基于EtherCAT的縫紉機控制系統(tǒng)從站設(shè)計

白瀟　石盟　吳鋒

【摘? 要】以太網(wǎng)控制自動化技術(shù)（EtherCAT）是基于以太網(wǎng)的現(xiàn)場總線系統(tǒng)，其以高實時響應(yīng)、分布式控制、一網(wǎng)到底的系統(tǒng)架構(gòu)優(yōu)勢成為工業(yè)控制系統(tǒng)設(shè)計的發(fā)展趨勢。論文將EtherCAT技術(shù)引入現(xiàn)代縫紉設(shè)備的多軸控制，利用其優(yōu)異的同步性、實時性，有效提升縫紉機多軸控制系統(tǒng)的性能，具有十分重要的意義。

【Abstract】Ethernet control automation technology （EtherCAT） is a fieldbus system based on ethernet. It has become the development trend of industrial control system design because of its advantages of system architecture， such as high real-time response， distributed control and one network to the bottom. The paper introduces the EtherCAT technology into the multi-axis control of modern sewing equipment， and uses its excellent synchronization and real-time performance to effectively improve the performance of the multi-axis control system of sewing machine， which is of great significance.

【關(guān)鍵詞】EtherCAT;從站控制;多軸伺服

【Keywords】EtherCAT; control of slave station; multi-axis servo

【中圖分類號】TP316? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?【文獻標志碼】A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?【文章編號】1673-1069（2020）12-0176-02

1 引言

將EtherCAT技術(shù)引入現(xiàn)代縫紉設(shè)備的多軸控制，發(fā)揮其優(yōu)異的同步性、實時性優(yōu)勢，可以有效提升縫紉機多軸控制系統(tǒng)的性能。本文給出了一種利用EtherCAT從站控制器（ESC）ET1100和STM32單片機設(shè)計的縫紉機控制系統(tǒng)EtherCAT從站方案。

2 實時工業(yè)以太網(wǎng)EtherCAT技術(shù)

2.1 EtherCAT技術(shù)原理

EtherCAT通信原理為主站發(fā)出下行報文，由緊挨主站的從站1進行解析處理，并依次發(fā)送給各個從站進行解析處理，直至到達最后一個從站n，報文攜帶反饋數(shù)據(jù)幀由從站n到從站1依次返回，由緊挨主站的從站1將上行報文發(fā)送給主站，即完成一個數(shù)據(jù)循環(huán)周期。整個過程中，報文只有幾納秒的時間延遲，發(fā)送和接收的數(shù)據(jù)幀壓縮了大量的設(shè)備數(shù)據(jù)，可用數(shù)據(jù)率達90%以上。

2.2 EtherCAT協(xié)議

EtherCAT使用幀類型為0x88A4的數(shù)據(jù)幀，以此進行傳輸，整個數(shù)據(jù)幀由目的地址、源地址和幀類型構(gòu)成的以太網(wǎng)幀頭和EtherCAT數(shù)據(jù)頭及44～1498字節(jié)的數(shù)據(jù)區(qū)共同組成。數(shù)據(jù)區(qū)由一個或多個EtherCAT子報文組成，每個子報文對應(yīng)獨立的設(shè)備或從站存儲區(qū)。EtherCAT如同普通以太網(wǎng)，完全遵循電氣和電子工程協(xié)會IEEE802.3以太網(wǎng)協(xié)議。

3 基于EtherCAT的縫紉機多軸控制系統(tǒng)總體設(shè)計

基于EtherCAT的縫紉機多軸控制系統(tǒng)中，系統(tǒng)采用一主多從的直連模式，控制系統(tǒng)主站和從站之間采用以太網(wǎng)線連接，通過EtherCAT總線協(xié)議進行通信。系統(tǒng)采用計算機作為EtherCAT主站，計算機上安裝具有DMA功能標準的以太網(wǎng)卡作為網(wǎng)絡(luò)接口，在計算機上采用倍福公司的Twincat軟件實現(xiàn)主站功能。主站向從站發(fā)送包含控制指令的EtherCAT數(shù)據(jù)幀，從站接收到數(shù)據(jù)幀后，對命令進行解析，驅(qū)動各電機及執(zhí)行機構(gòu)，完成縫紉、送料、剪線、抬壓腳等操作，同時，從站將運行信息和輸入采集信號發(fā)送回主站。

4 基于ET1100的從站硬件設(shè)計

縫紉機EtherCAT控制系統(tǒng)從站主要完成EtherCAT通信控制和設(shè)備驅(qū)動控制兩個任務(wù)，其中，設(shè)備驅(qū)動控制由微處理器實現(xiàn)，本系統(tǒng)中微處理器采用高性能32位單片機STM32F103，驅(qū)動電路根據(jù)不同的被控對象選擇成熟的驅(qū)動電路，如交流伺服電機驅(qū)動電路、步進電機驅(qū)動電路、電磁繼電器驅(qū)動電路等。EtherCAT通信控制由專門的EtherCAT從站控制器（ESC）來實現(xiàn)，ESC在數(shù)據(jù)鏈路層起重要作用，實現(xiàn)EtherCAT主站和從站的以太網(wǎng)通信，ESC通過I2C和外部EEPROM連接，EEPROM中存儲ESC基本配置信息。

4.1 從站芯片選取

本文提出的方案中從站的ESC選用ET1100，該芯片是一款高性價比EtherCAT從站控制器，它包含了兩個嵌入式的快速以太網(wǎng)物理層，使其能支持工業(yè)以太網(wǎng)應(yīng)用，同時，提供了一個三通道PWM控制器或者一個步進式控制器，另外，還有一個額外的（ABZ）/Hall編碼器接口。ET1100有四個EtherCAT端口，32位數(shù)字量I/O口用于傳輸數(shù)據(jù)，64位分布式時鐘，8kB雙口內(nèi)存用于存取數(shù)據(jù)，尺寸為10mm×10mm，適用于系統(tǒng)整體性能要求較高、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的設(shè)計。

4.2 從站硬件設(shè)計

本控制系統(tǒng)選取PC機作為系統(tǒng)主站，主站與從站之間通過EtherCAT總線進行通訊。整個系統(tǒng)采用鏈式拓撲結(jié)構(gòu)，在主站上用Twincat軟件進行PLC、編程及實時監(jiān)測，三個從站帶動各自的伺服設(shè)備進行工作。EtherCAT從站控制器ESC是由專門的硬件來實現(xiàn)的，主要負責數(shù)據(jù)鏈路層和物理層協(xié)議。ESC與主機設(shè)備之間的連接結(jié)構(gòu)方式根據(jù)過程接口PDI的形式確定。

4.3 從站控制器選取

從站采用以STM32為核心的控制系統(tǒng)，主要包括并行數(shù)據(jù)傳輸接口電路、STM32核心片和USB轉(zhuǎn)串口的程序下載及調(diào)試電路三部分。

STM32具有緊密耦合的中斷控制器，這種寄存器對中斷事件的響應(yīng)就更加及時，系統(tǒng)的實時性更好，同時，STM32具有適用于工業(yè)開發(fā)的低功耗特性。ST公司在開發(fā)STM32系列芯片時也開發(fā)了相應(yīng)的固件函數(shù)庫，包括系統(tǒng)時鐘設(shè)置、端口讀寫功能等，易于系統(tǒng)開發(fā)，并具有靈活的外部存儲器讀寫機制FSMC功能，可對任意的外部存儲器進行讀寫，讀寫速度僅有時鐘的一半。

在STM32模塊中使用CP2102芯片進行程序的下載及調(diào)試，CP2102內(nèi)置USB2.0全速功能控制器、USB收發(fā)器、晶體振蕩器、EEPROM及異步串行數(shù)據(jù)總線（UART），支持調(diào)制解調(diào)器全功能信號，無需任何外部的USB器件，且集成度高。CP2102內(nèi)含USB收發(fā)器、時鐘電路、上電復(fù)位電路，無需外接電路器、SUSPEND引腳支持USB狀態(tài)掛起，支持的數(shù)據(jù)格式為數(shù)據(jù)位8、停止位1和2與校驗位。此款芯片復(fù)合項目總體設(shè)計要求較低，且功耗低、實用性強。

將ET1100存儲器部分映射到STM32的FSMC的第1個BANK的第1個內(nèi)存區(qū)，由于采用的是STM32F103VE只有16位的數(shù)據(jù)線，需要數(shù)據(jù)線和地址線復(fù)用。在解析出報文之后，將相應(yīng)的數(shù)據(jù)解析，發(fā)送到驅(qū)動部分，然后產(chǎn)生相應(yīng)的PWM波和數(shù)字信號經(jīng)過高速光耦，經(jīng)過相應(yīng)的芯片（PS21A79）處理，產(chǎn)生伺服電機的動力信號。同時，電機的編碼器數(shù)值經(jīng)過定時捕捉，在CPLD中進行解算，傳到STM32中，構(gòu)成閉環(huán)控制。

5 從站軟件設(shè)計

EtherCAT從站軟件實現(xiàn)與主站的通訊，以及電機的控制。EtherCAT從站軟件的設(shè)計分為應(yīng)用層與數(shù)據(jù)鏈路層。

從站ESC用于實現(xiàn)數(shù)據(jù)鏈路層，完成數(shù)據(jù)的收發(fā)，以及錯誤的及時處理。應(yīng)用層則由ESC與從站微處理器中所編寫的相應(yīng)的驅(qū)動程序組成。從站使用微處理器操作ESC實現(xiàn)應(yīng)用層，包括設(shè)備初始化、通訊狀態(tài)機初始化、周期性數(shù)據(jù)處理。

對于XML文件的配置，XML文件是設(shè)備配置文件，燒寫在EEPROM里面，ETll00上電后會從EEPROM里面加載配置參數(shù)，完成從站初始化過程。XML文件也用于主站掃描設(shè)備過程中，主站掃描設(shè)備時，會讀取EEPROM里面的描述信息，完成對從站的初始配置。

EtherCAT主站與從站控制器ESC之間通信數(shù)據(jù)交換方式有兩種：一種是周期性數(shù)據(jù)，另一種是非周期數(shù)據(jù)。周期性數(shù)據(jù)通信采用緩沖區(qū)方式，ESC開辟有三個緩沖區(qū)交替工作，實現(xiàn)周期性數(shù)據(jù)交換。非周期數(shù)據(jù)通信采用郵箱方式實現(xiàn)，郵箱數(shù)據(jù)通信是實現(xiàn)參數(shù)交換的標準方式。

在進行縫紉機多軸驅(qū)動控制時，主站和從站之間通過周期性數(shù)據(jù)傳輸方式進行通信。主站將指令數(shù)據(jù)寫入子報文中，發(fā)送給各從站。從站的ET1100接收到EtherCAT數(shù)據(jù)幀后，將子報文的指令數(shù)據(jù)存入緩沖區(qū)，并將緩沖區(qū)內(nèi)已經(jīng)存好的反饋數(shù)據(jù)插入子報文，向STM32發(fā)出中斷信號。STM32響應(yīng)該中斷信號并讀取ET1100緩存區(qū)的指令數(shù)據(jù)，同時，將反饋數(shù)據(jù)寫入ET1100，完成與主站的信息交互。STM32根據(jù)所得到的指令數(shù)據(jù)經(jīng)過控制程序計算，生成相應(yīng)的脈沖信號發(fā)送到驅(qū)動電路，驅(qū)動主軸電機、框架電機、剪線電磁鐵運行。

6 結(jié)語

本從站控制系統(tǒng)設(shè)計了一種基于EtherCAT技術(shù)的模塊化工業(yè)縫紉機智能控制系統(tǒng)。主站與從站之間的連接關(guān)系采用雙絞線連接，拓撲結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)相同，可以更加靈活地應(yīng)用于實際生產(chǎn)中。

【參考文獻】

【1】李木國，尹永潔，劉于之，等.基于PCIe總線接口的EtherCAT從站網(wǎng)卡設(shè)計[J].計算機測量與控制，2015，23（03）：921-923.

【2】史殿坤.基于STM32的工業(yè)以太網(wǎng)EtherCAT從站的設(shè)計和實現(xiàn)[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2013.

【3】謝鍇，顏鋼鋒.基于EtherCAT的多軸運動控制系統(tǒng)設(shè)計[J].組合機床與自動化加工技術(shù)，2017（02）：68-72.

【基金項目】國家級大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃項目（項目編號：201911080008）。

【作者簡介】白瀟（1999-），女，陜西商洛人，本科在讀，從事電氣自動化研究。