EtherCAT总线式多轴运动控制器开发

合集下载

基于EtherCAT技术的多轴运动控制系统

基于EtherCAT技术的多轴运动控制系统张从鹏;赵康康【摘要】以EtherCAT通信技术为基础,设计了一种基于ARM和FPGA双核的EtherCAT总线式多轴运动控制系统.提出了STM32作为系统管理芯片,通过SPI通信控制ET1200从站控制芯片实现Eth-erCAT总线从站通信功能的解决方案;并采用FPGA作为协处理器,完成运动控制算法的实现和执行.完成了运动控制系统的硬件电路设计和软件开发,并制作了样机.经试验测试,实现了EtherCAT总线通信功能,采用TwinCAT完成了闭环运动控制,并且可以独立工作实现运动规划,满足工业控制工程中的应用要求.%An EtherCAT bus based multi axis motion control system was designed based on ARM and FPGA , after systemat-ically study on EtherCAT technology .The solution of main control chip STM 32 controlling ET1200 through SPI was presented .A motion control algorithm based on FPGA was developed .The specific hardware circuit and software of control system was de-signed, and a prototype was produced .The experiment demonstrates that the communication function of EtherCAT bus was real -ized, and the closed-loop motion control was completed by TwinCAT .Motion control system can work independently to achieve motion planning , meetting the application of industrial control in engineering .【期刊名称】《仪表技术与传感器》【年(卷),期】2017(000)001【总页数】5页(P115-118,122)【关键词】EtherCAT;多轴;STM32;运动控制;FPGA;插补算法;TwinCAT【作者】张从鹏;赵康康【作者单位】北方工业大学机械与材料工程学院,北京 100144;北方工业大学机械与材料工程学院,北京 100144【正文语种】中文【中图分类】TP23现代制造系统正朝着柔性化、开放化、网络化方向发展，覆盖多学科、多领域相关技术。

基于开放式EtherCAT总线的固高数控系统 (1)

机床数控系统作为数控机床的核心，其升级的速度和适应市场需求的能力，直接影响了数控机床的发展。

在科学技术高速发展的今天，机床数控系统已逐步趋向开放、智能、网络等发展方向。

作为国内自主研发数控系统领头企业的固高科技有限公司（以下简称“固高科技”），其开源数控系统与开放式EtherCAT总线控制的结合，直接引领了当今数控机床的发展。

机床数控系统的发展从1952年第一台试验性数控系统研制成功到现在，数控系统已经走过了66年。

在这六十多年的发展历程中，数控系统从集成电路式到微机式、从PLC到NC再到CNC，无论是在外形体积和集成度，还是在功能性和稳定性上，都取得了飞速的发展。

现代数控机床是集机械、液压、气动、电子、自动化、传感测量及计算机于一体的机电一体化产品，而机床数控系统作为其关键的基础单元，主要用于输入数字化的零件程序，并存储输入信息、变换数据、插补运算和实现各种控制，所以其功能的强弱和性能的好坏决定着整个产品的市场定位和使用体验。

在日益复杂的制造发展历程中，数控系统也在为适应发展而发生着根本性的变革。

数控系统的开放式体系结构具有更好的通用性、适用性和拓展性，作为当下数控系统发展的潮流，目前已被很多知名大企业所认可和应用。

随着数控系统开放性的发展，智能化、网络化也逐渐被开发及推广。

固高数控系统的介绍及特点固高科技成立于1999年，总部位于香港科技大学。

在运动控制、伺服驱动研究、机械优化设计等工业自动化技术的研究和应用方面，固高科技汇集了一批在运动控制及机电一体化领域卓有建树的科技精英。

固高科技的数控系统产品广泛应用于数控机床、机器人、激光加工设备、生产自动化等工业控制领域。

自主研发的计算机可编程运动控制器、基于PC的开放式运动控制器、网络式运动控制器、嵌入式运动控制器等产品和系统，综合性能已达到了国际一流水平，填补了国内同行的多项空白。

固高数控系统（图1）是基于CoDeSys平台开发的开放式数控系统。

基于EtherCAT高性能多轴数控系统平台研究

实时以太网的多轴数控平台。该平台具有插补周期短、通信速度快、软硬件可重构等特点。采用ＴｗｉｎＣＡＴ控制软件对各轴运动情况进行测试，实验结果表明该平台能够实现高速高精运动控制过程。
ｓｈｏｒｔｉｎｔｅｒｐｏｌａｔｉｏｎｃｙｃｌｅ，ｈｉｇｈｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓｐｅｅｄａｎｄｓｏｆｔｗａｒｅａｎｄｈｒｄａｗｒｅａｒｅｃｏｎｉｆｇｕｒａｔｉｏｎ．ＴｅｓｔｅｄｈｅｔｍｏｔｉｏｎｏｆａｘｅｓｂｙｔｈｅＴｗｉｎＣＡＴｓｏｆｔｗａｒｅｔｏｐｒｏｖｅｔｈｅｐｌａｆｔｏｒｍｃａｎａｃｈｉｅｖｅｈｉｇｈｐｅｒｆｏｍａｒｎｃｅｏｆｔｈｅｎｕｍｅｉｃｒａｌｃｏｎｔｒｏｌｓｙｓｔｅｍｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ．Ｔｈｅｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎｏｆｔｈｅｐｌａｆｔｏｍｒｆｏｒｆｕｔｈｒｅｒｌｇａｏｒｉｔｈｍｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｔｏｐｒｏｖｉｄｅｒｅｌｉａｂｌｅｈａｒｄｗａｒｅｓｕｐｐｏｒｔ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｍｕｌｔｉ — ｘｉａｓＮＣｓｙｓｔｅｍ；ｒｅｌ— ａｔｉｍｅｅｈｅｔｒｎｅｔ；ＥｔｈｅｒＣＡＴｂｕｓ：ｍｏｔｉｏｎｃｏｎｔｒｏ１

EtherCAT总线型驱动器

EEDC系列全球首创开闭环兼容意大利Ever Elettronica 自1977年成立来，专门从事运动控制产品的开发和应用推广，在欧洲同行业中居于技术领先地位。

全部产品均已实现智能化、数字化，并且具有各种通用的总线接口，如RS232/485、CANbus 、EtherCAT 等。

于Ever Elettronica 1997年获得ISO9001质量体系认证，硬件和软件的开发均以工业控制行业的最高标准为基础。

其控制技术拥有多项专利。

公司技术实力雄厚，所提供的步进电机控制系统广泛适用于欧美包装机械、纺织机械、食品机械、标贴机械、印刷机械、医疗设备等。

东莞市凯福电子科技有限公司自2003年成立来，扎根于运动控制领域，旨在将全球最顶尖的运动控制方案应用于中国装备。

10余年来，将全球最顶级的SHINANO 步进马达、Applied Motion Products 步进驱动器及步进伺服、DASEN 高精度旋转平台及直线电缸导入中国装备制造业。

在智能化步进控制、总线通讯控制、高精度机构运用领域，有着非常卓著的贡献，为中国装备制造的技术提升，提供了强大的技术保证。

两家公司2013年9月达成战略合作，致力将欧洲顶尖运动控制产品导入亚洲市场。

EEDC 步进驱动器便是两家公司合作的倾心之作，融汇了Ever Elettronica40年的研发积累和凯福的10余年运动控制行业应用经验。

该驱动器于2013年在欧洲面世，经过长达2年的欧2015洲市场的应用，我们于年将其引入中国，将EtherCAT 总线技术应用于国内各装备制造业，为控制技术的升级换代提供更安全、更高效的解决方案。

■ 总线控制主机Modbus RTU■ 自编程自有专利的EEPLC软件，友好的中文界面，简单易读的指令EEDC Modbus 型可通过EEPLC 软件进行各种编程，达到I /O 自编程控制、固定速度模式控制、模拟量速度模式控制、力矩模式控制、脉冲模式控制等。

EtherCAT冗余技术在多轴网络运动控制系统中的应用研究

络性能、较低的构建成本和较高的开放性等特点，适
合于运动控制领域。工业以太网中冗余技术是提高
Ｅ１０Ｔ１０和Ｔ３０２３５开发了ＥｈｒＡＭＳ２Ｆ８３ｔｅＣＴ从站设备，建了一主多从的ＥｈｒＡ网络结构，给构ｔｅＣＴ并
出了系统硬件和软件的设计方案，实现伺服控制和实时数据传输。以关键词：ｔｅＣＥｈｒＡＴ；余；Ｔ１０多轴运动控制器；ＭＳ２Ｆ８３冗Ｅ１０；Ｔ３０２３５
（ｃｏｌｏｃａｉａ＆ＡｕｏｔｅｎｉｅｒｇＳｕｈｈｎｉｅｓｔｆＴｃｎｌｇ，ＧｕｎｚｏＳｈｏｆＭｅｈｎｃｌｔｍｏｉＥｇｎｅｉ，ｏｔＣｉａＵｎｖｒｉｏｅｈｏｏｙｖｎｙａｇｈｕ
５０４１６０，Ｃｉａｈｎ）
第１期
组合机床与自动化加工技术
ＭｏｕｌｒＭａｈｉｄａｃｎｅＴｏｏｌ＆ＡｕｏａｉａｕｆｔｉｃｎｉｕｅｔｍｔｃＭｎａｃｕｒｎｇＴｅｈｑ
Ｎｏ．１
２１０２年１月
ＪｎＴ２３Ｔ２；Ｐ７
文献标识码：Ａ
ＴｈｅＡｐｐｉａｉｎｎｓａｃｆＥｔｒｌｃｔｏａｄＲｅｅｒｈｏｈｅＣＡＴｅｎｄｎｃｎＭｕｌｉａｉｔｒｏｉｎＣｏｒｌＳｓｅｒｄｕａｙｉｔ— ｘｓＮｅｗｏｋＭｔｏｎｔｏｙｔｍＷＡＮＧｏｈＧｕ — ｅ，Ｌｅ－ｕｎＩＷｉｇａｇ

基于EtherCAT总线的六轴工业机器人控制系统研究与开发

基于EtherCAT总线的六轴工业机器人控制系统研究与开发一、本文概述随着工业自动化技术的快速发展，工业机器人在生产线上的应用日益广泛。

作为工业机器人的核心组成部分，控制系统的性能直接决定了机器人的运动精度、稳定性和工作效率。

EtherCAT总线作为一种高性能的以太网现场总线技术，以其低延迟、高带宽和易扩展等特点，在工业控制领域得到了广泛应用。

本文旨在研究并开发一种基于EtherCAT总线的六轴工业机器人控制系统，以提高工业机器人的运动性能和控制精度，满足日益增长的自动化生产需求。

本文将首先介绍EtherCAT总线技术的基本原理和特点，分析其在工业机器人控制系统中的应用优势。

接着，将详细阐述六轴工业机器人的运动学模型和动力学特性，为控制系统的设计提供理论基础。

在此基础上，本文将重点研究控制系统的硬件架构和软件设计，包括EtherCAT主从站的选择与配置、运动控制算法的实现以及实时通信协议的优化等。

还将探讨控制系统的稳定性、可靠性和实时性等问题，以确保系统在实际应用中的稳定运行。

本文将通过实验验证所设计的控制系统的性能，并与传统控制系统进行对比分析。

实验结果将展示基于EtherCAT总线的六轴工业机器人控制系统在运动精度、响应速度和负载能力等方面的优势，为工业自动化领域的技术进步做出贡献。

二、EtherCAT总线技术EtherCAT（Ethernet for Control Automation Technology）是一种专为工业自动化领域设计的实时以太网通信协议。

它基于标准以太网技术，通过优化数据传输和同步机制，实现了高性能、低延迟的通信，特别适用于对实时性要求极高的工业控制系统中。

高速数据传输：EtherCAT协议支持高达100Mbps的数据传输速率，确保控制系统能够实时处理大量数据。

确定性延迟：通过优化网络结构和数据传输方式，EtherCAT实现了微秒级的确定性延迟，这对于精确控制工业机器人等应用至关重要。

EtherCAT网络及其伺服运动控制系统研究

1、高速、高实时性：EtherCAT网络具有高速数据传输的特性，能够实现快速的数据交换和响应，适用于需要高速响应的伺服运动控制系统。
2、扩展性强：EtherCAT网络采用总线型结构，可以方便地扩展网络规模，适用于大规模的伺服运动控制系统。
3、抗干扰能力强：EtherCAT网络具有较好的抗干扰能力，能够在复杂的工业环境中稳定运行，适用于各种恶劣条件的伺服运动控制系统。
三、研究方法
本次演示对基于Linux平台的EtherCAT运动控制系统进行研究。首先，通过对系统需求进行分析，确定系统的基本架构和功能模块。接着，进行系统设计，包括硬件选型、软件编程、系统调试等环节。最后，实施实验，对系统的稳定性、实时性和数据传输率进行测试和评估。
四、实验结果与分析
通过实验，我们得到了基于Linux平台的EtherCAT运动控制系统的稳定性、实时性和数据传输率等指标的数据。实验结果表明，该系统具有较高的稳定性和实时性，能够在不同的工况条件下实现精确控制。同时，EtherCAT协议的高速数据传输特性得到了充分体现，数据传输率达到了预期目标。
4、开放性：EtherCAT网络遵循以太网标准，具有开放性的特点，可以与各种以太网设备进行无缝连接，方便构建集成化的伺服运动控制系统。
5、系统调试：对整个系统进行调试和优化，确保系统稳定运行并满足各项性能指标。
1、网络安全：确保EtherCAT网络的安全性，采取必要的安全措施，如设置防火墙、加密通信等，防止网络攻击和数据泄露。
EtherCAT网络是一种工业以太网技术，由德国Beckhoff公司开发。它具有实时性高、抗干扰能力强、扩展性强等优点，被广泛应用于各种工业自动化领域。 EtherCAT网络采用主从结构，由一个主站和多个从站组成，主站发送命令，从站执行命令并向主站反馈执行结果。这种结构能够实现快速的数据传输和响应，适用于高精度的伺服运动控制系统。

关于ethercat开发的一些感想

关于ethercat开发的一些感想从去年到现在，整整一年经历了从ethercat主站到伺服从站的实现过程，包括全程负责从站的ethercat认证工作，所以目前对ethercat的认识还是比较深刻的。

下面说说我的一些简单感受。

1.ethercat确实是目前工业总线中技术比较先进的一个协议，通过改造ethernet的协议结构，最大程度的利用了100M带宽(on-the-fly)，可以达到倍福所宣称的90%以上。

通过引入DC，使得各从站的时钟同步最小在100ns之内。

通过twincat的测试，确实达到了这个级别。

这就使得从站的协同工作达到了一个很高的水平，可以广泛应用在要求精度比较高的自动化领域，例如伺服驱动器。

2.关于主站的开发，目前主站的开发有两种模式，一个是付费的商业化解决方案，比如倍福官方提供的twincat接口，还有其它公司的解决方案，但都是国外的。

另一个就是开源的etherlabmaster，基于Linux,这个库总的来说用起来还算稳定，但有一些小的bug，也是在不断的发布新的版本。

这个开源库是德国人写的，代码真的写的非常大师级别，涉及到ethercat网卡驱动(目前主要是基于intel的芯片)，和ethercat上层协议，看懂了这个库，你也可以把其它网卡改造成支持ethercat驱动。

主站的开发其实比从站要困难一些，原因就在于linux系统不是实时性的，需要引入其它的实时补丁模块将linux改造成实时性的，这个是实现主站在DC模式下，能够使从站稳定的运行在OP状态下的基础。

还有主站的时钟要跟参考时钟同步起来，这个也是比较重要的。

3.在开发的过程中，也是一个对ethercat深刻认识的一个过程。

一个好的方法是需要从twincat身上借鉴到一些它的实现机理。

Twincat的使用也是从完全不懂，通过不断摸索到目前来说还算比较熟悉，在从站认证的过程中，也从twincat身上学到了很多技术。

4.ethercat在国内的推广，我觉得目前主要的障碍在于需要付费注册成为ETG会员，才能获得它的一些技术资料。

1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。

EtherCAT总线式多轴运动控制器开发
运动控制器是数控系统实现精密运动控制的核心,是数控机床的关键设备。

随着电子技术和网络通信技术的快速进步,具有开源性、开放性和快速性的运动控制系统将成为未来的发展趋势。

因此,传统的运动控制器已不能满足现代化制造的发展需求。

基于实时以太网的多轴运动控制系统是当前工业应用技术领域的主要研究方向之一。

本文针对工业以太网技术进行了研究,以EtherCAT通信技术为基础,设计了一种基于ARM和FPGA双核的EtherCAT总线式多轴运动控制器,并提出了总体设计方案,重点设计运动控制器的硬件和软件。

在硬件设计上,本文选用了ST公司推出的ARM芯片-STM32F407ZGT作为核心处理器,以Altera公司的CycloneⅣ系列FPGA芯片-EP4CE10E22C8为协处理器。

采用倍福公司的ET1200芯片作为从站EtherCAT总线通信链路层,实现PC 机主站与从站运动控制器的通信功能。

此外,本文详细分析和设计了各个主芯片的外围接口电路、运动控制模块和电源模块等电路。

基于本系统的硬件架构,设计了运动控制器的控制程序软件结构。

采用C语言,在ARM芯片中嵌入了μ/OS-Ⅱ操作系统,开发了EtherCAT从站驱动,并设计了相应的指令解析程序。

在QuartusⅡ开发环境下,使用Verilog HDL 编程语言,对位置控制模块、S型速度规划模块和插补模块等运动控制技术进行了研究和开发。

在硬件设计基础上,完成了PCB板的绘制和加工,制作了控制器样机。

搭建多轴运动控制实验仿真平台,开发上位机硬件调试软件并验证了硬件各个模块功能。

设计了PC机主站,完成了EtherCAT通信、点到点运动控制、多轴
运动控制、S型速度规划和插补等实验。

实验结果达到预期目标,为进一步的研究工作奠定了坚实的基础。