基于EtherCAT的直角坐標(biāo)機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

黃科程，文亦驍

(西華大學(xué)，四川 成都 610039)

基于EtherCAT的直角坐標(biāo)機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

黃科程，文亦驍

(西華大學(xué)，四川 成都 610039)

為實(shí)現(xiàn)EtherCAT技術(shù)在直角坐標(biāo)機(jī)器人中的應(yīng)用，文章提出了一種使用德國BECKHOFF公司的EtherCAT從站開發(fā)板FB1111-0141和TMS320F2812單片機(jī)的設(shè)計(jì)方案。研究結(jié)果表明：EtherCAT技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)直角坐標(biāo)機(jī)器人更快、更穩(wěn)定、更精確的位置控制。

EtherCAT；直角坐標(biāo)機(jī)器人；TMS320F2812

前言

在過去的幾十年里，在工業(yè)自動化領(lǐng)域中，PLC(Programmable Logic Controller)得到了廣泛地應(yīng)用。但伴隨著科技技術(shù)日新月異的不斷發(fā)展，PLC設(shè)備在許多方面都不能完全滿足工業(yè)生產(chǎn)的需要，比如它漸漸暴露出在穩(wěn)定性、實(shí)時性等多方面的短板。因?yàn)檫@個情況，德國BECKHOF倍福公司開發(fā)了一種名為EtherCAT(Ethernet for Control Automation Technology)的實(shí)時以太網(wǎng)技術(shù)，它是一項(xiàng)低成本、高性能、應(yīng)用簡易、拓?fù)潇`活的工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)。它于2003年被倍福引入市場，并且在2007年正式成為國際標(biāo)準(zhǔn)。因此使運(yùn)動控制系統(tǒng)得以在過去無法應(yīng)用現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用場合中選用現(xiàn)場總線[1]。

為使得直角坐標(biāo)機(jī)器人具備更快通信速度、更好的實(shí)時性、更精確的位置控制，本文提出了一種采用EtherCAT技術(shù)和直角坐標(biāo)機(jī)器人相融合的方案。下文從系統(tǒng)方案、系統(tǒng)主站和從站軟硬件設(shè)計(jì)等方面進(jìn)行了一一闡述。

1 EtherCAT技術(shù)介紹

1.1 EtherCAT工作原理

一個EtherCAT網(wǎng)段可以視為一個獨(dú)立的以太網(wǎng)設(shè)備。此“設(shè)備”可以接收和發(fā)送以太網(wǎng)報(bào)文。EtherCAT主站采用標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)MAC(Media Access Controller)，不需要額外的微處理器和以太網(wǎng)控制器，所以EtherCAT主站可以被任何集成了以太網(wǎng)接口的硬件所實(shí)現(xiàn)，而這與使用的應(yīng)用軟件和操作系統(tǒng)無關(guān)。

EtherCAT主站發(fā)起通信，主站設(shè)備把新的輸出數(shù)據(jù)填充到單個EtherCAT數(shù)據(jù)幀，通過幀類型0x88A4識別EtherCAT協(xié)議，數(shù)據(jù)幀類型如圖1所示，再通過自動的DMA(Direct Memory Access)方式，此數(shù)據(jù)幀發(fā)送給介質(zhì)訪問控制器即可[2]。EtherCAT從站的各個設(shè)備便會動態(tài)高速地讀取到此節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，并會向報(bào)文中插入相關(guān)的用戶數(shù)據(jù)，然后將報(bào)文逐次向下一個從站傳遞，直到最后一個從站設(shè)備。最后一個從站設(shè)備會發(fā)回經(jīng)過一系列處理的報(bào)文，因?yàn)檫\(yùn)行的全雙工模式，發(fā)送出去的報(bào)文最后會返回到控制單元[3]。工作原理如圖2所示。

圖1 EtherCAT數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)

圖2 EtherCAT運(yùn)行機(jī)制

1.2 靈活的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

EtherCAT支持許多類型的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，比如星型、線型、菊花鏈型等。

EtherCAT的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)不會受限于集線器或者是級聯(lián)交換機(jī)，因此即使上千個節(jié)點(diǎn)的線型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的構(gòu)成也可以成為可能[1]。

EtherCAT還提供了許多靈活的電纜類型，每個網(wǎng)段能夠根據(jù)具體要求從而選擇相對應(yīng)的電纜類型。

2 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 EtherCAT整體結(jié)構(gòu)

將EtherCAT技術(shù)運(yùn)用于直角坐標(biāo)機(jī)器人中，充分發(fā)揮EtherCAT實(shí)時以太網(wǎng)的優(yōu)勢，使直角坐標(biāo)機(jī)器人的運(yùn)行具有良好的實(shí)時性，更強(qiáng)的抗干擾性，更精確的運(yùn)動控制等優(yōu)點(diǎn)。系統(tǒng)的大體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖3所示，系統(tǒng)采用主從式結(jié)構(gòu)，基于PC的主站一般用網(wǎng)絡(luò)接口卡NIC(Network Interface Card)作為以太網(wǎng)控制器，并以100BASE-TX規(guī)范的UTP線纜作為傳輸介質(zhì)[4]。其中PC機(jī)與FB1111-0141開發(fā)板之間采用EtherCAT以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)通信，F(xiàn)B1111-0141和DSP之間采用SPI接口進(jìn)行通信，最后由DSP和伺服驅(qū)動器控制直角坐標(biāo)機(jī)器人X、Y、Z軸上面的三個伺服電機(jī)的運(yùn)動?？刂葡到y(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)如圖3。

圖3 EtherCAT控制系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)

2.2 控制系統(tǒng)硬件組成

基于EtherCAT的直角坐標(biāo)機(jī)器人所構(gòu)成的系統(tǒng)的主站選擇的是PC機(jī)，此PC機(jī)具有RJ45網(wǎng)絡(luò)接口，100BASE-TX規(guī)范的5類UTP線纜通常作為它傳輸介質(zhì)。該系統(tǒng)的從站選用的是德國Beckhoff(倍福)公司的FB111-0141開發(fā)板和TMS320F2812 DSP單片機(jī)，F(xiàn)B111-0141通信開發(fā)板可以用于開發(fā)EtherCAT從站設(shè)備，ET1100則是EtherCAT從站控制器ESC(EtherCAT Slave Controller)的專用芯片，然后按照RJ45接口、網(wǎng)絡(luò)隔離變壓器、物理層芯片的順序依次連接到EtherCAT網(wǎng)絡(luò)，ESC和物理層芯片通過MII(Media Independent Interface)接口相連，最后通過FB1111-0141通信開發(fā)板上的PDI(Process Data Interface)連接器部分選擇一種接口(32位Digital IO、SPI接口、8位或16位并行接口)和外部DSP相連。對于此系統(tǒng)，本文研究的直角坐標(biāo)機(jī)器人控制系統(tǒng)采用的是DSP連接SPI接口的方式。TMS320F2812DSP芯片是TI公司最新推出的數(shù)字信號處理器，器件上集成了多種先進(jìn)的外設(shè)，為電機(jī)及其他運(yùn)動控制領(lǐng)域應(yīng)用的實(shí)現(xiàn)提供了良好的平臺。松下MINAS A4系列AC伺服驅(qū)動器和直角坐標(biāo)機(jī)器人組成了該系統(tǒng)的下位機(jī)結(jié)構(gòu)。圖4為從站整體結(jié)構(gòu)。

圖4 EtherCAT從站的結(jié)構(gòu)組成

2.3 FB1111-0141控制板

EtherCAT從站控制板FB1111-0141由端口0和端口1、PDI連接器、PDI配置區(qū)域、EEPROM、LED、ET1100從站控制器等構(gòu)成?？刂瓢迳系拿恳粋€EtherCAT端口均和一個物理層器件、隔離變壓器、RJ45連接器相聯(lián)系。而控制板上的PDI配置區(qū)域是一系列電阻的集合。在PDI配置區(qū)域上的不同的電阻組合能實(shí)現(xiàn)在PDI連接器上的不同輸入輸出，F(xiàn)B1111-0141就是一個擁有SPI(Serial Peripheral Interface)通信協(xié)議的控制板。

2.4 控制系統(tǒng)軟件

上位機(jī)選用TwinCAT(The Windows Control and Automation Technology)作為該系統(tǒng)的控制軟件，它是由德國BECKHOFF公司基于PC平臺和Windows操作系統(tǒng)所開發(fā)。在BECKHOFF基于PC的控制器上安裝了TwinCAT運(yùn)行核，它就是一個具備強(qiáng)大功能的運(yùn)動控制器和PLC的結(jié)合體，它也可以充分利用PC所標(biāo)配的硬件來實(shí)現(xiàn)更快速的邏輯運(yùn)算和更精確的運(yùn)動控制。實(shí)驗(yàn)中，TwinCAT作為上位機(jī)軟件即可以向下位機(jī)發(fā)送控制命令和操作數(shù)據(jù)，還可以實(shí)時監(jiān)控下位機(jī)數(shù)據(jù)和工作狀態(tài)[5]。

2.5 FB1111-0141控制板卡與DSP的電路設(shè)計(jì)

TMS320F2812芯片作為從站微處理器，芯片是176引腳，具有PGF薄型四方扁平封裝(LQFP)。ET1100和DSP之間采用SPI通信方式，DSP作為SPI接口的主設(shè)備，ET1100作為從設(shè)備。SPI通行模式主要是應(yīng)用6根引腳。

TMS320F2812單片機(jī)的SPI通信模式下的同步時鐘輸出引腳SPICLK，此引腳接ET1100的時鐘輸入引腳SPI_CLK。

TMS320F2812單片機(jī)SPI通信方式下的數(shù)據(jù)輸出引腳SPISIMO，此引腳接ET1100的數(shù)據(jù)輸入引腳為SPI_DI。

TMS320F2812單片機(jī)SPI通信方式下的數(shù)據(jù)輸入引腳SPISOMI，此引腳接ET1100的數(shù)據(jù)輸出引腳為SPI_DO。

TMS320F2812單片機(jī)的片選信號引腳SPISTE的片選信號可以由外部中斷1產(chǎn)生，此引腳接ET1100的選擇引腳SPI_SEL。

TMS320F2812單片機(jī)的第43引腳主要作用是如果此引腳它的電平極性為高電平，就表示PDI(Process Data Interface)是活動狀態(tài)，此時EEPROM被正確裝載[6]，此引腳接ET1100的配置文件裝載引腳EEPROM_Loaded。

TMS320F2812單片機(jī)的第21引腳主要作用是外部中斷1產(chǎn)生中斷信號，此引腳接ET1100的中斷引腳SPI_IRQ。

FB1111-0141控制板卡與TMS320F2812單片機(jī)的SPI通信連接如圖5所示。

圖5 FB1111-0141與DSP電路連接圖

3 控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)及分析

在基于FB1111-0141控制卡和DSP構(gòu)建的EtherCAT從站接口的平臺上，TwinCAT作為上位機(jī)軟件對整個控制過程進(jìn)行檢測。整個通信的操作過程主要分為以下幾個部分。

第一：從站軟件CCS4.2向TMS320F2812單片機(jī)編寫控制程序，包括插補(bǔ)運(yùn)算算法、位置控制程序、從站控系統(tǒng)接口程序等。

第二：PC作為上位機(jī)，主要完成處理過程的實(shí)時檢測。DSP主要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的快速處理，而直角坐標(biāo)機(jī)器人的運(yùn)動的實(shí)時信息則通過RS232總線傳達(dá)給相應(yīng)的人機(jī)交互界面，觸摸屏就可以對機(jī)器的運(yùn)轉(zhuǎn)進(jìn)行監(jiān)測。

第三：編寫與實(shí)驗(yàn)中從站相對應(yīng)的XML文件(Extensible Makeup Language),隨后通過TwinCAT軟件燒錄到FB1111-0141的EEPROM中，使其滿足EtherCAT通信協(xié)議，以此保障信號的正確傳送，最后在TwinCAT中配置一系列相關(guān)的輸入和輸出變量。

第四：運(yùn)用TwinCAT PLC控制器編輯PLC程序，讓主站、從站的輸入和輸出地址相關(guān)聯(lián)。

第五：程序運(yùn)行的過程中，有很多參數(shù)的設(shè)定會影響系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，比如通信連接、運(yùn)動控制、程序編號等，所以必須提前正確設(shè)定這些參數(shù)。以直角坐標(biāo)機(jī)器人為例，三個軸的運(yùn)行速率分別都設(shè)置為20000脈沖/s，而把斷電保持寄存器設(shè)置為默認(rèn)值；在電機(jī)運(yùn)行時，電機(jī)的加減速時間都設(shè)置為20 ms[7]。

4 控制系統(tǒng)測試

在完成對此控制系統(tǒng)的一系列設(shè)置之后，接下來就要對控制系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試，包括對各板塊硬件的電氣調(diào)試、設(shè)置合適的系統(tǒng)參數(shù)、伺服系統(tǒng)的調(diào)試等等。

此控制系統(tǒng)是要對直角坐標(biāo)機(jī)器人的三軸的運(yùn)動坐標(biāo)進(jìn)行采集。電機(jī)本身的精度可以達(dá)到0.11mm，因?yàn)樵谥苯亲鴺?biāo)機(jī)器人的三個軸的方向都加上了光柵尺，而光柵尺的最小精度范圍能夠達(dá)到0.005mm，因?yàn)榇嬖谠撓到y(tǒng)光柵尺，所以此時系統(tǒng)構(gòu)成了閉環(huán)返回電路，所以該系統(tǒng)的測量精度就可以得到顯著的提升，此時便能夠滿足系統(tǒng)的測量性能要求[7]。因?yàn)橹苯亲鴺?biāo)機(jī)器人的移動精確度是0.2mm，而此控制系統(tǒng)中，人機(jī)交互界面的主要功能是數(shù)據(jù)的采集、保存、傳輸和監(jiān)控，所以人機(jī)交互界面會記錄到直角坐標(biāo)機(jī)器人所采集到的坐標(biāo)位置，而且會因此構(gòu)成一個表格；不僅如此，在人機(jī)交互界面里也會出現(xiàn)電機(jī)的實(shí)時坐標(biāo)位置。

此控制系統(tǒng)還要進(jìn)行一些系統(tǒng)參數(shù)的設(shè)定，以滿足控制系統(tǒng)的要求。經(jīng)過一系列調(diào)試，直角坐標(biāo)機(jī)器人可以按照觸摸屏的操控進(jìn)而實(shí)現(xiàn)精確地坐標(biāo)移動，設(shè)計(jì)基本可以達(dá)到預(yù)期的目標(biāo)。實(shí)驗(yàn)實(shí)物圖如圖6所示。

圖6 部分實(shí)驗(yàn)室物

5 結(jié)語

EtherCAT工業(yè)以太網(wǎng)以其運(yùn)行機(jī)制、網(wǎng)絡(luò)性能、靈活的拓?fù)?、使用簡單、成本低廉等諸多優(yōu)點(diǎn)必然廣泛應(yīng)用于機(jī)器控制、測量設(shè)備、汽車和移動等行業(yè)[8]。此控制系統(tǒng)將直角坐標(biāo)機(jī)器人與EtherCAT實(shí)時工業(yè)以太網(wǎng)相結(jié)合，從而設(shè)計(jì)出一套定位精確、延遲時間短、穩(wěn)定性好、開放性良好且的伺服運(yùn)動控制系統(tǒng)，最后經(jīng)過一系列調(diào)試檢測后，本研究通過在直角坐標(biāo)機(jī)器人平臺上進(jìn)行較長時間的測試研究，最終得到該控制系統(tǒng)運(yùn)動控制精度高、穩(wěn)定性好，達(dá)到了預(yù)期的控制效果要求，體現(xiàn)了EtherCAT實(shí)時工業(yè)以太網(wǎng)在未來工業(yè)應(yīng)用中的種種優(yōu)勢。

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[8]ETG.EtherCAT Communication[M].ETG,2008.

Design of Control System for Cartesian Coordinate Robot Based on EtherCAT

HUANG Ke-cheng，WEN Yi-xiao
(Xihua University,Chendu，Sichuan 610039)

For the realization of the EtherCAT technology application in the car-tesian coordinate robot,this paper puts forward a kind of schema that uses thedesigning development board FB1111-0141 and TMS320F2812 MCU(micro controling unit).The results show that the EtherCAT technology can achieve car-tesian coordinate robot faster,more stable,more accurate position control.

EtherCAT;cartesian coordinate robot；TMS320F2812

TP242.2

A

1673-1891（2015）02-0048-04

2015-03-02

西華大學(xué)研究生創(chuàng)新基金(項(xiàng)目編號：ycjj2014059)資助。

黃科程(1990-)，男，四川峨眉山人，碩士研究生，研究方向：自動化與數(shù)控技術(shù)。