基于ethercat的多轴运动控制器研究

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1、EtherCAT工业以太网技术协会  刘艳强、王健、单春荣应用领域：石油天然气 石化 化工 冶金 电力 建材 矿业开采 造纸 纺织印染 食品饮料加工 烟草 汽车制造 电子制造 水处理 建筑楼宇 交通运输 轨道交通 纺织机械 塑料机械 橡胶机械 食品机械 包装机械 制药机械 印刷机械 烟草机械 机床 电子制造设备基于工业以太网的运动控制器在工业机器人、数控机床和机电一体化加工和测试设备中获得了广泛应用。由于以太网通信速度快、数据量大等特点使运动控制性能得到了极大的提升。EtherCAT（EthernetforControlAutomationTechnology）技术（也称为以太网

2、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，全双工特性完全得以利用。本文设计和实现了基于EtherCAT的伺服控制器从站，每个从站可以最多控制8个伺服轴。1          EtherCAT技术介绍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，电报的最大有效数据长度为1498字节。数据帧遍历所有从站设备

3、，每个设备在数据帧经过时分析寻址到本机的报文，根据报文头中的命令读入数据或写入数据到报文中指定位置，并且从站硬件把该报文的工作计数器（WKC）加１，表示该数据被处理。整个过程会产生大约10ns的时间延迟[1]。数据帧在访问位于整个系统逻辑位置的最后一个从站后，该从站把经过处理的数据帧做为上行电报直接发送给主站。主站收到此上行电报后，处理返回数据，一次通信结束。系统结构原理图如图1所示：EtherCAT支持几乎所有的拓扑类型，包括线型、树型、星型等，其在物理层可使用100BASE-TX双绞线、100BASE-FX光纤或者 LVDS（LowVoltageDifferentialSig

4、naling, 即低压差分信号传输），还可以通过交换机或介质转换器实现不同以太网布线的结合。快速以太网的物理层（100Base-TX）允许两个设备之间的最大电缆长度为100米，而LVDS的物理层只能保障10米的传输间距，适合于近距离站点的连接。整个网络最多可以连接65535个设备。 借助于从站中的EtherCAT专用芯片和主站中读取网卡数据的DMA技术，整个协议处理过程都在硬件中进行。EtherCAT系统可以在30μs内刷新1000个I/O点，它可以在300μs内交换一帧多达1486个字节的协议数据，这几乎相当于12000个数字量输入或输出。控制100个输入输出数据均为8字节的伺

5、服轴只需要100μs[2]。EtherCAT的高性能使它还可以处理分布式驱动器的电流（转矩）控制。1.2   EtherCAT数据帧结构EtherCAT以标准以太网技术为基础，在MAC（媒体访问层）增加了一个确定性调度的软件层，该软件层实现了通信周期内的数据帧的传输。EtherCAT采用标准的IEEE802.3以太网帧，帧结构如图2，各部分含义见表1：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

6、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（FieldbusMemoryManagementUnit，负责逻辑地址与物理地址的映射）寄存器和SM（SyncManager，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(WorkingCount)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。EtherCAT于

7、2005年2月正式成为IEC规范－IEC/PAS62407。除此之外，EtherCAT技术也将集成到国际现场总线标准的下一代标准IEC61158和IEC61800-7(电子功率可调速驱动系统框架与接口)之中。国际标准组织（ISO）已将EtherCAT纳入ISO15745标准。EtherCAT技术引起了自动化技术领域的广泛关注，并于2003年成立了EtherCAT技术组织，简称ETG。到目前为止，ETG组织成员已超过500个。2     EtherCAT技术的实现2.1   Eth