基于EtherCAT的多軸運(yùn)動控制器

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1、基于EtherCAT的多軸運(yùn)動控制器1??????????EtherCAT技術(shù)介紹2EtherCAT技術(shù)的實(shí)現(xiàn)3EtherCAT伺服控制器原理概述由于以太網(wǎng)通信速度快、數(shù)據(jù)量大等特點(diǎn)使運(yùn)動控制性能得到了極大的提升。EtherCAT（EthernetforControlAutomationTechnology）技術(shù)（也稱為以太網(wǎng)現(xiàn)場總線）是德國BECKHOFF公司提出的實(shí)時工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù).它基于標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)技術(shù)，具備靈活的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，系統(tǒng)配置簡單，具有高速、高有效數(shù)據(jù)率等特點(diǎn)，其有效數(shù)據(jù)率可達(dá)90%以上.EtherCAT產(chǎn)品1.1EtherCAT系統(tǒng)組成和工作原理E

2、therCAT采用主從式結(jié)構(gòu)，主站PC機(jī)采用標(biāo)準(zhǔn)的100Base-TX以太網(wǎng)卡，從站采用專用芯片。系統(tǒng)控制周期由主站發(fā)起，主站發(fā)出下行電報.數(shù)據(jù)幀遍歷所有從站設(shè)備，每個設(shè)備在數(shù)據(jù)幀經(jīng)過時分析尋址到本機(jī)的報文，根據(jù)報文頭中的命令讀入數(shù)據(jù)或?qū)懭霐?shù)據(jù)到報文中指定位置，并且從站硬件把該報文的工作計數(shù)器（WKC）加１，表示該數(shù)據(jù)被處理。應(yīng)用范圍廣泛EtherCAT支持幾乎所有的拓?fù)漕愋停ň€型、樹型、星型等，其在物理層可使用100BASE-TX雙絞線、100BASE-FX光纖或者LVDS（Low?Voltage?Differential?Signaling,即低壓差分信號傳

3、輸），還可以通過交換機(jī)或介質(zhì)轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)不同以太網(wǎng)布線的結(jié)合。1.2EtherCAT數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)EtherCAT以標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)技術(shù)為基礎(chǔ)，在MAC（媒體訪問層）增加了一個確定性調(diào)度的軟件層，該軟件層實(shí)現(xiàn)了通信周期內(nèi)的數(shù)據(jù)幀的傳輸。EtherCAT采用標(biāo)準(zhǔn)的IEEE802.3以太網(wǎng)幀，幀結(jié)構(gòu)如圖2，各部分含義見表1：名稱含義目的地址接收方MAC地址源地址發(fā)送方MAC地址以太類型0x88A4EtherCAT頭：長度數(shù)據(jù)區(qū)長度，即子報文長度加和EtherCAT頭：類型1，代表與從站通信，其余保留CRC循環(huán)冗余校驗(yàn)和EtherCAT沒有重新定義新的以太網(wǎng)幀結(jié)構(gòu)，而是在標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)幀

4、結(jié)構(gòu)中使用了一個特殊的以太網(wǎng)幀類型0x88A4，采用這種方式可以使控制數(shù)據(jù)?直接寫入以太網(wǎng)幀內(nèi)，并且可以與遵守其它協(xié)議的以太網(wǎng)幀在同一網(wǎng)絡(luò)中并行。一個EtherCAT幀中可以包含若干個EtherCAT子報文，報文結(jié)構(gòu)如圖3，各部分含義見表2，每個報文都服務(wù)于一塊邏輯過程映像區(qū)的特定內(nèi)存區(qū)域，由FMMU（Fieldbus?Memory?Management?Unit，負(fù)責(zé)邏輯地址與物理地址的映射）寄存器和SM（Sync?Manager，負(fù)責(zé)對ESC和微處理器內(nèi)存的讀寫）寄存器定義，該區(qū)域最大可達(dá)４GB字節(jié)。EtherCAT報文由一個16位的WKC(Working?Co

5、unt)結(jié)束，其數(shù)據(jù)區(qū)最大長度可達(dá)1486個字節(jié)。在報文頭中由8位命令區(qū)數(shù)據(jù)決定主站對從站的尋址方式，由于數(shù)據(jù)鏈獨(dú)立于物理順序，因此可以對EtherCAT從站進(jìn)行任意的編址。名稱含義命令尋址方式及讀寫方式索引號幀編碼代號子報文地址從站地址長度報文數(shù)據(jù)區(qū)長度M此報文后是否還有報文？狀態(tài)位中斷到來標(biāo)志數(shù)據(jù)區(qū)子報文數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，用戶定義WKCWorking?Count,工作計數(shù)器，報文尋址次數(shù)2.1EtherCAT主站的實(shí)現(xiàn)EtherCAT技術(shù)在主站方面只需在一塊標(biāo)準(zhǔn)的NIC網(wǎng)卡，主站功能完全由軟件實(shí)現(xiàn)。EtherCAT可以用一個以太網(wǎng)幀發(fā)送1486字節(jié)的有效數(shù)據(jù)，所以在通常

6、情況下，每個通信周期只需要一個或兩個幀就能完成所有結(jié)點(diǎn)的全部通信。EtherCAT主站程序應(yīng)該包含以下幾個方面：(１)讀取XML配置文件，根據(jù)配置文件信息構(gòu)造主站與從站設(shè)備；(２)管理EtherCAT從站，發(fā)送配置文件中定義的初始化幀，初始化從站，為通信做準(zhǔn)備；(３)使用郵箱操作實(shí)現(xiàn)非周期性數(shù)據(jù)傳輸，配置系統(tǒng)參數(shù)，處理通信過程中某些偶然性事件；(４)實(shí)現(xiàn)過程數(shù)據(jù)通信，完成主站與從站之間的實(shí)時數(shù)據(jù)交換，達(dá)到主站控制從站運(yùn)行，并處理從站實(shí)時狀態(tài)的功能。2.2EtherCAT從站的實(shí)現(xiàn)可以利用BECKHOFF公司開發(fā)的從站控制器ESC(EtherCATSlaveContr

7、oller)根據(jù)實(shí)際需要設(shè)計從站設(shè)備。從站硬件示意圖如圖5。從站控制器與主站交換兩種形式的數(shù)據(jù)，一種是周期性數(shù)據(jù)，一種是非周期性數(shù)據(jù)，周期性數(shù)據(jù)傳輸可以采用緩沖區(qū)方式，任何一方在任何時間都可以訪問此方式定義的內(nèi)存，得到最新數(shù)據(jù)；非周期性數(shù)據(jù)傳輸采用握手方式（郵箱方式）實(shí)現(xiàn)，一方寫入數(shù)據(jù)到定義的內(nèi)存，只有完成定義內(nèi)存的最后一個字節(jié)的寫入，另一方才能開始從定義內(nèi)存中讀出數(shù)據(jù)，而且只有在讀出定義內(nèi)存的最后一個字節(jié)數(shù)據(jù)后，才能重新寫入數(shù)據(jù)。3.1系統(tǒng)概述一個EtherCAT主站通過EtherCAT協(xié)議可以連接若干從站運(yùn)動控制器單元。一個運(yùn)動控制器單元由從站控制底板、通信