基于模拟伺服的多轴EtherCAT协议设计_董海涛.pdf

2023 年第 2 期仪 表 技 术 与 传 感 器InstrumentTechniqueandSensor2023No2基金项目:国家自然科学基金资助项目(61963005)收稿日期:20220823基于模拟伺服的多轴 EtherCAT 协议设计董海涛，张帅涛，冯建强(广西大学机械工程学院，广西南宁530004)摘要:针对传统模拟伺服系统存在的通信实时性差、难以实现多轴同步控制等问题，提出一种将EtherCAT 协议应用于传统模拟伺服系统的设计方案。以 STM32 和 AX58100 为核心，采用 SPI 从机扩展方法，结合 DAC 芯片等器件，设计了系统整体框架;根据分布时钟同步模式和 CiA402 行规实现了多轴从站;采用 TwinCAT3 构建主站功能，在搭建的四轴伺服控制平台上进行了实验。在四轴 EtherCAT通信分布时钟周期 500 s 时，报文刷新时间小于 10 s，实现了四轴 S 型曲线同步控制，该方案对于实现传统模拟伺服系统的网络化，具有一定的参考价值。关键词:EtherCAT;模拟伺服系统;SPI;DAC;TwinCAT中图分类号:TH39;TP23文献标识码:A文章编号:10021841(2023)02006904Design of Multi-axis EtherCAT Protocol Based on Analog ServoDONG Hai-tao，ZHANG Shuai-tao，FENG Jian-qiang(School of Mechanical Engineering，Guangxi University，Nanning 530004，China)Abstract:For the problems of poor real-time communication and difficulty in realizing multi-axis synchronous control in tra-ditional analog servo systems，a design scheme that applies EtherCAT protocol to traditional analog servo systems was proposedTaking STM32 and AX58100 as the core，using the SPI slave extension method，combined with DAC chips and other devices，theoverall system framework was designedAccording to the distributed clock synchronization mode and CiA402 profile，the multi-axisslave station was realizedTwinCAT3 was used to build the master station functionThe experiment was carried out on the four-axisservo control platformWhen the distributed clock period of the four-axis EtherCAT communication is 500 s，the refresh time ofmessage is less than 10 s，and the four-axis S-curve synchronous control is realizedThis solution has a certain reference valuefor realizing the network of traditional analog servo systemsKeywords:EtherCAT;analog servo systems;SPI;DAC;TwinCAT0引言现代制造系统对伺服系统的实时性、同步性要求更高，实时工业以太网技术凭借高速、抗干扰能力强和兼容性好等优点在工业控制领域备受关注1。Eth-erCAT 技术基于修改的标准以太网实现，从站使用专门的硬件，具有数据有效率高、实时性强、拓扑结构灵活、开发成本低等优势2。目前，EtherCAT 协议在伺服控制方面的研究主要集中在主从站开发。EtherCAT主站一般使用 TwinCAT3 软件，PLC 编程相对简单，且开发周期短3，EtherCAT 从站一般采用集成了 AM的 AM335X 或 EtherCAT 从站控制器(ESC)+AM/DSP 开发数据采集系统4 和单轴全数字伺服驱动系统56，一些学者在此基础上采用 FPGA 作为协处理器实现多轴控制7，但结构复杂、开发周期长且只能用于数字伺服系统。而在工业现场中仍存在大量传统模拟伺服系统，不能满足对通信性能的要求且更新数字伺服设备成本较高，因此，将工业以太网技术应用于传统模拟伺服系统对于促进工业自动化领域网络化和数字化发展具有重要意义。针对上述问题，本文针对 EtherCAT 协议原理进行了 研 究，基 于ESC芯 片AX58100结 合STM32F407ZGT6 芯片，提出了一种用于传统模拟伺服系统的 EtherCAT 协议实现方案，该方案开发成本低、周期短、数据传输速度快，能够满足多轴伺服控制需求。1EtherCAT 通信原理EtherCAT 协议是一种充分利用以太网特性的实时工业以太网技术，其通信方式是介质访问控制(MAC)的主从模式，主从站之间的数据传输双向进行，可以同时发送和接收。在一次通信中，主站设备发送数据帧到第1 个从站，从站在几 ns 内通过 ESC 内70Instrument Technique and SensorFeb2023部的现场总线内存管理单元(FMMU)提取输出数据或插入输入数据，然后将数据帧转发到下一个从站，最后一个从站将处理完成的数据帧发回第 1 个从站，并由第 1 个从站发送给主站8。2EtherCAT 通信方案设计21整体框架设计根据 EtherCAT 协议原理，本文方案设计分为主站和从站 2 部分，整体框架如图 1 所示。主站基于 Twin-CAT3 实现，前端使用 HMI 功能实现可视化人机交互界面，后端采用 PLC 编程，实现 EtherCAT 主站控制逻辑。从站根据硬件架构和芯片特性划分功能模块，充分发挥各芯片性能，ESC 芯片选用 AX58100，实现 Eth-erCAT 通信功能，STM32 实现 EtherCAT 协议栈、编码器信号接收、SPI 主机等功能，外围设备主要包含数字I/O 模块、D/A 电压输出模块和差分信号处理模块等。其中，差分信号处理模块将差分型编码器信号转为单端信号后直接传入 STM32 端口，STM32 通用定时器有专门读取增量编码器信号的工作模式，不仅可以将单端信号四倍频提高识别精度，还可以计算一定时间内的脉冲数测出编码器速度，同时根据 A 相和 B 相之间的延时，判断旋转方向。图 1整体框架22SPI 扩展模块设计D/A 电压输出模块和数字 I/O 模块通过 SPI 总线与 STM32 连接，使用 GPIO 模拟 SPI 片选可以实现多机通信，但该方法每传输 1 个 8 或 16 位数据，就要设置一次 GPIO，效率不高且不支持 DMA 传输。本文采用 SPI 数字隔离器 ADUM3154BSZ，不仅可以增强抗干扰性能，保证信号安全可靠，还可以通过多路复用器切换目标从机，只需要设置一次 GPIO 即可实现对同一从机的批量数据传输。SPI 主从设备通信框图如图 2 所示，采用 DMA 方式传输数据，可以有效降低STM32 的工作负荷。模数转换器(DAC)采用四通道的 16 位芯片 AD5764，支持最高 30 MHz 高速 SPI，内置输出放大器标称满量程输出范围为10 V，且所有DAC 可实现同时更新9。2 个数字 I/O 模块均采用MCP23S17 芯片，具有 16 位并行输入输出双向端口和高速数据传输能力，经光耦隔离芯片和驱动芯片放大，可用于工作电压为 24 V 的 I/O 设备，用于发送伺服使能、回零启动和复位等信号或接收伺服准备好、到达给定值、故障等信号。图 2SPI 主从设备通信框图3EtherCAT 从站软件设计31软件总体设计EtherCAT 通信模式分为周期性过程数据通信和非周期性过程数据通信。其中，在周期性过程数据通信模式下，EtherCAT 主从站设备均支持多种同步运行模式，主站在周期性模式下，从站支持自由运行模式和同步管理器(SM)模式，主站在分布时钟(DC)模式下，从站也必须运行在 DC 模式，且根据协议栈对IQ、SYNC0 和 SYNC1 3 个中断信号的支持情况有不同的表现形式。本文同时利用 IQ、SYNC0 和 SYNC13 个中断信号，修改并优化 DC 模式，从站程序执行流程如图 3 所示。从站上电或复位后，AX58100 从 EEP-OM 中加载配置参数进入初始化模式，首先主站扫描从站完成初始化过程，随后进入 MainLoop 主循环函数，处理非周期数据并实现自由运行模式。将同步模式更改为 DC 模式并设置 SYNC0 和 SYNC1 中断，从站MainLoop 主循环只处理非周期数据，周期性过程数据在 PDI_Isr、Sync0_Isr 和 Sync1_Isr 3 个中断服务函数中执行。在 DC 模式下，主站本地周期与参考时钟同步，并通过 AMW 报文动态补偿时钟漂移。在从站接收到过程数据帧时，ESC 将报文数据保存到 SM2 中并产生 IQ 中断，经过一定时间，微处理器从 SM2 中复制数据。在从站接收到 SYNC0 中断信号时，本地周期被触发，从站应用层程序开始执行，执行结束后等待SYNC1 中断信号。SYNC1 中断信号到达后执行输入第 2 期董海涛等:基于模拟伺服的多轴 EtherCAT 协议设计71锁存程序并将输入数据从微处理器复制到 SM3，并在下一个数据帧到来时插入到报文中。图 3从站程序执行流程32应用层程序设计EtherCAT 在 应 用 层 支 持 CANopen 协 议，CoE(CANopen over EtherCAT)完全遵从 CiA402 伺服与运动控制行规10，其程序实现分为 3 个部分:对象字典设计、功率驱动状态机和多种控制运行模式。其中，系统控制参数与各模块数据通过对象字典管理，周期性过程数据对象通过 PDO 映射实现，对象字典和PDO 映射关系在从站设备描述(XML)文件和从站程序中定义。根据四轴伺服控制需求设计 12 组 PDO 映射索引，表 1 为第 1 个轴位置模式下的 PDO 映射索引配置，在此基础上，后续 2 种运行模式以 0 x1 的偏移量使用 PDO 映射索引，后续 3 个轴以 0 x10 的偏移量使用 PDO 映射索引，以 0 x800 的偏移量使用数据对象。表 1第 1 个轴位置模式 PDO 映射关系PDO 类型PDO 索引子索引含义位xPdo0 x16000 x6040控制字160 x607A目标位置320 x60FF目标速度320 x6071目标转矩160 x6060目标运行模式8TxPdo0 x1A000 x6041状态字160 x6064位置实际值320 x606C速度实际值320 x6077转矩实际值160 x6061实际运行模式80 x60FD数字输入32CiA402 行规定义的功率驱动控制状态机描述功率驱动设备状态变化时的触发条件和所执行操作，控制运行模式是实现控制目的的具体功能描述。数据对象 0 x6502 定义了驱动设备支持的多种控制运行模式，本文设计可以实现的控制运行模式包含轮廓位置(pp)模式、轮廓速度(pv)模式、轮廓转矩(pt)模式、周期同步位置(csp)模式、周期同步速度(csv)模式、周期同步转矩(cst)模式。其中，3 种轮廓模式轨迹规划在从站实现