基于EtherCAT實(shí)時(shí)以太網(wǎng)技術(shù)的轉(zhuǎn)臺(tái)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究

文/李豐 信光成 張建成 賴智華

基于EtherCAT實(shí)時(shí)以太網(wǎng)技術(shù)的轉(zhuǎn)臺(tái)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究

文/李豐 信光成 張建成 賴智華

文章介紹了EtherCAT實(shí)時(shí)以太網(wǎng)技術(shù)，包括其工作原理與相關(guān)協(xié)議，分析了其技術(shù)上的先進(jìn)性和優(yōu)勢(shì)。針對(duì)傳統(tǒng)轉(zhuǎn)臺(tái)控制系統(tǒng)內(nèi)部線纜連接繁雜，控制信號(hào)易受干擾，故障診斷能力差等缺陷，提出了一種基于EtherCAT總線技術(shù)的轉(zhuǎn)臺(tái)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，設(shè)計(jì)采用PC機(jī)和EtherCAT主站通訊卡作為硬件平臺(tái)，以VxWorks實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)作為軟件平臺(tái)，以工業(yè)以太網(wǎng)網(wǎng)線作為控制器和驅(qū)動(dòng)器間數(shù)據(jù)交互的媒介，簡(jiǎn)化了系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了通訊的全數(shù)字化，提高了控制系統(tǒng)抗干擾能力和可靠性。

EtherCAT VxWorks

圖2：EtherCAT實(shí)時(shí)以太網(wǎng)協(xié)議

EtherCAT (Ethernet for Control Automation Technology)是由德國(guó)自動(dòng)控制公司Beckhoff開(kāi)發(fā)的一種工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)，該技術(shù)以其高速、簡(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn)正在獲得越來(lái)越多的產(chǎn)品研發(fā)人員的關(guān)注。2003年底ETG（Ethernet Technology Group）組織成立，2007年ETG組織成立中國(guó)代表處負(fù)責(zé)EtherCAT技術(shù)的推廣和宣傳。截止2017年6月份ETG組織目前全球會(huì)員數(shù)已經(jīng)超過(guò)4336家，其中，中國(guó)大陸會(huì)員600多家。

1 EtherCAT實(shí)時(shí)以太網(wǎng)技術(shù)介紹

1.1 EtherCAT實(shí)時(shí)以太網(wǎng)工作原理

EtherCAT采用主從站的工作模式，主站采用配有標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)卡或者兼容EtherCAT協(xié) 議 網(wǎng) 卡 的PC機(jī)，ESC(Ether CAT slave controller，從站控制器)采用專門的從站芯片。主從站通信過(guò)程示意圖如圖1所示，在整個(gè)EtherCAT工作流程中，主站連接n個(gè)從站，按照連接順序，將從站命名為從站1，從站2，…，從站n，由主站發(fā)起通訊，發(fā)送數(shù)據(jù)包，數(shù)據(jù)按照從站的連接順序，依次通過(guò)各個(gè)從站，從站根據(jù)指令在幀的相應(yīng)位置插入或提取數(shù)據(jù)，當(dāng)幀到達(dá)最后一個(gè)從站n后，再由從站n將處理過(guò)的完整的數(shù)據(jù)幀發(fā)回。

1.2 EtherCAT實(shí)時(shí)以太網(wǎng)協(xié)議

EtherCAT數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)如圖2所示，符合IEEE802.3標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)協(xié)議，幀類型為0x88A4，IP數(shù)據(jù)段由EtherCAT頭和EtherCAT數(shù)據(jù)組成，而若干子報(bào)文又組成了EtherCAT數(shù)據(jù)。子報(bào)文又由子報(bào)文頭、子報(bào)文數(shù)據(jù)和工作計(jì)數(shù)器WKC組成。子報(bào)文頭又決定了該子報(bào)文傳輸?shù)降膶?duì)應(yīng)從站，以及該從站對(duì)子報(bào)文進(jìn)行讀或?qū)懖僮?，在主從站通訊的過(guò)程中，16位工作計(jì)數(shù)器(WKC)的值顯得尤為重要。主站發(fā)起周期控制的時(shí)候預(yù)先給定WKC一個(gè)值，當(dāng)數(shù)據(jù)幀遍歷完整個(gè)設(shè)備的時(shí)候，通過(guò)對(duì)比返回的WKC值，可以驗(yàn)證數(shù)據(jù)報(bào)文是否被EtherCAT從站節(jié)點(diǎn)正確處理。

2 基于EtherCAT技術(shù)的轉(zhuǎn)臺(tái)電控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方案

2.1 轉(zhuǎn)臺(tái)電控系統(tǒng)總體方案

整個(gè)轉(zhuǎn)臺(tái)控制系統(tǒng)由基于VxWorks的X86計(jì)算機(jī)和EtherCAT主站控制卡組成。內(nèi)部板卡數(shù)據(jù)交互形式為CPCI總線，主控單元和驅(qū)動(dòng)器間通過(guò)EtherCAT總線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。整個(gè)控制系統(tǒng)對(duì)外連接形式更簡(jiǎn)潔，控制系統(tǒng)對(duì)外可實(shí)現(xiàn)“一網(wǎng)到底”的互聯(lián)。

如圖3所示，系統(tǒng)以x86 CPU作為運(yùn)算處理單元，運(yùn)動(dòng)控制算法及軌跡規(guī)劃命令都通過(guò)此單元完成。系統(tǒng)設(shè)置EtherCAT主站控制卡的刷新周期為1ms，每個(gè)伺服周期EtherCAT主站卡可遍歷各個(gè)驅(qū)動(dòng)器獲取實(shí)際角位置信息及驅(qū)動(dòng)器工作狀態(tài)參數(shù)，然后通過(guò)中斷的形式通知CPU讀取，CPU獲取參數(shù)后進(jìn)行下一周期的控制計(jì)算，然后通過(guò)CPCI總線將命令發(fā)送給EtherCAT主站卡，主站再將數(shù)據(jù)對(duì)各從站驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行依次的數(shù)據(jù)刷新。

圖3：基于EtherCAT技術(shù)的轉(zhuǎn)臺(tái)電控系統(tǒng)框圖

圖4：CIFX 80-RE/RTEM主站控制卡初始化步驟

2.2 EtherCAT主站控制卡底層驅(qū)動(dòng)調(diào)試

EtherCAT主站控制卡選用德國(guó)赫優(yōu)信的CIFX 80-RE/RTEM板卡，通過(guò)CPCI總線與x86主控CPU進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊。用戶只需調(diào)用特定的API函數(shù)即可實(shí)現(xiàn)對(duì)主站控制卡的數(shù)據(jù)收發(fā)操作，初始化主站控制卡流程如圖4所示。

首先調(diào)用API函數(shù)cifXInitDriver()，此函數(shù)會(huì)掃描系統(tǒng)中的cifX PCI設(shè)備，若有該類型設(shè)備將下載固件和配置文件。若設(shè)備驅(qū)動(dòng)初始化成功，將返回CIFX_NO_ERROR標(biāo)志。然后可執(zhí)行cifX驅(qū)動(dòng)打開(kāi)函數(shù)xDriverOpen()和通道打開(kāi)函數(shù)xChannelOpen()，整個(gè)驅(qū)動(dòng)初始化過(guò)程完畢。

2.3 EtherCAT主站控制卡與主控CPU數(shù)據(jù)交換實(shí)現(xiàn)

赫優(yōu)信主站控制卡和用戶應(yīng)用程序通過(guò)DPM(雙端口RAM)的形式進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，默認(rèn)情況下數(shù)據(jù)交換與總線周期是分離的，為了實(shí)現(xiàn)同步數(shù)據(jù)交換功能，主站控制卡提供了一種同步握手機(jī)制。在總線周期的起始時(shí)刻主站控制卡會(huì)將上一周期計(jì)算完畢數(shù)據(jù)同步更新到各從站驅(qū)動(dòng)器，同時(shí)從驅(qū)動(dòng)器返回?cái)?shù)據(jù)，然后采用發(fā)中斷信號(hào)給主控CPU，主控CPU從DPM中讀取數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算完畢后通知主站控制卡進(jìn)行數(shù)據(jù)讀取，整個(gè)數(shù)據(jù)交互過(guò)程和實(shí)際測(cè)試波形如圖5所示。

圖5：EtherCAT主站控制卡與主控CPU數(shù)據(jù)交換過(guò)程示意圖

3 基于EtherCAT技術(shù)的控制系統(tǒng)的技術(shù)優(yōu)勢(shì)

傳統(tǒng)轉(zhuǎn)臺(tái)控制系統(tǒng)多采用PC機(jī)+運(yùn)動(dòng)控制卡形式，如圖6(a)所示，驅(qū)動(dòng)器一般工作于力矩環(huán)模式，控制器每個(gè)伺服周期發(fā)送電流調(diào)節(jié)指令(一般為模擬電壓或者PWM+脈沖)，系統(tǒng)和驅(qū)動(dòng)器間只是單向通訊，控制器無(wú)法獲取驅(qū)動(dòng)器完整的狀態(tài)信息，只能通過(guò)簡(jiǎn)單的IO判斷驅(qū)動(dòng)器是否工作正常，且控制器到驅(qū)動(dòng)器的連線較多，造成調(diào)試中諸多不便。

圖6

基于EtherCAT技術(shù)的轉(zhuǎn)臺(tái)控制系統(tǒng)采用分布式控制方式，如圖6(b)所示，控制器到驅(qū)動(dòng)器均已數(shù)字指令完成傳輸，且通訊為雙向的，可實(shí)時(shí)獲取驅(qū)動(dòng)器工作狀態(tài)，驅(qū)動(dòng)器工作于位置/速度/力矩模式，主控制器通過(guò)一根網(wǎng)線完成對(duì)多個(gè)驅(qū)動(dòng)器的調(diào)節(jié)和控制工作，大大減少了導(dǎo)線互聯(lián)導(dǎo)致的系統(tǒng)不穩(wěn)定現(xiàn)象，提高了系統(tǒng)的可靠性。同時(shí)，由于驅(qū)動(dòng)器大量信息的獲取，可更準(zhǔn)確的對(duì)各種故障進(jìn)行定位，對(duì)系統(tǒng)故障自診斷能力有很大的提升。

4 結(jié)語(yǔ)

EtherCAT實(shí)時(shí)以太網(wǎng)技術(shù)提高了工業(yè)以太網(wǎng)的帶寬利用效率，減小了堆棧延遲，使得通訊速度更快，完全能適應(yīng)轉(zhuǎn)臺(tái)高速伺服系統(tǒng)要求。此外，EtherCAT總線還具有很強(qiáng)的網(wǎng)絡(luò)的診斷能力、靈活的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和精確的時(shí)鐘同步性能，可大大簡(jiǎn)化轉(zhuǎn)臺(tái)電控系統(tǒng)的外部接線，縮短整個(gè)系統(tǒng)調(diào)試時(shí)間，提高整個(gè)控制系統(tǒng)的可靠性。

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作者單位九江精密測(cè)試技術(shù)研究所 江西省九江市332000

李豐男（1986-），碩士研究生。工程師。研究方向?yàn)楣I(yè)自動(dòng)化控制。