實時系統(tǒng)下基于EtherCAT的伺服電機控制方法

吳清收，俞雙懋，王楠

(山東科技大學(xué) 機械電子工程學(xué)院，青島 266590)

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實時系統(tǒng)下基于EtherCAT的伺服電機控制方法

吳清收，俞雙懋，王楠

(山東科技大學(xué) 機械電子工程學(xué)院，青島 266590)

摘要:在實時性控制系統(tǒng)與通信領(lǐng)域內(nèi)，Xenomai與EtherCAT都具有良好的發(fā)展前景。為了進(jìn)一步提高伺服電機控制系統(tǒng)的實時性，本文結(jié)合Xenomai與EtherCAT各自的優(yōu)點，在Xenomai架構(gòu)下實現(xiàn)EtherCAT通信，從而進(jìn)一步縮短電機控制響應(yīng)周期。最后在工業(yè)級工控機上進(jìn)行系統(tǒng)測試，測試結(jié)果表明，此架構(gòu)下的實時通信系統(tǒng)可達(dá)到良好的實時效果。

關(guān)鍵詞:伺服電機控制；Xenomai；EtherCAT；實時性

引言

近幾年來，控制領(lǐng)域?qū)崟r性的要求不斷提高，因此，急需對實時操作系統(tǒng)進(jìn)行更加深入的研究與開發(fā)。現(xiàn)階段比較流行的實時操作系統(tǒng)仿真框架Xenomai，用于為Linux搭建免費的工業(yè)級實施開發(fā)框架。它通過抽象出一個實時內(nèi)核，為一系列的RTOS服務(wù)提供更多的用戶空間。Xenomai追求最小的調(diào)度響應(yīng)等待時間，與此同時，還擁有很高的靈活性、可擴充性和可維護(hù)性等優(yōu)越的性能。Xenomai的應(yīng)用是通過Adeos(自適應(yīng)域環(huán)境)來實現(xiàn)的，而Adeos是基于Linux的內(nèi)核實現(xiàn)的，因此，Xenomai不但能在內(nèi)核層通過使用Adeos實現(xiàn)硬實時，而且在用戶層對用戶的開發(fā)也能夠?qū)崿F(xiàn)很好的實時性。

Xenomai實時系統(tǒng)日益發(fā)展的同時，在工業(yè)自動化領(lǐng)域，工業(yè)以太網(wǎng)也在不斷發(fā)展。EtherCAT通信協(xié)議是由德國倍福公司開發(fā)的實時以太網(wǎng)協(xié)議，其配置簡單，全雙工數(shù)據(jù)有效數(shù)據(jù)利用率較高，可兼容以太網(wǎng)通信協(xié)議，在網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)上也支持多數(shù)設(shè)備連接節(jié)點的拓?fù)漕愋停瑯泳哂辛己玫陌l(fā)展前景。

1對Xenomai實時框架的分析

Xenomai類似于運行在雙內(nèi)核模式中的實時補丁。Xenomai實時內(nèi)核使用實時調(diào)度線程的調(diào)度策略，其線程調(diào)度和一般的線程調(diào)度是一樣的，在運行的實時系統(tǒng)中，只有Xenomai較高優(yōu)先級的線程才能優(yōu)先運行。Xenomai應(yīng)用程序可以運行在兩種模式：一是主模式，它由Xenomai內(nèi)核控制，并受益于硬實時調(diào)度延遲；二是二級模式，它是一個普通的Linux線程，也可以是任何Linux服務(wù)。

一個動態(tài)線程可能會改變服務(wù)模式，當(dāng)這個線程調(diào)用Xenomai實時服務(wù)并在二級模式運行時，會切換到主模式，當(dāng)它調(diào)用任何非實時Xenomai服務(wù)或任何Linux服務(wù)(包括異常，如頁面錯誤)并在初級模式運行時，就會切換到輔助模式。

在基于Adeos的系統(tǒng)中，存在多個域，每個域中運行著一個獨立的系統(tǒng)或功能模塊，可以有獨立的地址空間，在域的下一層中可通過虛擬中斷來切換到上層的各個域。Xenomai在Adeos系統(tǒng)中的域優(yōu)先級高于Linux域，因此當(dāng)中斷到來后，Adeos會優(yōu)先調(diào)度Xenomai對中斷進(jìn)行處理，并執(zhí)行中斷響應(yīng)的實時任務(wù)。圖1表示出了Xenomai、Linux與Adeos之間的關(guān)系。只有在Xenomai沒有實時任務(wù)或者實時處理時，Adeos才會調(diào)度Linux核運行，這樣能夠保證實時中斷響應(yīng)速度不會受到Linux系統(tǒng)的影響。Xenomai提供了許多類型的API，包括任務(wù)管理、內(nèi)存堆服務(wù)和信息管道服務(wù)等，可供用戶層進(jìn)行調(diào)用。

圖1　內(nèi)核調(diào)度結(jié)構(gòu)模型

2EtherCAT 協(xié)議主站的研究

Xenomai支持的Linux系統(tǒng)結(jié)構(gòu)可大體劃分為內(nèi)核空間和用戶空間兩部分。內(nèi)核空間來進(jìn)行進(jìn)程、存儲以及驅(qū)動等的管理；用戶空間則主要進(jìn)行應(yīng)用程序的運行，是通過接口(如字符設(shè)備等)進(jìn)行內(nèi)核空間的特定訪問。對于EtherCAT，內(nèi)核空間中要求必須包含有至少一個主站ec_master，其功能是對CoE、SoE、Eoe等協(xié)議進(jìn)行解析，對實時主站任務(wù)進(jìn)行調(diào)度以及為從站提供訪問接口等。

主站狀態(tài)可分為孤立狀態(tài)、空閑狀態(tài)和操作狀態(tài)。簡單來講，模塊加載后屬于孤立狀態(tài)，獲取可用設(shè)備之后，不斷請求總線狀態(tài)時屬于空閑狀態(tài)，之后應(yīng)用模塊提供總線配置，調(diào)用請求主站的程序從而使主站進(jìn)入操作狀態(tài)。主站狀態(tài)有主戰(zhàn)狀態(tài)機管理，主站狀態(tài)機能夠進(jìn)行總線監(jiān)控(包括重新配置總線等)、從站配置(即監(jiān)視從站的狀態(tài))和請求對從站寄存器進(jìn)行處理。

在使用EtherCAT通信協(xié)議時，最好是使用可與其相兼容的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，通用型以太網(wǎng)設(shè)備雖然也可用，但是需要調(diào)用內(nèi)核網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧，實時性相對弱些。對于EtherCAT的應(yīng)用，主要包括下面幾個流程：

① 總線配置，也叫主從站配置，進(jìn)行從站信息、PDO和SDO等的配置。

② 創(chuàng)建周期性任務(wù)，通過循環(huán)周期任務(wù)來保證交換數(shù)據(jù)的周期性。

③ 交換過程數(shù)據(jù)(PDO)，這是任務(wù)的主要功能，通過對數(shù)據(jù)域的讀寫來實現(xiàn)。

3Xenomai的移植

Xenomai提供了與Linux無縫結(jié)合的實時子系統(tǒng)，因此在移植時首先要將Xenomai作為目標(biāo)內(nèi)核的一部分進(jìn)行編譯。對于Xenomai版本信息，要求必須與Linux目標(biāo)內(nèi)核版本信息相匹配，否則編譯內(nèi)核時會出現(xiàn)錯誤。在Xenomai安裝包中，提供了一個有利于用戶安裝編譯的腳本文件scripts/prepare-kernel.sh，用戶通過它來將Xenomai作為內(nèi)核補丁安裝到將要進(jìn)行編譯的目標(biāo)內(nèi)核中。

腳本文件使用方法如下：

#./scripts/preparekernel.sh

-Linux=[adeos=][arch=]

其中，Linux 選項指定了目標(biāo)內(nèi)核源代碼的路徑；adeos 選項指定了與目標(biāo)內(nèi)核版本相匹配的Adeos補丁的路徑,但如果Adeos已經(jīng)安裝在目標(biāo)內(nèi)核中，這個參數(shù)選項將會被忽略；arch 選項給腳本文件指定了目標(biāo)板的結(jié)構(gòu),如果此選項沒有賦值，編譯系統(tǒng)將會檢測并推薦一個合理的默認(rèn)值。

安裝好實時補丁后，需要對Linux內(nèi)核選項進(jìn)行配置，用戶可以使用#make menuconfig命令進(jìn)行配置。可以看到內(nèi)核配置中會多出“Real-time sub-system”選項，這就說明標(biāo)準(zhǔn)Linux內(nèi)核已經(jīng)結(jié)合了實時系統(tǒng)內(nèi)核，將會與內(nèi)核一起被編譯，用戶可以在子選項中保留或刪除相應(yīng)的功能。

對實時系統(tǒng)來說，最為重要的是能夠在指定時間內(nèi)完成指定的功能并且對外部作出快速并正確的反應(yīng)，這就要求控制系統(tǒng)的任務(wù)響應(yīng)時間最短、響應(yīng)速度最快。因此，任務(wù)響應(yīng)時間是測試Xenomai安裝是否可靠的重要指標(biāo)。

Xenomai的安裝包中提供了可供實時性測試的案例，在其example的文件夾中可以找到。用戶可通過下列命令進(jìn)行Xenomai安裝正確性、中斷和延遲時間的測試：

dmesg | grepI-pipe (有輸出說明中斷管道正常)

dmesg | grep Xenomai (有輸出說明內(nèi)核加載并開啟了POSIX和RTDM服務(wù))

cd/usr/src/Xenomai-2.6.1/src/testsuite/latency/./latency -t0 -p 300 -T 180 -h -s(輸出時間可作為延遲時間的參考)

使用凌動工控板進(jìn)行測試，測試結(jié)果顯示，實時任務(wù)的平均延遲時間為11 μs左右，最大響應(yīng)延遲時間為100 μs左右，能夠保證系統(tǒng)實時性能。具體可參考圖2所示。

圖2　Xenomai 下的延遲時間測試

4Xenomai與EtherCAT的結(jié)合

Xenomai實行任務(wù)機制，通過創(chuàng)建優(yōu)先級分類的任務(wù)來實現(xiàn)任務(wù)調(diào)度，同時它也具有專門的任務(wù)優(yōu)先級設(shè)置功能。而EtherCAT的設(shè)計目的是支持標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)，并且能夠以最低的硬件成本在實時控制領(lǐng)域展開使用，具有更新周期短、穩(wěn)定性高的優(yōu)點。實現(xiàn)Xenomai與EtherCAT的通信，也可看成是在Xenomai中創(chuàng)建一個與EtherCAT相關(guān)的任務(wù)，并通過周期性地執(zhí)行任務(wù)來達(dá)到周期交互數(shù)據(jù)的目的。具體執(zhí)行過程如下：

首先，按照EtherCAT主站的工作原理，執(zhí)行請求主站、創(chuàng)建數(shù)據(jù)域、配置從站地址、配置從站PDOs同步、注冊PDOs列表入口以及激活主站、獲取數(shù)據(jù)域數(shù)據(jù)等一系列功能函數(shù)，使EtherCAT的主站處于激活狀態(tài)。部分代碼如下：

master = ecrt_request_master(0);

domain1 = ecrt_master_create_domain(master);

sc_elmo1=ecrt_master_slave_config(master, ELMO1Pos, Elmo_G_S12154014)

ecrt_slave_config_pdos(sc_elmo1,4,slave_0_sync)

ecrt_domain_reg_pdo_entry_list(domain1,domain1_regs)

ecrt_master_activate(master)

domain1_pd = ecrt_domain_data(domain1)

然后，通過Xenomai創(chuàng)建、啟動并執(zhí)行實時任務(wù)，完成EtherCAT主站與從站的循環(huán)命令交互。部分代碼如下：

ret = rt_task_create(ðercat_task, "my_task", 0, 90, T_FPU);

ret = rt_task_start(ðercat_task, &my_task_proc, NULL);

最后，當(dāng)實時任務(wù)結(jié)束時，需要執(zhí)行刪除任務(wù)以及釋放主站命令，從而達(dá)到釋放實時任務(wù)的目的。部分代碼如下：

rt_task_delete(ðercat_task);

ecrt_release_master(master);

Xenomai創(chuàng)建的任務(wù)是通過周期性定時中斷調(diào)用來完成的。周期任務(wù)主要用來發(fā)送主站命令和獲取從站信息，并對從站的相關(guān)信息進(jìn)行實時處理。

5實時系統(tǒng)下的伺服電機控制測試

測試對象是基于實時以太網(wǎng)EtherCAT協(xié)議的多軸運動控制系統(tǒng)。實驗設(shè)備主要采用凌動系列主板的工控機(此系列工控機具有低功耗的性能優(yōu)勢)，采用倍福公司的從站控制器 ET1100 實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)鏈路層并作為伺服驅(qū)動器，采用三菱交流伺服電機來連接從站控制器，使用RJ45網(wǎng)線若干進(jìn)行連接，實現(xiàn)具有 EtherCAT 從站功能的網(wǎng)絡(luò)運動控制系統(tǒng)。實驗平臺搭建如圖3所示。

圖3　伺服電機控制平臺搭建圖

本測試系統(tǒng)在Xenomai實時內(nèi)核下進(jìn)行EtherCAT協(xié)議通信，從而驅(qū)動電機運動,其間通過實時性與同步性來保證控制命令能夠被多個電機實時與同步接收。在進(jìn)行測試之前，最好先進(jìn)行Xenomai下的延遲時間測試，判斷控制系統(tǒng)的實時性是否達(dá)到要求，本控制測試系統(tǒng)的延遲時間測試結(jié)果如圖2所示，已經(jīng)達(dá)到可行性要求。實驗數(shù)據(jù)為實時系統(tǒng)下的伺服電機正弦運動時的數(shù)據(jù)，通過EASII軟件進(jìn)行采集，正弦運動曲線如圖4所示。詳細(xì)運動曲線圖如圖5所示。

圖4　實時系統(tǒng)下的伺服電機正弦運動曲線

圖5中橫坐標(biāo)為采樣時間，縱坐標(biāo)為采樣數(shù)據(jù)大小，曲線1為接收的命令曲線，曲線2為電機實際運動曲線，曲線3為處理后的命令曲線，曲線下面部分為選取的采樣點R1與R2的差值。通過圖4可以看出，電機的正弦運動是相當(dāng)平滑的。通過圖5可以看出，伺服電機控制的運動周期△T在1 ms以內(nèi)，處于可接受的范圍之內(nèi)，可以實現(xiàn)良好的實時效果。

圖5　實時系統(tǒng)下的伺服電機正弦運動詳細(xì)曲線

結(jié)語

Xenomai實時內(nèi)核具有良好的實時性框架，用戶可以在其內(nèi)部建立和運行各種實時性接口程序。通過Xenomai實時系統(tǒng)下的EtherCAT通信研究可知，實時控制系統(tǒng)能夠依賴Xenomai來保證系統(tǒng)的實時性與周期性，并通過EtherCAT來保證整個控制系統(tǒng)的周期同步性。該測試研究現(xiàn)已成功用于四軸伺服電機的同步控制。未來通過進(jìn)一步優(yōu)化控制系統(tǒng)，可以縮短任務(wù)周期，從而向有利于精度高、實時性好條件的控制方向發(fā)展，特別是針對伺服驅(qū)動運動系統(tǒng)的控制方向。

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吳清收(副教授)，從事機械、電子領(lǐng)域的教學(xué)與科研工作；俞雙懋 (研究生)，主要研究方向為微機監(jiān)測及智能儀器、電機控制。

(責(zé)任編輯：薛士然收修改稿日期：2015-12-04)

Servo Motor Control Method Based on EtherCAT in Real-time System

Wu Qingshou,Yu Shuangmao,Wang Nan

(College of Mechanical and Electronic Engineering,Shandong University of Science and Technology,Qingdao 266590,China)

Abstract：In the control and conmunication field of the real-time system,Xenomai and EtherCAT communication protocol have good prospects for development.In order to further improve the real-time performance of the industrial control system,the advantages of Xenomai and EtherCAT are comprehensively utilized in the paper.The EtherCAT communication is implemented under the Xenomai architecture,so as to shorten the period of motor control response further.In the end,the experiment results show that the architecture system has good real-time performance.

Key words:servo motor control;Xenomai;EtherCAT;real-time performance

中圖分類號:TP311.1

文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A