯片TMS320F28335系列具有32位浮點，具有數(shù)字信號處理、強大的事件管理和嵌入式控制等功能。ICETEK-F28335-A控制卡主要用于對電機的運動控制和接收電機編碼器的反饋信號，并利用SPI接口模塊和從站控制器ET1100進行數(shù)據(jù)交換，控制卡中26LS31芯片把PWM輸出信號轉換成驅動器可以接收的差分信號，26LS32芯片把反饋差分信號轉換成TTL信號送給QEP接口，通過這兩個接口實現(xiàn)控制卡與驅動器的數(shù)據(jù)傳輸。伺服驅動器采用了施耐德公司的Lexium17D系列交流伺服驅動器，具有速度環(huán)、位置環(huán)和電流環(huán)三種調節(jié)功能，用來控制電機的力矩、速度和位置。這些伺服單元常用在高動態(tài)特性和高精密位置定位等高性能應用場合。驅動器支持RS232、CAN總線、Modbus Plus網(wǎng)絡、Fipio總線等通信方式，在此可以使用CAN與控制卡實現(xiàn)通信。電機使用SER/Lexium BHP系列三相同步伺服電機，帶有鑲嵌式傳感器。它與編碼器共同完成系統(tǒng)中的執(zhí)行和反饋功能。

圖3 EtherCAT三軸伺服控制硬件總體結構

3 基于EtherCAT三軸伺服控制軟件設計

系統(tǒng)軟件設計方面主要涉及到驅動器配置、從站控制器軟件、上位機主站配置及程序。使用Unilink軟件對伺服驅動器進行配置和調試:包括對三軸電機分別進行地址分配，設置通信速率以及Lexium 17D的功能設置(最大電流、電壓、速度等參數(shù)的設置，對PID參數(shù)進行調節(jié)，使電機平穩(wěn)旋轉)和實現(xiàn)對單臺電機的正反轉控制以及對機床等的回零操作?？刂破鲬脤映绦蚨x了自己的兩種數(shù)據(jù)模塊結構:控制指令數(shù)據(jù)模塊和狀態(tài)反饋數(shù)據(jù)模塊。這兩個模塊主要是實現(xiàn)與主站通過EtherCAT網(wǎng)絡交換數(shù)據(jù)幀，并把數(shù)據(jù)寫入DPRAM中，同時DPRAM中保存的狀態(tài)數(shù)據(jù)可以插進傳輸過程的數(shù)據(jù)幀中進行反饋。從站控制器譯碼出主站控制數(shù)據(jù)并向三軸伺服電機驅動器發(fā)送具體值，對伺服電機進行位置控制。主站接收到從站反饋數(shù)據(jù)顯示編碼器實際位置或錯誤信號。

上位機主站側主要通過倍福公司提供的Twin-CAT PLC(The Windows Control and Automation Technology PLC)軟件編寫程序。該軟件可代替常規(guī)的邏輯可編程控制器(PLC)，由系統(tǒng)管理器(TwinCAT System Manager)來實現(xiàn)主站功能，負責計算和管理同步單元，連接主站與現(xiàn)場總線以及底層I/O設備。它所提供的公共數(shù)據(jù)緩存區(qū)可實現(xiàn)對PLC變量和數(shù)據(jù)映像區(qū)的數(shù)據(jù)進行連接并互相交換。TwinCAT PLC可在一臺PC機上建立四個虛擬PLC CPU，每一個虛擬單元均可以建立四個用戶任務。本系統(tǒng)的運行狀態(tài)，利用TwinCAT PLC軟件的結構文本語言，通過編程方式測試。由于TwinCATPLC符合IEC61131-3標準，它可以兼容 LD(梯形圖)、FBD/CFC(功能塊圖)、IL(指令表)、ST(結構化文本)、SFC(順序功能圖)等多種語言［4］，編程方式包括本地、通過TCP/IP以及通過現(xiàn)場總線三種。

軟件設計編程中的重點是在TwinCAT PLC中編程實現(xiàn)三軸伺服控制的運行。編程之前先要了解其運行控制原理，總體的控制方法如圖4示，主站的指令信號發(fā)送到控制模塊，控制模塊把它當做給定信號與反饋信號共同對電流、位置、速度實現(xiàn)閉環(huán)控制，最后環(huán)節(jié)PWM輸出信號給功率模塊來控制電機的運轉。

圖4 三環(huán)伺服控制原理

程序設計的核心是基于TwinCAT PLC平臺的空間直線插補算法。此算法以逐點比較法為基礎，首先推出預設空間直線的偏差計算公式，然后由偏差計算公式得出所在坐標點位于直線的方位及偏差，進而決定下一次的給進點(Xi，Yj，Zk)［5］。推導過程如下:

如圖5所示:OA為空間坐標系里以原點O為起始點，A(Xa，Ya，Za)為終點的直線。設 Xa＞ Ya，Xa＞Za且 Xa，Ya，Za＞0;在 XY坐標平面內(nèi)利用平面偏差公式Pi，j=xayj-xiya(xa和ya為OA在XY坐標系的倒影oa'的終點a'的坐標值，(xi，yj)為某一時刻所在點坐標)可得出下一點的偏差公式:

圖5 空間直線插補

在(Pi，j＜0)時可得到:

同理在XZ坐標平面中，可得出偏差計算公式:

由上述的兩個坐標平面的偏差公式對下一步的進給進行判別和計算，其插補程序流程如圖6所示。

圖6 空間直線插補程序流程圖

其中 ΔX、ΔZ、ΔY分別是給 X、Y、Z 各個軸方向的脈沖量;Jx、Jy、Jz、Je分別是存放 X、Y、Z 終點坐標以及加工需要的總步數(shù)E的寄存器;JP存放的是XY平面的偏差計算結果Pi，j;Jq存放的是XZ平面的偏差計算結果Qi，K。

程序運行時，首先由計算程序得出 X、Y、Z三軸的給進脈沖量ΔX、ΔZ、ΔY;給進量通過EtherCAT網(wǎng)絡傳輸?shù)綇恼究刂乞寗釉O備，與實時的伺服電機的反饋量進行比較，產(chǎn)生偏差量;偏差信號經(jīng)過控制計算程序的校正、調節(jié)、放大后，發(fā)送給伺服電機完成消除偏差的進一步給進，使電機向著終點坐標平穩(wěn)快速的運動。

4 結束語

目前，在制造控制領域的機電控制設備中如CNC等完成的工作量及其復雜度在逐步提高，對電機控制的實時性、穩(wěn)定性、快速性等性能要求也越來越嚴格，因此發(fā)展新的控制技術變得尤為重要。EtherCAT技術有著傳輸速率高、可靠性強、拓撲結構靈活等優(yōu)勢，解決了伺服控制系統(tǒng)在傳輸數(shù)據(jù)量大時實時性控制難的問題，并配合快速、高效的算法實現(xiàn)高精度同步控制。采用性能優(yōu)越的軟邏輯控制，使得軟硬件結合的更加緊密并且成本低廉，為伺服電機在加工制造領域中的應用提供了可靠的支持。

［1］單春榮，劉艷強，郇極.工業(yè)以太網(wǎng)現(xiàn)場總線EtherCAT及驅動程序設計［J］.制造業(yè)自動化，2007(7):79-82.

［2］劉艷強，黃帥，馬秋霞.基于工業(yè)以太網(wǎng)EtherCAT的DCS控制系統(tǒng)設計［J］.制造業(yè)自動化，2010(11):21-23.

［3］阮倩茹，王輝，施大發(fā)，等.基于EtherCAT的高性能交流伺服控制系統(tǒng)設計［J］.科技導報，2010(20):58-61.

［4］德國倍福電氣有限公司.TwinCAT編程手冊2.0版本［z］.2005.

［5］李占斌，萬長慶.實現(xiàn)數(shù)控機床三軸聯(lián)動的逐點比較法［J］. 機床與液壓，2004(7):64-65，22.

Design of Triaxial Motion Servo Control Systems Based on EtherCAT

LI Zhi-zhou1a，ZHENG Min-xin1b，WANG Jin-jin2，ZHENG An-ping1a
(1a.School of Electrical and Information Engineering;1b.School of Mechanical＆ Electrical Engineering，Zhengzhou University of Light Industry，Zhengzhou 450002，China;2.School of Automation，Chongqing University，Chongqing 400030，China)

In this paper，a network structure based on the technology of EtherCAT(the real-time Ethernet)was constructed and a high-performance servo control system of three axis parallel has been formed.On hardware design it chose Schneider ser series servo motor、Lexium17D series servo drive modules and Beckhoff company’s motion controller-ET1100 series equipments.The Softwares such as Unilink and TwinCat were used to support the motion control application.Because of its good real-time and simply networking，The system can be used for high-performance triaxial linkage servo control in complex processing control area.

EtherCAT;triaxial motion servo control;space linear interpolation;soft logic control

TH16;TG65

A

1001-2265(2012)02-0063-03

2011-06-17

校博士科研基金資助項目(2007BSJJ003)

李志洲(1987—)，男，河南人，鄭州輕工業(yè)學院電氣信息工程學院碩士研究生，研究方向為伺服控制與現(xiàn)場總線技術，(E-mail)lizhizhou508@163.com。

(編輯 李秀敏)