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基于EtherCAT的多轴运动控制器研究

www.cechina.cn2009.08.11阅读 9362

        基于工业以太网的运动控制器在工业机器人、数控机床和机电一体化加工和测试设备中获得了广泛应用。由于以太网通信速度快、数据量大等特点使运动控制性能得到了极大的提升。EtherCAT(Ethernet for Control Automation Technology)技术(也称为以太网现场总线)是德国BECKHOFF公司提出的实时工业以太网技术控制工程网版权所有,它基于标准的以太网技术控制工程网版权所有,具备灵活的网络拓扑结构,系统配置简单,具有高速、高有效数据率等特点,其有效数据率可达90%以上,全双工特性完全得以利用。本文设计和实现了基于EtherCAT的伺服控制器从站,每个从站可以最多控制8个伺服轴。
        1     EtherCAT技术介绍
        1.1  EtherCAT系统组成和工作原理
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sp;       EtherCAT采用主从式结构,主站PC机采用标准的100Base-TX以太网卡,从站采用专用芯片。系统控制周期由主站发起,主站发出下行电报www.cechina.cn,电报的最大有效数据长度为1498字节。数据帧遍历所有从站设备,每个设备在数据帧经过时分析寻址到本机的报文,根据报文头中的命令读入数据或写入数据到报文中指定位置,并且从站硬件把该报文的工作计数器(WKC)加1,表示该数据被处理。整个过程会产生大约10ns的时间延迟[1]。数据帧在访问位于整个系统逻辑位置的最后一个从站后,该从站把经过处理的数据帧做为上行电报直接发送给主站。主站收到此上行电报后,处理返回数据,一次通信结束。系统结构原理图如图1所示:

系统结构原理图


        EtherCAT支持几乎所有的拓扑类型,包括线型、树型、星型等,其在物理层可使用100BASE-TX双绞线、100BASE-FX光纤或者 LVDS(Low Voltage Differential Signaling, 即低压差分信号传输),还可以通过交换机或介质转换器实现不同以太网布线的结合。快速以太网的物理层(100Base-TX)允许两个设备之间的最大电缆长度为100米CONTROL ENGINEERING China版权所有,而LVDS的物理层只能保障10米的传输间距,适合于近距离站点的连接。整个网络最多可以连接65535个设备。
        借助于从站中的EtherCAT专用芯片和主站中读取网卡数据的DMA技术,整个协议处理过程都在硬件中进行。EtherCAT系统可以在30μs内刷新1000个I/O点,它可以在300μs内交换一帧多达1486个字节的协议数据,这几乎相当于12000个数字量输入或输出。控制100个输入输出数据均为8字节的伺服轴只需要100μs[2]。EtherCAT的高性能使它还可以处理分布式驱动器的电流(转矩)控制。
        1.2  EtherCAT数据帧结构
        EtherCAT以标准以太网技术为基础,在MAC(媒体访问层)增加了一个确定性调度的软件层,该软件层实现了通信周期内的数据帧的传输。EtherCAT采用标准的IEEE802.3以太网帧,帧结构如图2,各部分含义见表1:

帧结构

各部分含义


        KCWorking Count,工作计数器,报文寻址次数EtherCAT没有重新定义新的以太网帧结构www.cechina.cn,而是在标准以太网帧结构中使用了一个特殊的以太网帧类型0x88A4,采用这种方式可以使控制数据直接写入以太网帧内,并且可以与遵守其它协议的以太网帧在同一网络中并行。一个EtherCAT帧中可以包含若干个EtherCAT子报文,报文结构如图3,见表2,每个报文都服务于一块逻辑过程映像区的特定内存区域,由FMMU(Fieldbus Memory Management Unit,负责逻辑地址与物理地址的映射)寄存器和SM(Sync Manager,负责对ESC和微处理器内存的读写)寄存器定义,该区域最大可达4GB字节。EtherCAT报文由一个16位的WKC(Working Co
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