基于EtherCAT總線伺服在機器人上的應用研究

陳永生 王靜 高茜

摘? 要：文章就歐瑞傳動的EtherCAT總線伺服在六關節機器人上的使用進行了探討及分析，與脈沖式伺服驅動器相比，總線伺服應用于六關節機器人上接線簡單、抗干擾能力更強、調試方便、具備高速數據采集等優點，并簡化了操作，提高可行性和易用性，實現了機器人上更優化解決方案，使機器人控制性能進一步得到提高。

關鍵詞：歐瑞傳動;EtherCAT總線;伺服驅動器;機器人

中圖分類號：TP242? ? ? ? ?文獻標志碼：A? ? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2019）11-0167-02

Abstract： In this paper， the application of EtherCAT bus servo driven by Ori in six-joint robot is discussed and analyzed. Compared with pulse servo driver， the bus servo being applied to the six-joint robot has the advantages of simple connection， stronger anti-interference ability， convenient debugging， high-speed data acquisition， etc.， and simplifies the operation， improves the feasibility and ease of use， and realizes the more optimized solution on the robot. The control performance of the robot is further improved.

Keywords： Ori drive; EtherCAT bus; servo driver; robot

前言

焊接隨著工業4.0的到來以及機器人行業的發展，傳統的脈沖模式控制存在著很大程度上對機器人性能的制約，高速工業現場總線成為機器人主力發展方向，無論作為機器人三大核心部件的伺服或是控制系統都提供了更加可靠、高效的總線解決方案，且易于與現場其它設備組網，為實現自動化流水線及建立智能工廠提供了基礎。

EtherCAT（Ethernet for Control Automation Technology）是一種基于以太網開發的構架的實時工業現場總線通訊協議， EtherCAT的出現為系統的實時性能和拓撲的靈活性樹立了新的標準。

1 系統方案

1.1 產品簡介

SD20-E系列產品，是當今性能較高的伺服驅動裝置，它屬于典型的總線型，從目前來看，基本上在諸多領域都可以得到影響，而且它擁有豐富的功能，譬如多段位、全閉環、中斷定長等。正是其具有豐富之功能，使之可以很好的滿足用戶的多元化需求。在某些專用場合，此系列產品，基本上集成了相應的PLC功能，相關客戶，借助于代碼，可以對其進行簡單的編程，這樣就能更好的實現現場管控。它內置兩種總線，如EtherCAT與CANopen，這使之可以更好的應用諸多工業領域 [1]。具有如下特點：

第一，采用了內置總線技術，使之應用更為便捷。

第二，運行速度更快。該裝置以轉矩前饋作為基礎，來實現相應的高響應控制。

第三，便捷特性。相關的操作十分簡單，而且焊接線也頗為簡單，使用快捷的DB系列插頭。

第四，智能化。使用簡單，可以支持慣量學習，再結合相關的濾波裝置，可以使得性能變得更為優秀，而且還能結合差異性的場合，借助于更改指令來源，來對用戶進行相應的調試。

第五，豐富的功能。配置專用上位機系統，同時還集成了建議的PLC裝置，這些都使得操作與調試變得更為快捷，而它的指令頻率可以達到4兆赫，同時還配置了高速DI通道，支持上述提出的兩種總線，另外還可以使用多種類型的編碼裝置。

第六，實用性。該裝置可以提供全閉環管控，驅動裝置合適的環境更為廣泛，能夠支持多段位控制，在線轉動慣量識別、振動控制，電池欠壓保護、機械原點檢測等等。

1.2 SD20-E系列伺服驅動器使用優勢

SD20-E系列伺服驅動器支持EtherCAT通訊和串口通訊，其中EtherCAT支持CoE協議，CoE是基于EtherCAT 的CAN應用協議。

該裝置EtherCAT總線主要特點為：

（1）適用性，只要配置了以太網控制裝置，那么相應的控制單元，就能夠充當該總線的主站。

（2）符合以太網標準，分析該總線的幀結構，可以得知它運用的是以太網幀，也就是IEEE802.3，傳輸速率可達 2×100M bit/s。

（3）可以提供多種的拓撲結構，譬如星型、線型等。

（4）整體效率頗高，能夠對以太網帶寬進行很好利用，并有助于數據傳輸，提高工作效率。

（5）具有較佳的性能，而且整體的同步時鐘，得到很好的校準，因此能夠實現諸多從站，低于1微秒差異的同步。

1.3 系統連接流程

歐瑞EtherCAT總線伺服配置文件和上位機系統做匹配，該控制裝置，在機器人領域應用頗廣，譬如節點通訊、關節電機管控、傳感裝置信息采集等。而該裝置的通信功能，主要是借助于EtherCAT協議來實現，從而使得諸多模塊實現通訊與信息交互，這樣，就有助于伺服節點的拓展，同時也方便硬件系統的設計。具體參考圖1配置流程。

1.4 系統調試流程

（1）總線與上位機匹配通過以太網控制器主站設置與SD20-E系列驅動器從站建立系統匹配。

（2）連接主電源線、通訊線纜，伺服編碼器線、電機線

給SD20-E伺服驅動器L1、L2、L3、電源接線端子接入電源，通過以太網通訊線纜給以太網控制器主站和SD20-E伺服驅動器從站連線，通過編碼器線纜和電機動力線給SD20-E伺服驅動器和伺服電機連線。務必保證控制系統、電機等的抱閘接線與伺服驅動器連接正確[2]。

（3）設置伺服控制模式為總線控制模式及通訊讀寫運行參數等設置SD20-E伺服驅動器控制模式為總線模式建立通訊，主要參數Po001： d? 1? 21;Po423：d? 1。

（4）學習慣量，調整剛性等優化伺服對機器人的控制性能減速時間，避免過短的加速時間引起的機械沖擊和抖動，根據機器人系統的需要正確選擇脈沖當量，設定驅動器的電子齒輪比，電子齒輪的設定應滿足加工精度的要求。

2 伺服接線系統

2.1 伺服主電源接線圖

對于該伺服控制裝置而言，它是機器人控制總線的重要構成，以EtherCAT為基礎的機器人總線，需要相應的伺服系統，也要與該總線協議進行兼容。為了解決這個問題，歐瑞成功以EtherCAT總線為基礎，開發了相應的伺服系統，可用于機器人關節控制和傳感器控制。如圖2所示，展示了相關伺服驅動裝置的接線電路。

2.2 參數設定

3 結束語

歐瑞SD20-E伺服是基于脈沖型伺服基礎上研發的支持工業現場總線的高性能產品，秉承了歐瑞對產品高質量、嚴苛的品質要求，為迎接工業4.0智能制造時代的到來提供了強大的基礎。

參考文獻：

[1]謝香林.EtherCAT網絡及其伺服運動控制系統研究[D].大連理工大學，2008：22-23.

[2]楊斌，蘇劍波.仿人機器人的分布式控制系統設計[J].控制工程，2010（18）：38-39.