EtherCAT网络及其伺服运动控制系统研究

大连理工大学硕士学位论文EtherCAT网络及其伺服运动控制系统研究姓名：谢香林申请学位级别：硕士专业：控制理论与控制工程指导教师：李木国20081219大连理工大学硕士学位论文１绪论运动控制系统主要分速度控制系统和位置控制系统两大类【ｌ】。

传统的电气传动系统一般指速度控制系统，广泛地应用于机械、矿山、冶金、化工、纺织、造纸、水泥、交通等工业部门。

对于位置控制系统，目前国际上较多采用运动控制这一名称。

伺服运动控制系统为运动控制领域一个分支，主要是通过伺服驱动装置将给定指令变成期望的机构运动，并通过反馈信号构成闭环系统。

一般功率较小，并有定位要求和频繁起制动的特点，在导航系统、雷达天线、数控机床、加工中心、机器人、打印机、复印机、磁记录仪、磁盘驱动器、自动洗衣机等领域得到广泛应用１２Ｊ。

随着微电子技术的发展，数字式控制处理芯片的运算能力和可靠性得到很大的提高，这使得以单片机为控制核心的全数字化控制系统取代以前的模拟器件控制系统成为可能。

在伺服功率模块，由于电力电子器件的不断进步，尤其是新的可关断器件，如双结型晶体管（ＢＪＴ）、金属氧化物半导体场效应晶体管（ＭＯＳＦＥＴ）、绝缘栅双极型晶体管（ＩＧＢＴ）的实用化，使得高频化ＰＷＭ技术成为可能１３，４】。

在控制算法上，由于矢量控制技术的使用和现代控制理论的应用，巧妙的实现了交流电机磁通和转矩的重构和解耦控制，从而促进了交流电机控制系统走向实用化【５Ｊ，现代控制理论的应用，如最优控制、滑模变结构控制、状态观测器和卡尔曼滤波器等提高了系统的动态性能，如系统的鲁棒性和实时性。

新型的无机械传感器技术的发展也为伺服控制提高了高度的精确性。

由于网络通信技术的不断提高，网络伺服系统成为目前伺服系统的发展方向【ＮＪ。

把网路引入伺服控制系统，在控制器和伺服驱动器之间通过网络进行数据通信，使控制器和驱动器之间数据传输在速度和可靠性方面大大的提高，同时也提供了精确的多轴同步功能。

但目前由于一些特殊领域的应用，无网络接口的伺服系统仍被某些行业所使用。

无网络接口伺服系统通过脉冲＋方向或模拟信号方式在上位机和伺服驱动器之间进行通信，其控制灵活，开放性强，在海洋造波机实验设备开发中，采用无网络接口伺服系统位置控制方式即脉冲＋方向的控制方式实现。

但当上位控制器与伺服驱动器距离较远时，会出现信号的干扰和衰减等问题，降低了控制精度和可靠性。

针对这一问题，本文设计了基于ＥｔｈｅｒＣＡＴ的从站设备，该从站设备实现了位置控制器功能，通过网络与上位机进行数据交换，然后以位置方式控制伺服驱动器，解决了上述问题。

阢ｅ妃ＡＴ工业以太网技术最初由德国倍福公司开发，目前由ＥＴＧ（ＥｔｌｌｅＩＣＡＴＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＧｒｏｕｐ）协会进行管理。

ＥｔｈｅｒＣＡＴ在数据链路层采用了实时调度的软件核，并采用了过程数据传输的独立通道，提高了系统的实时性；该网络具有灵活的拓扑结构，ＥｔｈｅｒＣＡＴ网络及其伺服运动控制系统研究２伺服运动控制技术研究２．１伺服运动控制系统２．１．１伺服运动控制系统的概念及组成在运动控制系统中，把输出量（位置或速度）能够以一定准确度跟随输入量（给定位置或速度）的变化而变化的系统称为伺服运动控制系统【８】。

如果被调量是速度就称为速度伺服运动控制系统，如果被调量是位置则称为位置伺服运动控制系统。

速度伺服运动控制系统和调速系统都是以速度作为被调量的闭环调节系统，区别在于调速系统的速度指令值是恒值（称为恒值调节系统），不要求对速度指令值作出快速响应，但要求系统对负载扰动有快速的调节作用，即有较强的抗负载扰动能力；伺服运动控制系统的速度指令是变化的，要求系统对速度指令快速响应，且具有极强的抗负载扰动能力。

位置伺服运动控制系统更注重位置的跟随性和精确性，而且对速度的要求也非常严格，所以在位置运动伺服中，也包含了速度伺服的环节。

位置伺服和速度伺服运用非常广泛，例如，加工行业中数控机床即为多轴联动的伺服系统，它是以机床移动部件的位置和速度作为控制量的自动控制系统，需要具有精准的跟随能力与抗扰动能力。

伺服运动控制系统是闭环调节系统，由控制器、伺服驱动装置、驱动元件（或称执行元件即伺服电机）和高性能检测装置组成。

各个部分通过信号或电力线连接在一起并完成相应的功能。

图２．１为全闭环伺服运动控制系统的结构框图。

图２．１伺服运动控制系统结构框图ＭｏｔｉｏｎＣｏｎｔｒｏｌＳｙｓｔｅｍＦｉｇ．２．１ＴｈｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆＳｅｒｖｏ伺服运动控制系统的作用在于接受来自上位控制装置的指令信号，驱动被控对象跟随指令运动，保证动作的快速和准确，这对伺服系统的硬件和软件系统有很高的要求。

以达到高质量的速度和位置伺服。

ＥｔｈｅｒＣＡＴ网络及其伺服运动控制系统研究……………………………………………ｏ图２．２半闭环与全闭环系统结构框图ＭｏｔｉｏｎＣｏｎｔｒｏｌＳｙｓｔｅｍＦｉｇ．２．２ＴｈｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆＨａｌｆＬｏｏｐａｎｄＦｕｌｌＬｏｏｐ（２）根据被控量的性质和控制方式分类可以分为：位置控制，速度控制，转矩控制，位置／速度控制方式，速度／转矩控制方式。

位置控制方式是伺服运动控制最常用的控制方式，可以分为点位（ＰＴＰ）控制和连续轨迹控制。

位置控制一般应用在加工行业中对机件准确定位场合中，上位控制器把插补出的曲线位置信息送入伺服驱动器，伺服驱动器完成位置的准确定位。

速度控制方式是用在对速度变化平滑度有较高要求的场合，对负载的变化时速度能够迅速的调整速度，使速度的动态响应和抗干扰能力较强。

如数控机床中主轴的控制方式一般为速度控制方式。

转矩控制即电流的闭环控制，是所有控制方式中最简单的一种，输入伺服驱动器的值即为负载转矩成正比的电流值，一般应用于对位置和速度无特殊要求，但对转矩的大小和抗干扰能力有特殊要求的场合。

位置／速度控制方式和速度／转矩控制方式是为了提高控制的精度而采取的给定两个控制量的方式。

这两种控制方式要求上位控制器同时计算出位置和速度或速度和转矩值送入伺服驱动器进行高精度伺服，一般应用在高精密器件的加工行业。

（３）根据信号给定方式分类可以分为：模拟伺服运动控制系统和数字伺服运动控制系统。

模拟式伺服运动控制系统是以模拟电路为基础的控制系统，主要由运算放大器、电位器等各种模拟器件组成，通过模拟器件来实现各种控制律。

模拟式控制系统是在数字控制系统发展起来之前普遍采用的方式，但由于模拟器件存在饱和及温度影响高等不利因素，随着数字控制芯片的出现，模拟式控制系统逐渐被数字式控制系统代替【９】。

大连理工大学硕士学位论文数字式控制系统是以单片机或ＤＳＰ控制器作为控制芯片，通过软件算法实现控制律，通过控制器丰富的接口实现各种信号的采集与通讯，提高了系统的柔性和精度例。

由于电子技术的迅速发展，数字控制器的位宽、时钟频率和制作工艺等性能指标在不断提高，数字运动控制系统技术也在不断的向速度快、功能全、精度高的方向发展。

目前伺服运动控制系统普遍采用数字式控制。

２．２伺服运动控制系统结构分析伺服运动控制系统由三部分组成：上位控制器，伺服功率模块和执行机构（包含反馈装置）。

三部分有机结合分别完成运动轨迹生成、信号跟随控制及功率放大和机械机构的驱动。

上位控制器和伺服功率模块之间通过网络连接或模拟信号线路连接；伺服驱动器和执行机构通过电力线和反馈线连接。

本节主要对这三部分的基本构成和技术进行分析。

２．２．１上位控制技术分析伺服运动控制系统上位控制器又称为运动控制器，主要完成运动曲线的规划，运动状态的监控和可视化的人机界面。

随着微电子技术和数字信号处理技术的迅速发展，运动控制器已经从以单片机和微处理器为核心的专用芯片发展为基于ＰＣ总线的以ＤＳＰ和ＦＰＧＡ为核心的开放式运动控制器，各种ＰＬＣ控制器、基于ＰＣ的软控制器更增加了运动控制器的多样性。

下面分别介绍各种上位运动控制器的功能及特点。

运动控制卡：基于ＰＣ机、用于各种运动控制场合的上位控制单元。

目前的运动控制卡一般是基于ＰＣＩ总线的运动控制卡，ＰＣ机和控制卡之间通过高速的ＰＣＩ总线进行数据传输，控制卡通过网络接口或者模拟接口与伺服装置相连。

运动控制卡通常采用专业运动控制芯片或高速ＤＳＰ作为运动控制核心。

一般地，运动控制卡与ＰＣ构成主从式控制结构：ＰＣ机上安装的控制卡生产厂家的配置软件完成人机交互界面的管理和控制系统的实时监控等方面的工作；用户应用程序通过调用运动控制卡接口函数来操作运动控制卡；运动控制卡完成具体的曲线轨迹的计算和对电机的实时控制。

运动控制卡可以有效的利用ＰＣ机的交互功能完成运动的控制，有效的把ＰＣ机和运动控制器整合在一起。

目前运动控制卡发展迅速，像ＭＥＩ公司的ＺＭＰ系列和ＸＭＰ系列运动控制器采用运动控制卡的实现方式。

ＰＬＣ：ＰＬＣ作为运动控制上位机是目前应用比较广泛的实现方式。

它具有以下特点：采用梯形图编程，非常直观简便，可读性强，很适合顺序控制的场合；可靠性高，抗干扰能力强，因为ＰＬＣ是专为工业控制而设计的，为了保证ＰＬＣ能在恶劣的环境下工作，在设计和生产过程中采取了一系列硬件和软件的抗干扰措施，如光电隔离、滤波等；开ＥｔｈｅｒＣＡＴ网络及其伺服运动控制系统研究发周期短：适合于运动轨迹简单的专用设备（焊机、切割机等），因为这些设备一般是点位控制，不要求圆弧插补、直线插补等复杂的轨迹控制。

基于上述特点，ＰＬＣ为目前运动控制领域最常用的运动控制上位控制器。

如Ｒｏｃｋｗｅｌｌ的ＣｏｎｔｒｏｌＬｏｇｉｘ系统和西门子的￥７００系列ＰＬＣ控制器都实现了运动控制上位机控制功能。

基于ＰＣ的软控制器：软控制器的实现是在ＰＣ机操作系统中安装实时控制软件，把ＰＣ机操作系统配置称为具备实时处理能力的控制器，使ＰＣ机直接取代ＰＬＣ和ＮＣ／ＣＮＣ等控制设备。

这种控制器的实现可以通过一个硬件平台同时完成实时控制、可视化、通信和网络等多种功能，又称为ＰＣ控制技术。

采用ＰＣ机实现软控制器，开放性好，速度快，运算能力强，具有传统的ＰＬＣ系统无法比拟的强大功能。

目前如Ｒｏｃｋｗｅｌｌ公司的Ｓｏｆｔｌｏｇｉｘ系统和Ｂｅｃｋｈｏｆｆ公司的ＴｗｉｎＣＡＴ系统采用的都是这种实现方式。

运动控制器：单独的控制器，一般具有专用性，可以进行编程。

一般是基于ＤＳＰ为核心处理芯片的控制器，利用触摸屏或ＬＣＤ和键盘进行用户界面的交互，运动控制器内置了一些特定的运动控制功能。

可以现场操作，稳定性高。

２．２．２伺服功率模块技术分析伺服功率模块是伺服运动控制系统中的核心部件，它主要分为两大部分：功率模块和控制模块。

功率模块主要为执行机构提供运动所需要的能量，在交流伺服运动控制系统中，功率模块接收三相或单向交流电源输入，在内部通过整流滤波装置变成稳定的直流电源，称为直流母线。

直流电源通过功率变换模块（如ＩＧＢＴ、ＰＭ）的开关动作给伺服电机定子绕组提供电流，从而控制电机的运转。