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　　基于工業(yè)以太網(wǎng)的運動控制器在工業(yè)機器人、數(shù)控機床和機電一體化加工和測試設備中獲得了廣泛應用。由于以太網(wǎng)通信速度快、數(shù)據(jù)量大等特點使運動控制性能得到了極大的提升。EtherCAT(Ethernet for Control Automation Technology)技術(也稱為以太網(wǎng)現(xiàn)場總線)是德國BECKHOFF公司提出的實時工業(yè)以太網(wǎng)技術，它基于標準的以太網(wǎng)技術，具備靈活的網(wǎng)絡拓撲結(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，其有效數(shù)據(jù)率可達90%以上，全雙工特性完全得以利用。本文設計和實現(xiàn)了基于EtherCAT的伺服控制器從站，每個從站可以最多控制8個伺服軸。

　　1 EtherCAT技術介紹

　　1.1 EtherCAT系統(tǒng)組成和工作原理

　　EtherCAT采用主從式結(jié)構(gòu)，主站PC機采用標準的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，電報的最大有效數(shù)據(jù)長度為1498字節(jié)。數(shù)據(jù)幀遍歷所有從站設備，每個設備在數(shù)據(jù)幀經(jīng)過時分析尋址到本機的報文，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。整個過程會產(chǎn)生大約10ns的時間延遲[1]。數(shù)據(jù)幀在訪問位于整個系統(tǒng)邏輯位置的最后一個從站后，該從站把經(jīng)過處理的數(shù)據(jù)幀做為上行電報直接發(fā)送給主站。主站收到此上行電報后，處理返回數(shù)據(jù)，一次通信結(jié)束。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖如圖1所示：

　　EtherCAT支持幾乎所有的拓撲類型，包括線型、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, 即低壓差分信號傳輸)，還可以通過交換機或介質(zhì)轉(zhuǎn)換器實現(xiàn)不同以太網(wǎng)布線的結(jié)合。快速以太網(wǎng)的物理層(100Base-TX)允許兩個設備之間的最大電纜長度為100米，而LVDS的物理層只能保障10米的傳輸間距，適合于近距離站點的連接。整個網(wǎng)絡最多可以連接65535個設備。

　　借助于從站中的EtherCAT專用芯片和主站中讀取網(wǎng)卡數(shù)據(jù)的DMA技術，整個協(xié)議處理過程都在硬件中進行。EtherCAT系統(tǒng)可以在30μs內(nèi)刷新1000個I/O點，它可以在300μs內(nèi)交換一幀多達1486個字節(jié)的協(xié)議數(shù)據(jù)，這幾乎相當于12000個數(shù)字量輸入或輸出。控制100個輸入輸出數(shù)據(jù)均為8字節(jié)的伺服軸只需要100μs[2]。EtherCAT的高性能使它還可以處理分布式驅(qū)動器的電流(轉(zhuǎn)矩)控制。

　　1.2 EtherCAT數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)

　　EtherCAT以標準以太網(wǎng)技術為基礎，在MAC(媒體訪問層)增加了一個確定性調(diào)度的軟件層，該軟件層實現(xiàn)了通信周期內(nèi)的數(shù)據(jù)幀的傳輸。EtherCAT采用標準的IEEE802.3以太網(wǎng)幀，幀結(jié)構(gòu)如圖2，各部分含義見表1：

　　表1 幀結(jié)構(gòu)含義
 

　　表2 子報文結(jié)構(gòu)含義
 

EtherCAT沒有重新定義新的以太網(wǎng)幀結(jié)構(gòu)，而是在標準以太網(wǎng)幀結(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，負責邏輯地址與物理地址的映射)寄存器和SM(Sync Manager，負責對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4GB字節(jié)。EtherCAT報文由一個16位的WKC(Working Count)結(jié)束，其數(shù)據(jù)區(qū)最大長度可達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)鏈獨立于物理順序，因此可以對EtherCAT從站進行任意的編址。

　　EtherCAT于2005年2月正式成為IEC規(guī)范-IEC/PAS 62407。除此之外，EtherCAT技術也將集成到國際現(xiàn)場總線標準的下一代標準IEC61158和IEC61800-7(電子功率可調(diào)速驅(qū)動系統(tǒng)框架與接口)之中。國際標準組織(ISO)已將EtherCAT納入ISO15745標準。EtherCAT技術引起了自動化技術領域的廣泛關注，并于2003年成立了EtherCAT技術組織，簡稱ETG。到目前為止，ETG組織成員已超過500個。

　　2 EtherCAT技術的實現(xiàn)

　　2.1 EtherCAT主站的實現(xiàn)

　　EtherCAT技術在主站方面只需在一塊標準的NIC網(wǎng)卡，主站功能完全由軟件實現(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)點的全部通信。EtherCAT主站程序應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，為通信做準備;

　　(3) 使用郵箱操作實現(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) 實現(xiàn)過程數(shù)據(jù)通信，完成主站與從站之間的實時數(shù)據(jù)交換，達到主站控制從站運行，并處理從站實時狀態(tài)的功能。

　　主站代碼結(jié)構(gòu)圖如圖4：

　　應用程序開發(fā)環(huán)境是VC++6.0，通信周期由多媒體定時器控制，其控制精度可達到1ms，可根據(jù)控制需要設定通信周期，實現(xiàn)控制要求。

　　2.2 EtherCAT從站的實現(xiàn)

　　可以利用BECKHOFF公司開發(fā)的從站控制器ESC(EtherCAT Slave Controller)根據(jù)實際需要設計從站設備。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)。

　　3EtherCAT伺服控制器原理

　　3.1系統(tǒng)概述

　　本文設計和實現(xiàn)了基于EtherCAT的多軸運動控制器，如圖6a所示，一個EtherCAT主站通過EtherCAT協(xié)議可以連接若干從站運動控制器單元，一個運動控制器單元由從站控制底板、通信卡和1~8塊運動控制卡組成，每個運動控制卡控制一個伺服軸。從站運動控制單元實物如圖6b所示。

　　從站控制底板采用Atmega128芯片作為處理器，通信卡使用BECKHOFF公司提供的ESC20控制器，運動控制卡為一種多功能的位置控制卡，可以完成位置控制和速度控制

　　3.2　數(shù)據(jù)通信

　　本系統(tǒng)在應用層自定義了數(shù)據(jù)模塊結(jié)構(gòu)，模塊數(shù)據(jù)分為兩種，一種是指令數(shù)據(jù)模塊，由主站寫給從站，控制伺服運動，一種是狀態(tài)數(shù)據(jù)模塊，主站從從站讀取，表示伺服軸狀態(tài)反饋。一個運動控制卡使用一個指令數(shù)據(jù)模塊和一個狀態(tài)數(shù)據(jù)模塊，每個EtherCAT子報文由從站上的所有運動控制卡的數(shù)據(jù)模塊組成，如圖7所示。

　　每個數(shù)據(jù)模塊包含10個字節(jié)，指令數(shù)據(jù)模塊分別定義為數(shù)據(jù)模塊頭、控制字和指令數(shù)據(jù)區(qū)，狀態(tài)數(shù)據(jù)模塊分別定義為數(shù)據(jù)模塊頭、狀態(tài)字和狀態(tài)數(shù)據(jù)區(qū)。

　　數(shù)據(jù)模塊頭使用2個字節(jié)，包括4位的運動控制卡地址和3位工作方式。從站上的每個運動控制卡分配不同的地址，從站根據(jù)數(shù)據(jù)模塊頭中的地址信息尋址相應的運動控制卡，并根據(jù)工作方式控制運動控制卡的工作。從站運動控制卡可以工作在位置控制、速度控制、回參考點以及讀編碼器計數(shù)值等方式下。握手位用于工作方式切換時主站和從站之間的握手。

　　指令數(shù)據(jù)模塊中，指令控制字使用2個字節(jié)，包括伺服使能控制、復位控制等伺服控制信息;指令數(shù)據(jù)使用6個字節(jié)，對應不同控制方式下的指令值，如位置指令數(shù)據(jù)、速度指令數(shù)據(jù)等。狀態(tài)數(shù)據(jù)模塊中，狀態(tài)字使用2個字節(jié)，包括伺服使能狀態(tài)及報警信息等反饋信息;狀態(tài)數(shù)據(jù)使用6個字節(jié)，對應于不同控制方式下的反饋值，例如位置控制下的實際位置值和當前跟隨誤差，速度控制方式下的實際速度值，I/O方式下的輸入值等。

　　主站和從站之間進行周期性的通信來完成伺服控制，其通信時序如圖8所示。數(shù)據(jù)幀傳輸完成后，從站在T1時刻前從通信控制卡讀取指令數(shù)據(jù)，并經(jīng)過運算后輸出到運動控制卡;在T2時刻之前讀取運動控制卡實際狀態(tài)，并寫入通信控制卡，等待下個數(shù)據(jù)幀讀取。

　　3.3　運動控制器固件程序設計

　　運動控制器固件程序?qū)崿F(xiàn)EtherCAT協(xié)議的通信和設備卡的控制。系統(tǒng)運行分為兩個階段：

　　初始化階段：建立主從站通信，包括主站分配ESC從站通信地址，初始化ESC相關寄存器，配置通信參數(shù)，為通信做準備，從站單片機從EEPROM讀入從站配置數(shù)據(jù)，配置伺服軸數(shù)、設置各伺服軸的狀態(tài)(是否參加通信)、通信周期等，從站在初始化階段還要配置通信類型、初始狀態(tài)的工作方式及各通信參數(shù)變量等。

　　周期運行階段：上位機PC按照協(xié)議及控制要求把控制字和指令數(shù)據(jù)發(fā)送到各個從站，從站單片機讀出數(shù)據(jù)并譯碼處理，同時采集各伺服軸的狀態(tài)反饋信息并填寫狀態(tài)數(shù)據(jù)包。PC機收到返回的數(shù)據(jù)幀，讀取狀態(tài)數(shù)據(jù)報文中的信息并做相應的處理。程序流程圖如圖9所示。

　　當從站單片機完成初始配置工作后，開始進入工作循環(huán)，等侍EtherCAT數(shù)據(jù)幀的到來，當數(shù)據(jù)幀到達ESC20控制器時，ESC20接收數(shù)據(jù)幀，向控制芯片發(fā)出中斷，Atmega128單片機響應中斷讀出指令數(shù)據(jù)，處理后發(fā)送給動動控制卡，并檢測是否有狀態(tài)請求事件發(fā)生。如果狀態(tài)請求模塊數(shù)據(jù)到來，程序讀取當前伺服狀態(tài)數(shù)據(jù)，寫入狀態(tài)模塊數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，返回給主站，一次通信結(jié)束。

　　4　結(jié)論

　　本文設計了一種基于實時工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議EtherCAT的多軸運動控制器。每個運動控制器單元可以最多控制8個伺服軸，每個伺服軸可以進行位置、速度、回參考點等控制。通過這種多軸運動控制器可以在數(shù)控設備和工業(yè)機器人控制系統(tǒng)中利用EtherCAT技術，提高控制性能。

　　參考文獻：

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　　作者介紹：單春榮(1982—)，女，漢族，山東省龍口市，北京航空航天大學機械工程及自動化學院碩士研究生，研究方向為數(shù)字伺服和現(xiàn)場總線技術。