基于EtherCAT协议的从站运动控制系统设计_薛迪杰.pdf

2023 年 2 月 25 日第 7 卷第 4 期现代信息科技Modern Information Technology Feb.2023 Vol.7 No.464642023.022023.02收稿日期：2022-10-24基金项目：郑州西亚斯学院校级项目（2022-D70）基于 EtherCAT 协议的从站运动控制系统设计薛迪杰，忽晓伟，刁梦梦（郑州西亚斯学院 电子信息工程学院，河南 郑州 451150）摘 要：针对工业运动控制系统中，传统的现场总线技术实时性差、容量小等缺点，研究了运动控制系统特点，并将EtherCAT 通信技术引入其中，利用 STM32F427 主控芯片、AX58100 从站控制器和 JY02 电机驱动芯片，开发了 EtherCAT 从站运动控制器的硬件。实验表明，开发的从站控制系统和主站 TwinCAT 3 通信完全兼容，通信速度和可靠性较传统总线通信技术大幅度提高，可以更好地满足智能化和柔性生产的发展需求。关键词：EtherCAT 协议；TwinCAT 3；运动控制系统；工业通信系统中图分类号：TP273 文献标识码：A 文章编号：2096-4706（2023）04-0064-04Design of a Slave Motion Control System Based on EtherCAT ProtocolXUE Dijie,HU Xiaowei,DIAO Mengmeng(School of Electronics and Information Engineering,SIAS University,Zhengzhou 451150,China)Abstract:Aiming at the shortcomings of the traditional field bus technology in industrial motion control systems,such as poor real-time performance and small capacity,the characteristics of the motion control system are studied and EtherCAT communication technology is introduced into industrial motion control systems.The hardware of the EtherCAT slave motion controller is developed using STM32F427 master controller chip,AX58100 slave controller and JY02 motor driver chip.The experimental results show that the developed slave control system is fully compatible with the master TwinCAT 3 communication,and the communication speed and reliability are greatly improved compared with the traditional bus communication technology,which can better meet the development needs of intelligent and flexible production.Keywords:EtherCAT protocol;TwinCAT 3;motion control system;industrial communication system0 引 言近年来，各国都兴起了制造业的技术变革。一个国家的制造业技术水平与国家的经济发展息息相关，制造业就是国家经济的命脉，强大的制造业技术可以带动国内经济的高速发展。因此，发展制造业技术具有重要实际意义。为了推动我国制造业技术的发展，国家机关部门提出了“中国制造2025”的技术发展目标，为发展高集成化、柔性化、网络化的制造业提供了有力的保障1。运动控制系统是制造业技术的核心，制造业的智能化发展，要求其中的运动控制系统必须网络化、模块化。传统的运动控制系统往往比较局限，并且在运动控制精度及自动化程度方面比较落后。随着计算机测控技术的发展，运动控制系统正向开放的体系结构发展，但在网络实时性方面，运动控制系统仍存在一定短板。传统的现场总线技术通信速率低，兼容性差。而实时工业以太网技术则完全克服了传统现场总线的缺点，正逐步取代现场总线技术并应用在工业应用控制领域。EtherCAT 技术是在以太网基础上进行修改，以适应工业控制系统需求的工业以太网技术。目前是工业控制领域较为流行的通信网络技术。本文将对 EtherCAT 网络技术进DOI:10.19850/ki.2096-4706.2023.04.017行研究，结合多轴运动控制系统的特点，分析 EtherCAT 的工作原理，并对 EtherCAT 的从站控制器进行开发，完成EtherCAT 的主站和从站通信。然后将 EtherCAT 技术应用在多轴运动控制系统中，实现对设备实时、高速控制的目标2。1 EtherCAT 总线技术EtherCAT 最早是由德国 BECKHOFF 自动化公司开发出来的，是在以太网技术基础上修改开发出来的适用于工业网络技术的新型工业以太网总线，充分继承了以太网全双工特性3。EhterCAT 在传输数据过程中，无需对数据进行加密和解码，EtherCAT 从站接收在 EtherCAT 报文通过该从站时，直接进行数据的交换，将接收数据读取下来，并将要发送的数据传送的报文中，报文中数据的获取和发送，仅需数纳秒，能够极大的提个数据传输的实时性。EtherCAT主站一般可直接选PC，利用以太网网卡实现，从站选用 EtherCAT 从站控制器，从站主要完成报文中数据的接收，并实现对设备层设备的控制。EtherCAT 主站发送数据到从站，从站从报文中获取数据后，将发送给本从站的数据接收进来，同时将需要发送给主站的数据嵌入报文中。接下来，从站将修改后的报文传送至下一个从站，执行同样的操作。如此重复，最终末位的 EtherCAT 将完成数据交换的报文，由逐个从站返回至第一个从站，并最终发送给主站4。EtherCAT 工作原理如图 1 所示。65652023.022023.02第 4 期2 运动控制系统的设计运动控制系统硬件总体分为主站和从站两部分。主站一般按照需求，使用配置有以太网网卡的 PC。从站需使用兼容 EtherCAT 协议的控制器，控制器一般由通信接口电路，控制电路和伺服驱动电路三部分组成。EtherCAT 运动控制系统框图如图 2 所示。EtherCAT运动控制系统TwinCAT3主站从站运动控制系统HMI界面PLC电机运动控制程序AX58100数据通信部分电机驱动部分STM32微控制器部分图 2 EtherCAT 运动控制系统方案框图2.1 主站选择使用的 EtherCAT 主站为普通的个人 PC，主机使用英特尔 I3 处理器，配置 4 GB 内存，500 GB 硬盘，配置千兆以太网网卡，完全可以支持 EtherCAT 通信。除了硬件支持，PC 主机作为主站，还需要安装相关的软件。EtherCAT 主站软件部分直接采用 TwinCAT 3，首先需要安装网卡，将网卡添加到 TwinCAT 3 的设备当中；然后需要对 TwinCAT 3 进行激活，由于在实验室中使用的是 DEMO 版本，需要激活才能有七天的使用，找到 TwinCAT 3 的验证码，输入即可激活；最后，需要建立项目文件，添加软件自带的 PLC 电机运动控制 TC2_MC2 库文件，实现对电机的控制5。由于使用的软件自带的库文件，可以缩短开发周期，降低开发难度。本项目主要实现对主站对电动机的基本控制功能，包括点动、连续转动、停止、反转等功能。主站 TwinCAT 3 上还绘制了HMI界面，用来反映电动机的运行情况，并用曲线进行显示。2.2 EtherCAT 从站设计2.2.1 从站控制器方案目前，全球多家公司均可以提供 ESC 控制芯片，但这些芯片的内部 IP 内核均由德国倍福公司授权。市场上常用的有 ASIX 的 AX58100、BECKHOFF 公司的 ET1100 和MICROCHIP 公司的 LAN9252 芯片。ET1100 芯片价格昂贵，芯片内资源较少，性价比较低，并且其芯片上不含物理层端口，需要自行扩展。LAN9252则主要因其芯片自身不含电机驱动，在开发过程中，会增加开发难度。因此，本系统从站选用 ASIX 公司的 AX58100作为 EtherCAT 从站控制的 ESC。AX58100 是专为 EtherCAT通信设计的 ESC 芯片，内部直接附带两个物理层接口，在使用的时候，无需额外增加外围的 PHY，因此可以更加方便设计使用。此外，AX58100 的内部还集成了 PWM 输出接口和霍尔编码器，可以和伺服电机组成伺服电机闭环控制系统，直接对伺服电机进行精准控制，实现 EtherCAT 主站对从站设备的精确控制3。EtherCAT 从站采用微控制与 ESC 组合形式。微控制器使用 32 位的处理器 STM32F427，其采用 ARM-Cotex4 内核，处理速度快，且具有丰富的接口资源；搭配 ESC 控制芯片AX58100，组成 EtherCAT 的复杂从站结构。从站组成结构图如图 3 所示。以太网网卡主站TwinCAT3AX58100从站1TXTXRXRXPHY 0PHY 1STM32F427RJ45RJ45EEPROMIIC从站nFSMC复位电路通信验证模块振荡电路JY02电机驱动板编码器PWM霍尔电源M通信模块微处理器模块驱动模块电源电路图 3 从站组成结构图根据从站的功能，硬件部分可分为以下三部分：（1）EtherCAT 数据通信部分。从站 EtherCAT 数据通信主要由 AX58100 完成，其功能是负责主站 TwinCAT 3 和微控制器 STM32F427 之间数据交换。在和上位机主站进行通信时，AX58100 完成物理层和数据链路层进行数据交换时的相关功能。AX58100 在和微控制器 STM32F427 进行数据交换时，可使用其芯片自带的 SPI Slave 总线和 Local Bus总线，但由于在进行运动控制时，数据量较大，要求的实时速度较快，因此，采用 AX58100 的 Local Bus 总线与微控制连接，将 STM32 芯片上的 FSMC 外设与 AX58100 的本地总线相连，采用16位异步通信模式，保证两者之间的通信速率。此外，为了主站可以识别从站设备的信息，采用了存储容量大小为 32 KB 的 AT24C32 存储芯片和 AX58100 连接，并在其中保存了从站的设备描述信息。图 1 EtherCAT 通信系统示意图主站从站1从站2从站n下行数据帧上行数据帧从站1输出数据从站1输入数据从站2输出数据从站2输入数据从站n输出数据从站n输入数据I/O端子伺服设备运动控制器薛迪杰，等：基于 EtherCAT 协议的从站运动控制系统设计66662023.022023.02第 4 期现代信息科技（2）微控制器数据处理部分。微控制器数据处理部分主要由 STM32F427 构成，用来处理和 EtherCAT 主站通信的相关数据。本方案中 STM32F427 采用了 EtherCAT 协议进行通信。在进行电机控制时，为了读写 AX58100 内部数据，并将数据发送给主站，供主站在 TwinCAT 3 显示控制电机的状态和设置电机的参数，STM32F427 使用了为其配置的CoE 协议及 CiA 401 运动控制的子协议。STM32F427 通过从协议上获取的数据，转换成 PWM 通过驱动板对电机进行控制，并根据电机连接的霍尔编码器，将电机的运行状态反馈，最终通过 AX58100 传送至主站。（3）电机驱动部分。主站 TwinCAT 3 软件上有配套的直流电机运动控制模块，为了配套主站进行电机运动的闭环控制，方案选用直流无刷电机作为控制对象，相比于有刷电机，无刷电机没有电刷，在转动的过程中不会出现电刷损耗及电刷摩擦大量发热的现象；无刷电机上还配备有反馈无刷电机位置的霍尔传感器，可以通过霍尔传感器编码接口反馈出无刷电机的运动位置信息。无刷单机的驱动电路，选用国产的 JY02 无刷电机驱动芯片，JY02 驱动芯片只需在外部利用 MOS 管扩展六臂全桥电路，即可实现对无刷电机的控制，并且输出功率取决于 MOS 管功率的大小。因此，可方便控制大功率无刷电机，实现对电机的精确控制。2.2.2 从站软件部分设计从站软件部分的设计采用 STM32F427 自带的 HAL 库文件进行开发，从而实现在 EtherCAT 协议下进行通信。AX58100 和主站通过 EtherCAT 进行通过通信，将接收的数据通过 Local Bus 总线的 FSMC 接口从 STM32 的存储其中拷贝出来，并根据 EtherCAT 的相关协议进行数据的解析。这些数据通过 EtherCAT 协议栈应用层的接口函数进行数据的映射，映射的数据最终会根据 CiA401 运动控制的子协议对电动机进行控制。从站运行程序流程图如图 4 所示。STM32 上电后首先执行 HW_Iint（）函数，对 STM32 的 GPIO 及总线进行初始化配置，同时对 EtherCAT 的协议下的相关寄存器进行初始化。然后 Main_Init()函数对 AX58100 的初始化，需要对其I/O 口、模数转换等进行配置，根据 EEPROM 中的从站设备描述信息，对 EtherCAT 的协议栈进行初始化配置，并且建立 AX58100 与 STM32 的总线连接。接下来，通过 CiA_Init()初始化函数，完成直流电机的参数和对象字典的配置，得到其控制入口的相关地址。最后，需要把从站设置成轮询模式，STM32 不断查询事件请求寄存器。根据寄存器查询的状态，从站在主循环体中不断地实现周期性以及非周期性过程的数据交换。周期性事件中的数据，转到 PDI_I()函数处理；非周期性事件的数据，转到 ECAT_M()函数进行数据的处理。程序处理完周期性事件和非周期事件的数据后，返回继续查询事件请求寄存器。在进行 STM32 的 HAL 库文件开发的时候，将一些无关的接口函数去掉，保留 EtherCAT 通信协议栈使用的接口函数，EtherCAT 协议栈构架主要包括应用层的 CoE 协议框架和EtherCAT协议栈框架，EtherCAT协议栈使用ecatslv.c文件、ecatcoe.c 文件、mailbox.c 文件、objdef.c 文件和 sdoserv.c 文件。应用层 CoE 协议使用 coeappl.c 文件、ecatappl.c 文件和cia401appl.c 文件。初始化硬件HW_Init();EtherCAT硬件初始化Main_Init();CiA401协议初始化CiA_Init();查询事件请求寄存器自由模式？处理周期性事件PDI_I();查询非周期性事件ECAT_M();是否主循环体图 4 从站运行程序流程图3 测试过程及分析采用两个实验对 EtherCAT 的主从站通信和电机控制进行测试。为了测试 EtherCAT 主从站的通信，采用 Wireshark 软件进行抓包实验。通过以太网网线将主站 PC 的网卡和从站AX58100的网口进行连接，在TwinCAT 3中找到从站控制器，进行联机，联机成功后，打开 Wireshark 软件，使用抓包工具截取连接过程中的数据包。最终联机成功后，从站联机状态灯亮起，从站转为进入操作状态，激活从站状态机启动，可以随时被主站控制。Wireshark 抓取的报文如图 5 所示。图 5 Wireshark 抓取的 EtherCAT 报文从 Wireshark 抓取的报文中可分析，报文完全符合EtherCAT 协议数据帧的格式，主从站已经建立了通信。从图 5 底部状态栏可以看出，通信报文长度一共 60 个字节，分为以太网数据帧头(前 14 个字节)、EtherCAT 帧头（2 个字节）、EtherCAT 数据（由 2 个子报文组成，每个子报文由10字节报文头，16字节的数据，2字节的工作计数器组成）。（下转 71 页）71712023.022023.02第 4 期在电机运动控制测试部分，主要通过 TwinCAT 3 主站将指令发送给从站，经过电机驱动电路，驱动电动机进行基本控制。经测试，主站上发送的点动、连续运转、反转等指令可以被从站接收，并对电动机进行实时控制，验证了EtherCAT 运动控制的实时性和准确性。4 结 论本文研究了 EtherCAT 总线技术，并将 EtherCAT 技术应用于传统工业运动控制系统中，重点设计了从站运控控制系统。测试表明，设计的从站实现了和主站的通信，完成了对运动控制系统中电动机的基本控制，可以应用在基本的EtherCAT 运控控制系统中。参考文献：1 李 益，王 成 杰，史 世 友，等.基 于 ZYNQ 处 理 器 的EtherCAT 从站通信系统设计 J.控制与信息技术，2022（1）：59-63.2 栾伟.基于 EtherCAT 总线的多轴运动控制系统研究与开发 D.广州：广东工业大学，2017.3 马志航.基于嵌入式的工业以太网 EtherCAT 从站研究与实现 D.银川：北方民族大学，2021.4 陈志军，韩利峰，黄丽.一种 EtherCAT 从站的硬件设计 J.仪器仪表用户，2021，28（12）：6-10.5 孟另伟，郑永军.基于 EtherCAT 的分布式测控系统设计与实现 J.仪表技术与传感器，2020（6）：73-78.作者简介：薛迪杰（1987），男，汉族，河南焦作人，讲师，硕士，研究方向：工业通信网络、工业检测技术。其载频为 10 MHz，最大测量误差绝对值=0.01 kHz，结果如表 4 所示。表 4 等载频最大频偏测试调制信号频率（kHz）理论值fm1测量值fmx1误差1理论值fm2测量值fmx2误差2333.0001818.000555.0003030.000777.010.014242.000101010.010.016060.010.015 结 论本文完成了一个可以测量并显示信号源输出的被测信号调制度等参数，自主识别并显示被测信号的调制方式，输出解调信号的信号调制度测量装置。作品使用 TI 公司 C2000 F28379 跟踪已调信号频率，通过 DDS 本振和混频器组成超外差式接收系统获得中频信号，使其满足 C2000 内置的16 bit 1.1 Msps SAR ADC 在差分模式下采样需求，避免了FPGA 加高速 ADC 低通采样的方案，极大地节省了硬件资源。解调方案上汲取软件无线电的核心思想，并综合使用希尔伯特变换、正交解调等方法，在有限的算力开支下能准确快速地判断信号调制方式、还原调制信号并完成参数测量。实测调幅度测量误差小于 5，调频度和最大频偏测量误差小于 2。最后，受限于 DSP 和片内 ADC 采样速率，本系统无法对高带宽的调制信号进行解调，可以优化算法和提升ADC 采样速率进一步提升。参考文献：1 孙志勇.软件无线电技术解调方法研究 J.微型电脑应用，2020，36（8）：59-61+75.2 许丹.软件无线电的研究与应用 J.信息记录材料，2021，22（8）：44-46.3 张绪省，朱贻盛，成晓雄，等.信号包络提取方法从希尔伯特变换到小波变换 J.电子科学学刊，1997，19（1）：120-123.4 高美蓉.二极管峰值包络检波器特性研究 J.国外电子测量技术，2018，37（11）：37-41.5 祝林啸，吴嗣亮.一种调频信号数字正交解调方法 J.电讯技术，2005，45（4）：120-123.6 刘吉超，杜力坤 苏来曼，闫相东.锁相环集成电路NE564 原理及应用 J.新疆师范大学学报：自然科学版，2009，28（4）：64-68.7 李春燕.差分放大器驱动 ADC 的应用 J.电子科技，2010，23（2）：56-58.8 徐佩，刘俊，张文栋.模拟乘法器 AD834 在差分频率电路中的应用 J.测试技术学报，2004，18：58-60.9 颜彪，杨娟.关于希尔伯特变换的分析和研究 J.电气电子教学学报，2004，6（5）：27-29+48.作者简介：葛辛亮（2001.09），男，汉族，浙江慈溪人，本科在读，研究方向：电子科学与技术。（上接 66 页）葛辛亮：利用高速 DSP 实现信号自主识别及数字解调