基于LAN9252的EtherCAT伺服從站設(shè)計

劉 凱,陳 奇,蔡寶玉,劉豪志,王 歡

(1.南京航空航天大學(xué)機電學(xué)院, 江蘇 南京 210016;2.江蘇泰源數(shù)控機床有限公司, 江蘇 泰州 225400)

0 引言

隨著工業(yè)自動化的發(fā)展，多軸系統(tǒng)的應(yīng)用更加廣泛，例如精密加工、高精度機器人、高精度3D打印等[1-5]。伺服驅(qū)動器的精度和多軸的同步直接影響著運動控制的精度，因此有必要設(shè)計具有同步性能的伺服驅(qū)動器。Koren等[6]提出交叉耦合控制策略，并用于兩軸平臺中，利用兩軸輸出誤差對兩軸進行輸入補償。何偉成等[7]提出一種模糊補償相鄰耦合多軸控制，解決了存在大量軸控制的情況下，控制器的計算超載的問題。袁磊等[8]設(shè)計了虛擬主軸法，并在此基礎(chǔ)上從負載入手，提出加權(quán)耦合的誤差補償，并在雙電機系統(tǒng)中進行了試驗驗證，結(jié)果表明能夠快速實現(xiàn)同步誤差補償。Gao等[9]提出將Mechatrolink-II總線應(yīng)用在多軸嵌入式數(shù)控系統(tǒng)中，以解決伺服通信傳輸?shù)钠款i和多軸同步問題，并驗證其性能。Sato等[10]提出了一種可以補償伺服延遲的前饋控制器，通過多軸加工的仿真，驗證該方法在包括旋轉(zhuǎn)軸的多軸同步運動中的有效性。

本文設(shè)計了一種基于EtherCAT協(xié)議，采用同步時鐘特性來進行多軸同步的高性能伺服驅(qū)動從站。該伺服驅(qū)動從站包括軟硬件方案設(shè)計及實現(xiàn)，軟件部分主要是從站內(nèi)部數(shù)據(jù)交換、通信，以及從站驅(qū)動程序設(shè)計，硬件部分主要包括各種外圍電路的設(shè)計與實現(xiàn)，最后采用兩軸平臺測試伺服驅(qū)動器的同步信號以及同步性能。

1 EtherCAT伺服從站方案設(shè)計

1.1 EtherCAT伺服從站硬件方案

EtherCAT伺服從站硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示，伺服從站硬件結(jié)構(gòu)分為控制器接口和微處理器接口?？刂破魈幚韰f(xié)議鏈路層的工作，微處理器處理上層應(yīng)用層工作。

圖1 EtherCAT伺服從站硬件結(jié)構(gòu)

EtherCAT伺服從站控制器有3個主要接口，通過RJ45與主站或者是其他從站相連，構(gòu)成不同的拓撲結(jié)構(gòu)，也是通過網(wǎng)線進行數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠布涌?；通過EEPROM存儲從站設(shè)備文件信息，主站從中讀取從站信息，識別并設(shè)置從站；通過PDI(物理數(shù)據(jù)接口)與微處理器進行數(shù)據(jù)交換。EtherCAT伺服從站的從站驅(qū)動程序、伺服電機驅(qū)動程序等主程序由微處理器進行處理，對接收來自控制器的數(shù)據(jù)進行計算并執(zhí)行后續(xù)操作。

1.2 EtherCAT伺服從站軟件方案

EtherCAT伺服從站軟件方案如圖2所示，主要包括：伺服從站通信設(shè)計、從站驅(qū)動程序以及運動控制模式設(shè)計。

其中，物理數(shù)據(jù)接口由并行數(shù)據(jù)總線和中斷信號組成。LAN9252控制器和STM32微處理器之間通過并行總線高效傳輸數(shù)據(jù)，同時設(shè)計由LAN9252產(chǎn)生同步信號，并發(fā)給STM32作為伺服同步的中斷信號。通信設(shè)計也包括主從站的數(shù)據(jù)同步以及從站的周期性運行模式。從站驅(qū)動程序包括軟硬件的初始化、從站狀態(tài)機狀態(tài)轉(zhuǎn)變、周期性任務(wù)處理等。伺服控制模式設(shè)計為電機的運動模式，有輪廓位置模式和周期性同步位置模式。

圖2 EtherCAT伺服從站軟件方案

2 EtherCAT伺服硬件方案實現(xiàn)

微處理器選擇STM32F407ZGT6，其軟硬件資源豐富，帶有1個FSMC接口，滿足數(shù)據(jù)傳輸設(shè)計要求。

2.1 物理數(shù)據(jù)接口

物理數(shù)據(jù)接口由并行數(shù)據(jù)總線和中斷信號組成，并行數(shù)據(jù)總線負責(zé)從站控制器和微處理器之間的數(shù)據(jù)傳輸，而中斷信號負責(zé)伺服從站的同步信號。以D0～D15作為16位并行數(shù)據(jù)總線，分配C0、C1、C3作為IRQ、SYNC0和SYNC1中斷信號。

2.2 供電電路

本伺服驅(qū)動設(shè)計以24 V直流電壓作為輸入電源，通過LM2596-ADJ芯片輸出15 V轉(zhuǎn)供給驅(qū)動橋，如圖3所示。

圖3 供電電路

同時，15 V電壓經(jīng)過MP2359芯片獲取5 V電壓供編碼器，再經(jīng)過ASM117轉(zhuǎn)3.3 V電壓供處理器、控制器和網(wǎng)口。

2.3 驅(qū)動電路

驅(qū)動電路如圖4所示，采用的是IR2101S芯片，PIN2(HIN)和PIN3(LIN)接收處理器的PWM波，然后經(jīng)過VS和LO輸出給負載，同時檢測相電流。

圖4 驅(qū)動電路

2.4 伺服從站電路板

經(jīng)過理論設(shè)計以及PCB的繪制和布局，EtherCAT伺服驅(qū)動電路板如圖5所示。

圖5 EtherCAT伺服驅(qū)動電路板

3 EtherCAT伺服軟件方案實現(xiàn)

通常情況伺服采用自由模式、同步模式2種模式，但是同步是伺服追求的目標(biāo)，在此較詳細地介紹同步模式。伺服從站同步運行模式設(shè)計為2種方式：同步于輸入輸出事件；同步于同步時鐘信號。同步于輸入輸出事件根據(jù)主站發(fā)送報文的周期，當(dāng)從站被輸入輸出事件觸發(fā)時，從站微處理器開始處理來自控制器的數(shù)據(jù)，而同步于同步時鐘信號是根據(jù)從站控制器產(chǎn)生的中斷同步信號，在中斷程序中處理數(shù)據(jù)。如圖6a和圖6b所示，T1表示處理器從控制器中讀取數(shù)據(jù)并計算的時間；T2是硬件延時；T3是輸入鎖存。

圖6 EtherCAT從站同步模式方式

為了對運行模式的同步性進行優(yōu)化，在同步信號SYNC到來之前，先將控制器中的數(shù)據(jù)傳輸?shù)教幚砥髦?，?dāng)SYNC同步信號產(chǎn)生時，直接進行后續(xù)特定的工控工作，如圖6c所示。

驅(qū)動程序主要包括4個任務(wù)：硬件初始化以及其他變量和結(jié)構(gòu)體的初始化、完成從站狀態(tài)的轉(zhuǎn)化以及通信的啟停、周期性或者非周期性的數(shù)據(jù)處理、以及將數(shù)據(jù)計算并做控制任務(wù)。同步模式下，中斷服務(wù)流程如圖7所示。

圖7 同步中斷服務(wù)程序流程

設(shè)計如圖8所示用于高精度場合的同步位置控制模式，此控制模式的特點在于，將電機的軌跡規(guī)劃放在上位機，而不是驅(qū)動器內(nèi)，減輕伺服驅(qū)動器的負擔(dān)，周期性讀取上位機規(guī)劃好的位置，DC作為同步時鐘提高了系統(tǒng)的運算能力和處理速度。

圖8 周期性同步位置模式控制

4 伺服從站試驗驗證與分析

本測試環(huán)境將自行設(shè)計的伺服從站模塊與其他輸入輸出模塊連接構(gòu)成完成的網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)，如圖9所示。

圖9 伺服控制平臺

4.1 兩軸同步性測試

如圖10所示，伺服驅(qū)動在0號位和5號位，傳輸延時是2 440 ns。2個伺服驅(qū)動經(jīng)過SYNC同步信號同步得到的同步結(jié)果如圖11所示。

圖10 試驗拓撲結(jié)構(gòu)

圖11 同步測試結(jié)果

由圖11可知，同步信號正峰值為26.999 ns，負峰值為62.617 ns，平均同步誤差值為15.308 ns，相較于兩軸之間2 440.000 ns的延時，已得到良好的同步效果。

4.2 兩軸周期性同步位置模式測試

在上述拓撲結(jié)構(gòu)下，對兩軸進行周期性同步位置模式的運動控制，設(shè)定相同的控制目標(biāo)，獲取兩軸的往復(fù)運動的實際位置如圖12所示。

圖12 兩軸CSP模式實際位置

由圖12可知，兩軸的實際位置曲線幾乎無差，同步效果較好。

5 結(jié)束語

本文設(shè)計并實現(xiàn)了LAN9252和STM32的EtherCAT伺服從站，完成了伺服從站的硬件設(shè)計以及軟件驅(qū)動程序和通信設(shè)計。搭建了試驗平臺，并進行了相關(guān)試驗驗證，結(jié)果表明，本文設(shè)計的伺服驅(qū)動從站能通過SYNC同步信號進行軸同步，且具有良好的同步性。