实时以太网ethercat理念下多轴网络运动控制体系设计

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1、实时以太网EtherCAT理念下多轴网络运动控制体系设计第1章绪论随着微电子技术、电力电子技术、控制理论、通信技术、网络技术、传感器技术、永磁材料等技术的发展，机电一体技术得到迅速发展，运动控制系统作为其关键组成部分，也得到了迅速发展[1]。近年来，广泛运用于数控加工、集成电路制造、电子装配、机器人、高速印刷及包装等自动化领域。为了满足快速变化的市场需求，提高产品的竞争力，运动控制系统必须向开放性、柔性、互联性、高速稳定性、可靠性、可重构性的方向发展。基于工业以太网的网络化控制系统的提出正适应了这一

2、趋势要求。网络化运动控制系统已经成为一种发展趋势和研究热点。1.1课题的提出及研究意义制造业是是一个国家的基础产业，是国民经济的支柱，在世界工业化进程中始终占据主导地位，是人们生产生活中最重要的物质，是实现工业化和国家现代化的根本推进力量。一个国家制造业水平的高低直接反应了该国的生产力水平和综合国力，是一个国家工业发达程度的重要衡量指标，直接关系着该国在国际市场上的竞争力和制高点。因此，大力发展先进制造技术已成为世界各国最重要的几大技术战略之一[2]。随着科学技术尤其是通信技术和网络技术的发展，制造

3、的概念和内涵得到大大的扩展，已发展成为一个涵盖整个生产过程的跨学科、跨领域的高度复杂技术。制造业不断向集群化、信息化和全球化的趋势发展[3]。各种先进制造技术和制造理念正逐渐地应用于现代制造业中，传统的具有相对固定结构和相对集中的制造资源的、以区域性经济环境为主导的面向产品为特征的制造模式已不能适应，现代制造业的发展急需一种以市场需求为驱动的具有快速响应的网络化制造模式[4]。而运动控制系统，作为制造过程控制和管理的核心模块，也随着制造业和现代科学技术的发展而发生深刻的变革。传统的运动控制系统由于开

4、放性不强、系统兼容性差、扩展性差、缺乏网络通信功能等条件限制，也已经不能满足现代制造业的发展需求。近年来，随着现场总线技术和工业以太网技术快速发展，网络化已然成为运动控制领域的发展主流，被广泛应用于各种复杂的控制系统中，构成多轴网络化运动控制系统结构，并具备良好的网络结构和人机交互功能。其中，传统的计算机集中控制系统(CCS)控制简单，直接面向控制对象，系统可靠性低，实时性差(如图1-1所示)；而集散型控制系统(DCS)由于采用多级主从关系，高度依赖经常超负荷工作的主机，且一旦主机故障，则整个系统将

5、瘫痪，因此不能满足现代控制系统对实时性、可靠性的要求(如图1-2所示)；而基于工业以太网和现场总线技术的网络控制系统(FCS)由于它综合了数字通信技术、计算机技术、自动控制技术、网络技术等特点，具有良好的实时性、可扩展性和相对灵活的管理模式(如图1-3所示)，特别是对于多轴高速实时的运动场合，比如印刷机械、包装机械等领域，具有明显的优势，因此使用多轴网络运动控制系统成为多轴控制系统的必然趋势[5]。目前，将运动控制技术、嵌入式技术与工业以太网技术相结合，构建基于实时以太网的嵌入式多轴网络运动控制系统

6、，在国内外尚处于研究阶段，其性能和可靠性、稳定性等指标不够成熟。而目前对于多轴运动控制系统的基本架构一般是以DSP+FPGA为核心结构，充分利用DSP在实现复杂运动控制算法的强大计算能力和FPGA高速的逻辑处理能力，构建运动控制系统的核心单元运动控制器[6]。而德国倍福EtherCAT作为一种新型的高速实时工业以太网技术，目前已成为工控领域的主流[7]。因此，作为ETG的一员，在深入研究EtherCAT网络通信技术的基础上，将其移植到多轴运动控制系统中，构建新一代的多轴网络运动控制系统具有重要的研究

7、意义和实用价值。综上所述，本文以通用的开放式控制系统为研究背景，以基于实时以太网EtherCAT的多轴网络运动控制系统设计为题，以DSP和FPGA技术为基础，引入目前工控领域新型的高速实时以太网EtherCAT网络技术，在深入研究多轴运动控制技术和EtherCAT网络技术的基础上，实现EtherCAT主从通信，设计开发具有实时以太网EtherCAT网络接口功能的多轴网络运动控制器，使得系统结构更加灵活，性能更加稳定可靠、安全性更高，可扩展性更好。通过充分使用现有丰富的PC软/硬件资源、低成本且可共享

8、的网络资源，有助于提高现代制造的管理水平，改造升级现代制造业。第2章EtherCAT通信规范与原理为了满足市场竞争要求和客户需求，世界各大自动化厂商及标准化组织纷纷提出各种提升工业以太网实时性的技术解决方案。其中，德国倍福公司于2003年开发出的EtherCAT技术突破了其他以太网解决方案的系统限制，具有良好的实时性、开放性，且价格经济，具有广泛的运用前景，在国内外已经得到很多厂商的青睐，并纷纷选择其作为下一代产品运动控制总线标准。本章将对EtherCAT技术作详细介