一种基于EtherCAT的多轴伺服系统架构设计方法技术方案

本发明专利技术提出一种基于EtherCAT的多轴伺服系统架构设计方法，该方法将EtherCAT技术和多轴伺服系统相结合，以串行级联的方式将各伺服驱动单元挂载到系统中，通讯时EtherCAT主站PC将包含有各EtherCAT伺服从站信息的命令打包成一帧以太网数据帧，帧类型为0X88A4，传输过程中数据帧被从站的专用EtherCTA通信芯片ET1100所处理并决定是向数据帧中写入从站数据还是从数据帧中读出相关数据给FPGA，通讯硬件独立于伺服控制硬件，数据帧从PC主站出发，传至最后一个EtherCAT从站后经原路径返回至PC主站，完成一个系统的通讯周期。本发明专利技术适合于精密机械加工、医学仪器等同步精度和控制精度要求高的场合，适合汽车行业，机器人行业等要求可扩展性的场合，节点之间使用100Base

【技术实现步骤摘要】
一种基于EtherCAT的多轴伺服系统架构设计方法


[0001]本专利技术属于工业自动化控制领域，具体涉及一种基于EtherCAT的多轴伺服系统架构设计方法。

技术介绍

[0002]工业自动化控制中的伺服电机、步进电机是机械装置转动的枢纽，广泛活跃和应用到精密机械加工、汽车制造、流程工艺等行业中。一方面，在工业现场控制初期，工程师一般采取点对点星型系统架构，其存在接线繁琐，同步精度不高，可扩展性较差的弊端。另一方面，现阶段CAN、MVB等现场总线较好地解决了以上不足，但系统运行中几兆的数据传输速率却大大限制了工业现场未来的速率瓶颈。总体而言，解决工业自动化控制领域中伺服设备的数量可扩展性问题和数据传输速率问题是值得探讨和研究的。

技术实现思路

[0003]为了解决上面所述的几点问题，本专利技术的目的在于提出一种基于EtherCAT的多轴伺服系统架构设计方法，该方法以装有TwinCAT(The Windows Control and Automation Technology)运行核的PC机为系统主站，主站发出的EtherCAT数据帧到达系统从站的ESC(EtherCAT Slave Controller，EtherCAT从站控制器)时产生中断，FPGA(应用层微控制器)响应中断后从ESC中读取数据，FPGA将收到的数据解码后传输给控制程序，程序产生信号脉冲给伺服驱动单元来运行电机，同时FPGA写入反馈数据到ESC中，系统主站读取反馈状态后进行下一周期的操作。
[0004]本专利技术采用的技术方案为：一种基于EtherCAT的多轴伺服系统架构设计方法，硬件包括：EtherCAT主站PC、EtherCAT从站1、EtherCAT从站2、EtherCAT从站3、伺服驱动单元1、伺服驱动单元2、伺服驱动单元3、以太网传输。所述的EtherCAT主站PC包括TwinCAT软件和网络接口卡(NIC)；所述的EtherCAT从站1包括FPGA、ET1100、25MHz时钟源、EEPROM、PHY芯片1、PHY芯片2、变压器1、变压器2、RJ45(1)、RJ45(2)；所述的网络接口卡(NIC)通过以太网传输介质与EtherCAT从站1、EtherCAT从站2、EtherCAT从站3依次串行相连，完成主从数据交互。EtherCAT从站1中FPGA的数据线、地址线、控制线是挂接到ET1100上的。控制线中的中断信号线只允许FPGA进行读操作有效，响应中断后在中断服务程序中读取AL事件请求寄存器，根据所发生的事件做相应的处理；地址线允许FPGA进行写操作，允许ET1100进行读操作；数据线允许FPGA和ET1100进行双向读操作和写操作；FPGA通过对地址线的写操作以地址形式访问ET1100中的寄存器，寄存器的数值FPGA通过对数据线的读操作和写操作完成数据的读取或者改写。
[0005]一种基于EtherCAT的多轴伺服系统架构设计方法，主站软件将XML(从站设备描述)文件解析并设置从站ESC(EtherCAT Slave Controller，EtherCAT从站控制器)寄存器，运行ESM(EtherCAT状态机)后周期通信，从站软件通讯流程如下：
[0006]第一步，EtherCAT从站1电路硬件初始化。EtherCAT从站1中的FPGA(应用层微控制
器)初始化，ET1100(从站通信专用芯片)寄存器初始化。
[0007]第二步，EtherCAT从站1ESM(EtherCAT状态机)通信初始化。EtherCAT从站1中的FPGA通过与ET1100相连的地址线，数据线，控制线查询EtherCAT主站PC的状态控制寄存器，读取相关配置寄存器，启动或终止从站相关通讯服务。
[0008]第三步，EtherCAT主站PC工作模式查询。EtherCAT主站PC工作模式有三种，分别为FREE RUN(自由运行)模式、SM(Sync Manager，同步管理)模式、DC(Distributed Clock，分布时钟)模式。EtherCAT从站1中的FPGA通过与ET1100相连的地址线，数据线，控制线查询EtherCAT主站PC的工作模式，若为FREE RUN模式，则进行第四步；若为SM模式，则进行第五步；若为DC模式，则进行第六步。
[0009]第四步，FREE RUN(自由运行)模式。在FREE RUN模式下，EtherCAT从站1周期性查询并处理过程数据(PDO)事件；过程数据(PDO)通讯的处理类似于普通C程序中的循环，即每个周期EtherCAT主站PC都会对EtherCAT从站1进行访问与操作。执行完毕返回到第三步。
[0010]第五步，SM(Sync Manager，同步管理)模式。在SM模式下，EtherCAT从站1中的FPGA会通过ET1100的中断信号IRQ判断ET1100是否有过程数据接口(PDI)中断，如果有，FPGA通过地址线和数据线清除ET1100中的标志位，FPGA进入到PDI(过程数据接口)中断服务程序；若没有，继续等待。执行完毕后返回到第三步。
[0011]第六步，DC(Distributed Clock，分布时钟)模式。在DC模式下，SYNC(分布时钟同步信号)映射到IRQ信号而触发中断，此时同步引脚用作LATCH输入引脚。EtherCAT从站1中的FPGA会通过ET1100中的SYNC信号判断ET1100是否有SYNC中断，如果有，FPGA通过地址线和数据线清除ET1100中的标志位，FPGA进入到SYNC中断服务程序；若没有，继续等待。执行完毕后返回到第三步。
[0012]本专利技术与现有技术相比的优点在于：
[0013](1)本专利技术相比于点对点架构以及其它串行式架构，可挂载伺服驱动单元数量更多，可拓展性更好。EtherCAT主站作为通讯根节点，可以串行连接若干个EtherCAT从站，理论上整个网络最大为65535个设备。EtherCAT从站作为通讯子节点，其连接的每一个伺服驱动单元可挂载若干个电机。
[0014](2)本专利技术相比于其它低数据量协议架构，可以实现百兆传输要求，通信周期更短，传输数据量更大。EtherCAT协议的物理层实现是基于传统以太网，传统以太网数据吞吐量的提升会促进EtherCAT协议可传输数据量的提升。
[0015](3)本专利技术相比于应用层采用串行式微处理器的方法，处理速度更快，系统通信周期受到影响的可能性更小。系统通讯周期一方面需要大于主站数据帧往返时间，另一方面需要大于从站应用层微处理器处理时间。FPGA采用并行式处理，可使得EtherCAT协议在应用层从站方面运行和伺服驱动方面运行时间更短，性能更好。
附图说明
[0016]图1为本专利技术一种基于EtherCAT的多轴伺服系统架构设计方法工作流程图；
[0017]图2为FPGA与ET1100数据接口图；
[0018]图3为EtherCAT报文嵌入以太网数据帧示意图；
[0019]图4为本专利技术一种基于EtherCAT的多轴伺服本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于EtherCAT的多轴伺服系统架构设计方法，其特征在于，该方法硬件包括：EtherCAT主站PC(1)、EtherCAT从站1(2)、EtherCAT从站2(3)、EtherCAT从站3(4)、伺服驱动单元1(5)、伺服驱动单元2(6)、伺服驱动单元3(7)和以太网传输(8)，所述的EtherCAT主站PC(1)包括TwinCAT软件(9)和网络接口卡(NIC)(10)；所述的EtherCAT从站1(2)包括FPGA(11)、ET1100(12)、25MHz时钟源(13)、EEPROM(14)、PHY芯片1(15)、PHY芯片2(16)、变压器1(17)、变压器2(18)、RJ45(1)(19)、RJ45(2)(20)；所述的网络接口卡(NIC)(10)通过以太网传输介质与EtherCAT从站1(2)、EtherCAT从站2(3)、EtherCAT从站3(4)依次串行相连，完成主从数据交互。2.根据权利要求1所述的一种基于EtherCAT的多轴伺服系统架构设计方法，其特征在于：EtherCAT从站1(2)中FPGA(应用层微控制器)(11)的数据线、地址线、控制线是挂接到ET1100(从站通信专用芯片)(12)上的，控制线中的中断信号线只允许FPGA(11)进行读操作有效，响应中断后在中断服务程序中读取AL(Application Layer，应用层)事件请求寄存器，根据所发生的事件做相应的处理；地址线允许FPGA(11)进行写操作，允许ET1100(12)进行读操作；数据线允许FPGA(11)和ET1100(12)进行双向读操作和写操作；FPGA(11)通过对地址线的写操作以地址形式访问ET1100(12)中的寄存器，寄存器的数值FPGA(11)通过对数据线的读操作和写操作完成数据的读取或者改写。3.根据权利要求1所述的一种基于EtherCAT的多轴伺服系统架构设计方法，其特征在于：主站软件将XML(从站设备描述)文件解析并设置从站ESC(EtherCAT Slave Controller，EtherCAT从站控制器)寄存器，运行ESM(EtherCAT状态机)后周期通信，从站软件通讯流程如下：第一步，EtherCAT从站1(2)电路硬件初始化，EtherCAT从站1(2)中的FPGA(应用层微控制器)(11)初始化，ET1100(从站通信专用...

【专利技术属性】
技术研发人员：杜升平，许世浩，徐淑静，郭弘扬，陈刚荣，
申请(专利权)人：中国科学院光电技术研究所，
类型：发明
国别省市：