EtherCAT总线在运动控制系统的应用
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。
EtherCAT运动控制卡开发教程之Qt(上)：开发环境配置与简单运动控制应用
EtherCAT运动控制卡开发教程之Qt(上)：开发环境配置与简单运动控制应用今天，正运动小助手给大家分享一下EtherCAT运动控制卡开发教程之Qt,主要介绍一下如何通过Qt编程实现直线插补的运动控制。
一、ECI2828运动控制卡的硬件介绍ECI2828系列控制卡支持最多达16轴直线插补、任意圆弧插补、空间圆弧、螺旋插补、电子凸轮、电子齿轮、同步跟随、虚拟轴、机械手指令等；采用优化的网络通讯协议可以实现实时的运动控制。
ECI2828系列运动控制卡支持以太网，232通讯接口和电脑相连，接收电脑的指令运行，可以通过EtherCAT总线和CAN总线去连接各个扩展模块，从而扩展输入输出点数或运动轴。
ECI2828系列运动控制卡的应用程序可以使用VC、VB、VS、C++、C#等多种高级语言编程来开发，程序运行时需要动态库zmotion.dll。
调试时可以把ZDevelop软件同时连接到控制器，从而方便调试、方便观察。
二、Qt进行运动控制卡开发的流程1.新建Qt项目。
图1：新建Qt项目图2：选择项目路径图3：选择Qt编译套件(kits)图4：选择基类2.将函数库相关的文件复制到新建的项目中。
3.向新建的项目里面添加函数库的静态库。
（zmotion.lib）第一步:添加函数库1第二步:添加函数库2第三步:添加函数库34.添加函数库相关的头文件到项目中。
5.声明相关头文件，并定义连接句柄。
三、PC函数介绍1.PC函数手册也在光盘资料里面，具体路径如下：“光盘资料\8.PC函数\函数库2.1\ZMotion函数库编程手册V2.1.pdf”。
2.PC编程，一般如果网口对控制器和工控机进行链接。
网口链接函数接口是ZAux_OpenEth（）；如果链接成功，该接口会返回一个链接句柄。
通过操作这个链接句柄可以实现对控制器的控制。
ZAux_OpenEth()接口说明：指令1ZAux_OpenEthint32 __stdcall ZAux_OpenEth(char *ipaddr, ZMC_HA 指令原型NDLE * phandle)指令说明以太网链接控制器。
EtherCAT通信协议与机器人控制系统
EtherCAT通信协议与机器人控制系统机器人控制系统是指用于控制机器人进行工作的设备，主要包括控制器、传感器、执行器等组成的系统。
随着工业自动化的发展，机器人控制系统已经成为了生产制造过程中不可或缺的组成部分。
而机器人控制系统的核心是控制器，控制器通过通信协议来与其他组件进行数据传输和交互。
其中，EtherCAT通信协议是最被广泛应用的一种。
一、EtherCAT通信协议概述EtherCAT是一种应用于实时工业自动化的高性能、低成本、实时性强的通信协议。
EtherCAT采用了主站、从站架构，主站负责发送数据和控制指令，从站进行数据采集和处理。
EtherCAT的主要优势在于具有高网络带宽和实时性能，同一网络中可以支持多达64个从站，数据传输延迟仅为1微秒，满足工业自动化控制的高实时要求。
二、机器人控制系统中EtherCAT的应用机器人控制系统中最关键的应用就是对机器人进行精确的控制和运动控制。
传统的机器人控制系统通常采用采集传感器数据，通过控制算法实现机器人的运动控制，而通常情况下，机器人的运动控制需要借助高速数据传输来进行实时控制和调节。
在这种情况下，EtherCAT 作为一种高效的实时通信协议被广泛应用于机器人控制系统中。
三、EtherCAT在机器人控制系统中的优势1.实时性：机器人控制系统是非常要求实时性的应用场景，对于需要迅速响应的机器人应用，EtherCAT的实时性和高带宽可以满足机器人的高速数据传输需求，保证了机器人控制系统的可靠性和稳定性。
2.高速传输：EtherCAT的数据传输速率达到了1Gbps的水平，甚至可以达到10Gbps以上。
这对于机器人控制系统来说是非常重要的，因为机器人控制系统通常需要较高的传输速率来实现精确的运动控制。
3.灵活性：机器人控制系统中的从站数量通常是非常多的，EtherCAT的机制允许其支持多达64个从站，而且可以支持多种不同类型和不同厂家的从站。
4.易于实现：EtherCAT协议的实现是比较简单的，它的通信数据格式也非常简洁明了，这使得机器人控制系统的开发变得更加容易和灵活。
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
Ｅ １０ Ｔ １０和 Ｔ ３ ０ ２ ３ ５开 发 了 Ｅｈｒ Ａ ＭＳ ２ Ｆ ８ ３ ｔｅＣ Ｔ从 站设 备 ， 建 了一主 多从 的 Ｅｈ ｒ Ａ 网络 结 构 ， 给 构 ｔｅＣ Ｔ 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 ： ｔｅＣ Ｅ ｈ ｒ ＡＴ； 余 ； Ｔ１ ０ 多 轴 运 动 控 制 器 ； ＭＳ ２ Ｆ ８ ３ 冗 Ｅ １ ０； Ｔ ３ ０ ２３５
（ ｃ ｏ ｌｏ ｃ ａ ｉａ ＆ Ａｕｏ ｔ ｅ ｎ ｉｅ ｒ ｇ Ｓ ｕｈ ｈｎ ｉｅｓｔ ｆ Ｔ ｃ ｎ ｌｇ ， Ｇｕ ｎ ｚ ｏ Ｓ ｈ ｏ ｆ Ｍｅｈ ｎｃ ｌ ｔｍｏｉ Ｅ ｇｎ ｅｉ ， ｏ ｔ Ｃ ｉａ Ｕｎｖ ｒｉ ｏ ｅ ｈ ｏｏ ｙ ｖ ｎ ｙ ａｇｈｕ
５０４ １ ６ ０，Ｃ ｉａ ｈｎ ）
第 １期
组 合 机 床 与 自 动 化 加 工 技 术
Ｍ ｏ ｕｌ ｒ Ｍ ａ ｈｉ ｄ ａ ｃ ｎｅ Ｔｏｏ ｌ＆ Ａｕ ｏ ａ ｉ ａ ｕｆ ｔ ｉ ｃ ｎｉ ｕｅ ｔ ｍ ｔｃ Ｍ ｎ ａｃｕｒｎｇ Ｔｅ ｈ ｑ
Ｎｏ． １
２１ ０ ２年 １月
Ｊｎ Ｔ ２ ３ Ｔ ２ ； Ｐ ７
文 献 标 识 码 ： Ａ
Ｔｈｅ Ａｐｐ ｉａ ｉｎ ｎ ｓ ａ ｃ ｆＥｔ ｒ ｌｃ ｔｏ ａ ｄ Ｒｅ ｅ ｒ ｈ ｏ ｈｅ ＣＡＴ ｅ ｎｄ ｎｃ ｎ Ｍ ｕｌｉａ ｉ ｔ ｒ ｏ ｉ ｎ Ｃｏ ｒ ｌＳ ｓｅ ｒ ｄｕ ａ ｙ ｉ ｔ— ｘ ｓ Ｎｅ ｗｏ ｋ Ｍ ｔｏ ｎｔ ｏ ｙ ｔｍ Ｗ ＡＮＧ ｏ ｈ Ｇｕ — ｅ，Ｌ ｅ－ ｕ ｎ ＩＷ ｉｇ ａ ｇ
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
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。
基于EtherCAT的多轴运动控制器
含义 接收方MAC地址 发送方MAC地址
0x88A4 数据区长度，即子报文长度加和 1，代表与从站通信，其余保留
循环冗余校验和
EtherCAT没有重新定义新的以太网帧结构，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，各部分含义见表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 Count)结束，其数据区最大长度可达1486 个字节。在报文头中由8位命令区数据决定主站对从站的 寻址方式，由于数据链独立于物理顺序，因此可以对 EtherCAT从站进行任意的编址。
现场总线）是德国BECKHOFF公
司提出的实时工业以太网技术.
•
它基于标准的以太网技术，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.
EtherCAT产品
1.1 EtherCAT系统组成和工作原理
• 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.数
• 从站控制器与主站交换两种形式的数据，
• 一种是周期性数据，
EtherCAT总线式伺服驱动器开发
EtherCAT总线式伺服驱动器开发近年来，伺服驱动器在工业自动化领域中扮演着越来越重要的角色。
伺服驱动器通过对电机的精确控制，实现了高速、高精度的运动控制，广泛应用于机械加工、机器人、半导体制造等领域。
为了满足不同应用场景的需求，伺服驱动器的开发也在不断创新和改进。
EtherCAT（Ethernet for Control Automation Technology）总线是一种高性能、实时的工业以太网通信协议。
它采用了主从架构，通过一条总线同时传输实时数据和非实时数据，以实现高速的通信和同步控制。
EtherCAT总线具有高实时性、低延迟、简化布线等优点，成为伺服驱动器开发的重要选择。
在EtherCAT总线式伺服驱动器的开发过程中，首先需要选择合适的硬件平台。
常见的硬件平台包括FPGA（Field-Programmable Gate Array）和DSP（Digital Signal Processor）等。
FPGA具有灵活性强、可编程性好的特点，适合于处理实时数据；而DSP则具有高性能的浮点运算能力，适合于控制算法的实现。
根据实际需求和资源限制，选择适合的硬件平台对于伺服驱动器的性能和功能至关重要。
其次，软件开发是EtherCAT总线式伺服驱动器开发中的关键环节。
软件开发包括驱动程序的编写、控制算法的实现等。
驱动程序负责与硬件平台进行通信，接收和发送数据；控制算法则根据输入的控制信号，计算出合适的输出信号，实现对电机的精确控制。
开发者需要熟悉EtherCAT总线协议的通信机制，以及相关的控制算法和数学模型，才能进行有效的软件开发。
最后，在伺服驱动器开发完成后，需要进行系统测试和性能评估。
测试过程中需要验证驱动器的通信性能、运动控制精度、响应速度等指标。
性能评估则通过与其他伺服驱动器进行对比，评估其在不同应用场景下的性能优劣。
测试和评估结果将反馈给开发团队，为进一步的优化和改进提供依据。
综上所述，EtherCAT总线式伺服驱动器开发是一个综合性的工程，需要充分理解EtherCAT总线协议和控制算法，选择合适的硬件平台，进行软件开发和系统测试。
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Device Profile
X
OSI Layer 7: EtherCAT Spec „Communication Profile“
OSI Layer 2: OSI Layer 1: Bus-Line
TI/O
TI/O
TI/O
TI/O
TI/O
TI/O
TI/O
TI/O
TI/O
TI/O
TI/O
TI/O
TI/O
TI/O
TI/O
Input
Output
最大输入读取时间：= I/O内部总线传输时间+现场总线传输时间+CPU传输到内存时间
驱动技术 2020/8/3 9
EtherCAT：采用一网到底的结构
▪ 总线直达I/O，不再需要I/O内部总线到现场总线的接力. ▪ DMA直接将总线传上来的数据复制到内存，不再经过CPU.
驱动技术 2020/8/3 2
系统结构图
IPC I/O
EterhCAT总线 伺服驱动
驱动技术 2020/8/3 3
EtherCAT是什么？
超超高高速速工工业业以以太太网网
驱动技术 2020/8/3 4
EtherCAT 性能表现
▪ 传输速率: 2 x 100 Mbaud （全双工） ▪ “火车” (以太网帧) 不停地飞速行使 ▪ 100 伺服轴(每个8 Byte IN+OUT) ：100 μs = 0.1 ms ▪ 分布于100 节点的1000 开关量I/O ：30 μs = 0.03 ms ▪ 200 模拟量I/O (16 bit) ：50 μs, 20 kHz 采样频率
传统的总线数据传输----需要经过3次接力数据才能到达程序
I PLC Task O I PLC Task O I PLC Task O I PLC Task O I PLC Task
Tmpd Bus Cycle Bus Cycle Bus Cycle Bus Cycle Bus Cycle Bus Cycle Bus Cycle
驱动技术 2020/8/3 11
EtherCAT：采用一网到底的结构
▪ EtherCAT系统结构
I PLC Task O I PLC Task O I PLC Task O I PLC Task O I PLC Task
TDMA (NIC) TEtherCAT Cycle
TDMA (time for Data transfer
EtherCAT总线在运动控制系统中的应用
驱动技术 2020/8/3 1
全球40多个驱动产品制造商发布了具有EtherCAT接口的驱动器 全球850个EtherCAT会员单位
AMK BECKHOFF CT Danaher KEB LTI（LUST） SEW Stober 鲍米勒 力士乐 伦茨 百格拉 正频
TI/O
TI/OBiblioteka TI/OTI/OTI/O
TI/O
TI/O
TI/O
TI/O
TI/O
TI/O
TI/O
TI/O
TI/O
不再需要I/O内部总线
驱动技术 2020/8/3 10
EtherCAT：采用一网到底的结构
▪ EtherCAT系统结构
I PLC Task O I PLC Task O I PLC Task O I PLC Task O I PLC Task
RX
TX
MAC 1 MAC 2 RX TX RX TX
只需要两个以太 网口，无需其他
特殊硬件
JJ
Slave 1 Slave M-1
... RX TX RX TX
TX RX TX RX
JJ
Slave M+1
Slave N
... RX TX
RX TX
TX RX
TX RX
驱动技术 2020/8/3 14
在EtherCAT 上层的运动控制协议
▪ 对于设备的控制EtherCAT采用经过大量实践检验的现有协议 ▪ CANopen over EtherCAT: I/O, 驱动, 阀导，等.. ▪ SERCOS over EtherCAT: 用于伺服驱动
CANopen
?
Device Profile
A
Device Profile
B
Device Profile
驱动技术 2020/8/3 5
运行原理：飞速传输的以太网协议
Slave Device
EtherCAT Slave Controller
Slave Device
EtherCAT Slave Controller
▪ 在帧的传输过程中过程数据被提取或插入 ▪ 每个从站对过程数据的大小几乎无限制（1 Bit…60 Kbyte,
EtherCAT 分布式时钟 (<< 1 μs同步精度）
▪ 各个驱动器之间以及驱动和I/O之间精准同步(<< 1 μs!) — 通过分布时钟的精确校准实现
M
S
∆t IPC
.... DVI
S
S
I/O
EtherCAT总线
SSSSS
误差<1 μs
伺服驱动
驱动技术 2020/8/3 8
EtherCAT从系统上突破了传统总线
DVI
23
2
Telegram structure Ethernet HDR HDR 1
PLC Data
HDR 2 NC Data
HDR n
Data n
CRC
Data n PLC Data NC Data
SubTelegram 1
SubTelegram 2
SubTelegram n
0
驱动技术 2020/8/3 7
from/to Ethernet Controller per
Direct Memory Access):
negligible
驱动技术 2020/8/3 12
灵活的拓补结构
IPC I/O
EterhCAT总线 伺服驱动
驱动技术 2020/8/3 13
冗余功能: 防止网络断线
Master
RX Unit TX Unit
I PLC Task O I PLC Task O I PLC Task O I PLC Task O I PLC Task 不再需要特殊的主站接口
Tmpd
Bus Cycle Bus Cycle Bus Cycle Bus Cycle Bus Cycle Bus Cycle Bus Cycle
TI/O
如果需要则使用几个以太网帧传输） ▪ 每一个循环中帧的报文数据构成可以不同。如：超短循环时
间用于轴数据，稍长循环用于I/O刷新 ▪ 并支持异步的、事件触发的通信
驱动技术 2020/8/3 6
EterhCAT协议架构
logical Process image: up to 4 GByte
IPC
....