SimuLink Real Time的EtherCAT實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)研發(fā)

楊旭東，王 淞

（1.貴州大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，貴州 貴陽(yáng) 550025； 2.貴州大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，貴州 貴陽(yáng) 550025）

0 引 言

在工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域，伴隨著以太網(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn)化與完善，基于實(shí)時(shí)以太網(wǎng)的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)越來(lái)越受到人們的關(guān)注，尤其是基于EtherCAT（Ethernet for Control Automation Technology，EtherCAT）的控制技術(shù)，相比于傳統(tǒng)的以太網(wǎng)以及仿真電路，優(yōu)勢(shì)顯著：EtherCAT擁有較高的傳播速度，讀取一千個(gè)分布式數(shù)位輸入/輸出的程序資料只需30 μs；EtherCAT的同步時(shí)鐘機(jī)理可實(shí)現(xiàn)多軸的高度同步控制；EtherCAT的低開(kāi)發(fā)成本及高可靠性讓它在自動(dòng)化控制領(lǐng)域中具有較高的競(jìng)爭(zhēng)力[1]。

Matlab中的SimuLink Real-Time技術(shù)可以允許在SimuLink模型中創(chuàng)建實(shí)時(shí)應(yīng)用程序，并且能將程序下載到連接控制系統(tǒng)的專用目標(biāo)計(jì)算機(jī)上運(yùn)行。使用SimuLink Real Time可以使用驅(qū)動(dòng)程序塊擴(kuò)展SimuLink模型，自動(dòng)生成實(shí)時(shí)應(yīng)用程序。同時(shí)SimuLink Real-Time可以在配有實(shí)時(shí)內(nèi)核，多核CPU，I/O通信協(xié)議端口的專用目標(biāo)計(jì)算機(jī)上執(zhí)行交互式或自動(dòng)運(yùn)行控制程序。

在本次課題研究中，將EtherCAT的實(shí)時(shí)控制技術(shù)優(yōu)勢(shì)與SimuLink Real Time實(shí)時(shí)控制程序的創(chuàng)建進(jìn)行融合，形成一種基于SimuLink Real Time的EtherCAT實(shí)時(shí)控制技術(shù)。將該種控制技術(shù)與機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制進(jìn)行融合，形成了一種新的機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制。

1 EtherCAT實(shí)時(shí)通信模型結(jié)構(gòu)

EtherCAT實(shí)時(shí)通信模型主要由主站與從站，數(shù)據(jù)幀以及EtherCAT伺服控制器組成[2]，如圖1所示。首先主站將整個(gè)系統(tǒng)初始化，將要發(fā)送到從站的數(shù)據(jù)打包成一個(gè)數(shù)據(jù)幀，通過(guò)以太網(wǎng)傳遞到從站。當(dāng)數(shù)據(jù)幀通過(guò)各個(gè)從站節(jié)點(diǎn)時(shí)，從站通過(guò)PDO尋址方法提取屬于自己的數(shù)據(jù)，然后將要輸出的數(shù)據(jù)插入到數(shù)據(jù)幀中。當(dāng)最后一個(gè)從站節(jié)點(diǎn)接收到數(shù)據(jù)幀的數(shù)據(jù)并且插入輸出數(shù)據(jù)后，數(shù)據(jù)幀將返回主站。如此循環(huán)往復(fù)，完成主站與從站之間的數(shù)據(jù)傳輸。

圖1 EtherCAT 通信模型

2 搭建基于SimuLink Real Time的EtherCAT實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)

搭建基于SimuLink Real Time的EtherCAT實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)分兩部分進(jìn)行：第一部分為設(shè)置SimuLink Real Time運(yùn)行環(huán)境，在個(gè)人開(kāi)發(fā)計(jì)算機(jī)（Development Computer）與目標(biāo)計(jì)算機(jī)（Target Computers）之間建立網(wǎng)絡(luò)連接，設(shè)置應(yīng)用程序?qū)崟r(shí)運(yùn)行環(huán)境；第二部分為EtherCAT通信協(xié)議模型的建立。

在實(shí)驗(yàn)中，個(gè)人計(jì)算機(jī)用于應(yīng)用程序的開(kāi)發(fā)與編寫(xiě)，一臺(tái)工業(yè)電腦作為EtherCAT通信系統(tǒng)的主站，一個(gè)伺服驅(qū)動(dòng)器作為EtherCAT通信系統(tǒng)的從站。

2.1 SimuLink Real Time運(yùn)行環(huán)境設(shè)置

首先在Matlab的SimuLink Real-Time Explorer環(huán)境中建立一個(gè)TargetPC對(duì)象，對(duì)該對(duì)象的各個(gè)屬性進(jìn)行設(shè)置。設(shè)置內(nèi)容包括三個(gè)方面：開(kāi)發(fā)計(jì)算機(jī)與目標(biāo)計(jì)算機(jī)之間的通信協(xié)議（Host-to-Target communication）、目標(biāo)計(jì)算機(jī)的通信參數(shù)（Target settings）以及目標(biāo)計(jì)算機(jī)的開(kāi)機(jī)方法設(shè)置（Boot Configuration）。在目標(biāo)計(jì)算機(jī)的開(kāi)機(jī)配置中，建立一個(gè)可移動(dòng)磁盤(pán)開(kāi)機(jī)程序，并把設(shè)置的網(wǎng)絡(luò)參數(shù)以及開(kāi)機(jī)程序存儲(chǔ)在一個(gè)可移動(dòng)磁盤(pán)中，使用該可移動(dòng)磁盤(pán)啟動(dòng)目標(biāo)計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)即進(jìn)入實(shí)時(shí)控制運(yùn)行模式。

目標(biāo)計(jì)算機(jī)的啟動(dòng)程序建立好以后，在開(kāi)發(fā)計(jì)算機(jī)的SimuLink環(huán)境設(shè)置實(shí)時(shí)控制的運(yùn)行環(huán)境。首先在模型的數(shù)據(jù)輸出端添加一個(gè)SimuLink Real Time Scope模塊，并設(shè)置相應(yīng)的參數(shù)。其次在SimuLink的“Configurator Parameter”環(huán)境中，求解器選擇“Fixed-step”并且確定固定步長(zhǎng)的周期，在求解器solver列表中選擇“ode4 （Runge-Kutta）”。最后在代碼生成選項(xiàng)中，設(shè)置系統(tǒng)目標(biāo)文件（System Target File）為slrt.tlc格式。

完成各種參數(shù)設(shè)置后，將個(gè)人開(kāi)發(fā)計(jì)算機(jī)與目標(biāo)計(jì)算機(jī)之間建立實(shí)時(shí)連接。首先將開(kāi)發(fā)計(jì)算機(jī)與目標(biāo)計(jì)算機(jī)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)連接，設(shè)置好目標(biāo)計(jì)算機(jī)的網(wǎng)絡(luò)IP地址，以便開(kāi)發(fā)計(jì)算機(jī)訪問(wèn)。利用建立好的可移動(dòng)磁盤(pán)開(kāi)機(jī)程序打開(kāi)目標(biāo)計(jì)算機(jī)進(jìn)入Real Time Control環(huán)境。在開(kāi)發(fā)計(jì)算機(jī)中搭建實(shí)時(shí)控制SimuLink模型，啟動(dòng)代碼產(chǎn)生器（Code Generator），系統(tǒng)通過(guò)編譯將建立的SimuLink控制模型轉(zhuǎn)換成C語(yǔ)言代碼，將該C語(yǔ)言代碼通過(guò)Ethernet網(wǎng)絡(luò)下載到目標(biāo)計(jì)算機(jī)上運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)Real Time Control開(kāi)發(fā)計(jì)算機(jī)與目標(biāo)計(jì)算機(jī)的網(wǎng)絡(luò)連接。

2.2 建立EtherCAT通信系統(tǒng)模型

EtherCAT通信系統(tǒng)的詳細(xì)建模過(guò)程：首先在開(kāi)發(fā)計(jì)算機(jī)里預(yù)裝由BECKHOFF公司研發(fā)的TwinCAT2.0軟件，然后將與驅(qū)動(dòng)器相關(guān)的XML文件復(fù)制到TwinCAT軟件安裝包下與EtherCAT通信相關(guān)的子文件夾中。設(shè)置每個(gè)驅(qū)動(dòng)器的網(wǎng)絡(luò)IP地址，將驅(qū)動(dòng)器通過(guò)網(wǎng)線與開(kāi)發(fā)計(jì)算機(jī)連接，借助TwinCAT讀取驅(qū)動(dòng)器的信息，包括每個(gè)驅(qū)動(dòng)器的通信信息、IP地址、控制端口等。在TwinCAT的I/O通信接口環(huán)境中設(shè)置每個(gè)驅(qū)動(dòng)器的PDO通訊對(duì)象，數(shù)據(jù)采樣時(shí)間以及運(yùn)動(dòng)控制模式等參數(shù)。然后將設(shè)置好的參數(shù)存為一個(gè)ENI檔案，用于EtherCAT控制的后續(xù)操作。

在SimuLink的Real Time工具箱中有EtherCAT通信模塊，通過(guò)通信模塊搭建實(shí)驗(yàn)所需的通信模型。實(shí)驗(yàn)中搭建的EtherCAT實(shí)時(shí)通信模型如圖2所示。

通過(guò)圖2我們可以看到，整個(gè)通信模型由三部分組成：EtherCAT Init模塊利用TwinCAT2.0建立的ENI文件，將整個(gè)通信系統(tǒng)初始化，方便在SimuLink環(huán)境中搭建的通信模塊訪問(wèn)硬件控制系統(tǒng)。驅(qū)動(dòng)器的PDO對(duì)象是整個(gè)控制系統(tǒng)的核心。EtherCAT PDO Transmit模塊利用數(shù)據(jù)幀將系統(tǒng)的控制信息從主站發(fā)送到從站，而EtherCAT PDO Receive模塊則接收從站回饋的控制信號(hào)，利用以太網(wǎng)傳遞回主站，完成整個(gè)控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)的傳輸。

圖2 EtherCAT實(shí)時(shí)通信模塊

3 實(shí) 驗(yàn)

3.1 機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)在SimuLink環(huán)境中的建立

為了驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)中基于SimuLink Real Time的EtherCAT控制技術(shù)的實(shí)用性，實(shí)驗(yàn)中以二自由度并聯(lián)機(jī)器人為控制對(duì)象。為了對(duì)機(jī)器人進(jìn)行精確控制，首先對(duì)機(jī)器人進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，并設(shè)計(jì)了機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)軌跡產(chǎn)生器，再融合實(shí)驗(yàn)中設(shè)計(jì)的新型EtherCAT實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)，最終在主開(kāi)發(fā)計(jì)算機(jī)的SimuLink環(huán)境中搭建了圖3所示的機(jī)器人控制系統(tǒng)。

圖3 二自由度并聯(lián)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)

通過(guò)軌跡產(chǎn)生器產(chǎn)生一個(gè)機(jī)器人末端執(zhí)行器的運(yùn)動(dòng)軌跡，逆向運(yùn)動(dòng)學(xué)模型將運(yùn)動(dòng)軌跡實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)換成機(jī)器人機(jī)械臂的轉(zhuǎn)動(dòng)角度，通過(guò)我們建立的新型EtherCAT實(shí)時(shí)控制系將控制信息傳遞到伺服電機(jī)，由電機(jī)帶動(dòng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)。機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)通過(guò)傳感器利用EtherCAT通信模塊傳遞到主站，回饋到系統(tǒng)中進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)，便于系統(tǒng)下一步控制。

3.2 機(jī)器人硬件控制平臺(tái)搭建

在機(jī)器人硬件控制平臺(tái)搭建過(guò)程中，個(gè)人計(jì)算機(jī)作為主開(kāi)發(fā)計(jì)算機(jī)，負(fù)責(zé)控制模型的搭建以及程序編寫(xiě)。控制器采用臺(tái)灣研華公司設(shè)計(jì)的無(wú)風(fēng)扇工業(yè)計(jì)算機(jī)UNO-2178A主控制器，主要負(fù)責(zé)軌跡運(yùn)算，Robot正逆運(yùn)動(dòng)學(xué)計(jì)算，并作為EtherCAT實(shí)時(shí)通信的主站，負(fù)責(zé)向從站發(fā)送控制信息并接收從站反饋回來(lái)的狀態(tài)信息。驅(qū)動(dòng)器采用以色列Elmo公司研發(fā)的Gold Solo Whistle2.5/100EE伺服控制器。在整個(gè)控制系統(tǒng)中，Gold Solo Whistle驅(qū)動(dòng)器除驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)行外，還將作為EtherCAT實(shí)時(shí)通信的從站，負(fù)責(zé)接收主站通過(guò)Ethernet傳遞來(lái)的通信信息，并將電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)傳回主站控制器。機(jī)械臂采用由3D打印技術(shù)打印出來(lái)的實(shí)體模型。

個(gè)人開(kāi)發(fā)計(jì)算機(jī)與控制器之間，控制器與驅(qū)動(dòng)器之間以及驅(qū)動(dòng)器之間均通過(guò)網(wǎng)絡(luò)線建立聯(lián)系，形成機(jī)器人實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)控制的硬件系統(tǒng)。硬件控制系統(tǒng)的連接原理如圖4所示，實(shí)際實(shí)驗(yàn)控制平臺(tái)如圖5所示。

圖 4 D2 Delta Robot運(yùn)動(dòng)控制硬件系統(tǒng)

圖5 D2 Delta Robot控制實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

3.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

為測(cè)試實(shí)驗(yàn)中設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)的性能，設(shè)定機(jī)器人末端執(zhí)行器的位置從坐標(biāo)（0，132.7）運(yùn)動(dòng)到（-30，-150），后再運(yùn)動(dòng)到（0，-100），并在該坐標(biāo)停留1 s后運(yùn)動(dòng)到（30，-150），最后回到原點(diǎn)（0，-132.7），所有點(diǎn)到點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)時(shí)間為0.25 s。通過(guò)實(shí)際測(cè)試，最終機(jī)器人在X軸方向的運(yùn)動(dòng)參數(shù)如圖6～8所示。通過(guò)圖中的各項(xiàng)運(yùn)動(dòng)參數(shù)可得出，機(jī)器人的實(shí)際輸出運(yùn)動(dòng)參數(shù)與輸入的參數(shù)基本一致，達(dá)到了實(shí)驗(yàn)的預(yù)期效果，驗(yàn)證了基于SimuLink Real Time的EtherCAT機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)的可行性。

4 結(jié) 語(yǔ)

實(shí)驗(yàn)中將EtherCAT控制技術(shù)與SimuLink Real Time實(shí)時(shí)控制技術(shù)進(jìn)行融合，在Matlab SimuLink環(huán)境中設(shè)計(jì)了一種基于SimuLink Real Time的EtherCAT實(shí)時(shí)控制技術(shù)。使用該技術(shù)控制機(jī)器人運(yùn)動(dòng)，最終通過(guò)實(shí)驗(yàn)證實(shí)了這種新控制技術(shù)的實(shí)用性。

圖6 X軸位移軌跡實(shí)際軌跡與命令軌跡比較

圖7 X軸速度軌跡實(shí)際值與命令值比較

圖8 X軸加速度軌跡實(shí)際值與命令值比較

本次實(shí)驗(yàn)所設(shè)計(jì)的新型EtherCAT實(shí)時(shí)控制技術(shù)打破了傳統(tǒng)限制，在Matlab的SimuLink環(huán)境中搭建控制模型，利用SimuLink Real Time實(shí)時(shí)控制技術(shù)結(jié)合EtherCAT通信技術(shù)控制機(jī)器人。這種控制方法的優(yōu)勢(shì)在于：

（1）在機(jī)器人控制過(guò)程中無(wú)需編寫(xiě)繁雜的程序代碼，在SimuLink中通過(guò)搭建各個(gè)控制模塊，然后將控制模塊轉(zhuǎn)換成C語(yǔ)言程序下載到控制器中，就可以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制。

（2）與傳統(tǒng)的EtherCAT控制技術(shù)相比，本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的基于SimuLink Real Time的EtherCAT實(shí)時(shí)控制技術(shù)元需專用的伺服設(shè)備來(lái)控制，使用一般的伺服驅(qū)動(dòng)器即可實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制，提高了EtherCAT實(shí)時(shí)控制技術(shù)的適應(yīng)性與便捷性。

參考考文

[1] SUNG M， KIM K， JIN H W， et al. An EtherCAT-based motor drive for high precision motion systems[C]//Industrial Informatics（INDIN）， 2011 9th IEEE International Conference on. IEEE，2011： 163-168.

[2] MA J， XING B， CHEN S. Multi-DOF Motion Control System Design and Realization Based on EtherCAT[C]//Instrumentation &Measurement， Computer， Communication and Control （IMCCC），2016 Sixth International Conference on. IEEE， 2016： 727-732.

[3] DELGADO R， KIM S Y， YOU B J， et al. An EtherCAT-based real-time motion control system in mobile robot application[C]//Ubiquitous Robots and Ambient Intelligence （URAI）， 2016 13th International Conference on. IEEE， 2016： 710-715.

[4] ROSTAN M， CANopen over EtherCAT–taking a CAN technology to the next level[C]//Proc. IEEE Int. Conf Comm. 2005.

[5] Gold Line EtherCAT Application Manual[Z].2012

[6] PARK S M， KIM H， KIM H W， et al. Synchronization Improvement of Distributed Clocks in EtherCAT Networks[J]. IEEE Communications Letters， 2017（99）：1.

[7]LIU X， MIN H， CHEN Y D， et al. Design of industrial robot controller based on ethercat[J]. Computer Engineering， 2012， 38（11）： 290-293

[8] FENG T， LI Q， REN G， et al. The implementation of distributed high-speed high-accuracy data acquisition system based on EtherCAT[C]//Industrial Electronics and Applications （ICIEA），2013 8th IEEE Conference on. IEEE， 2013： 1649-1653.

[9] KANG C， PANG Y， MA C， et al. Design of EtherCAT slave module[C]//Mechatronics and Automation （ICMA）， 2011 International Conference on. IEEE， 2011： 1600-1604.

[10] GAO N N， WANG D Q， DING M W， et al. Control System Design and Trajectory Planning for SCARA Robots[J]. Applied Mechanics& Materials， 2014， 602-605：1001-1005.