基于EtherCAT實時通信的電機驅動控制系統

龐廣富

（廣西工業職業技術學院 廣西南寧 530001）

要想保證電機之間的同步準確性，對控制系統的實時性和同步性要求非常高，控制方式要更加靈活。傳統的現場總線具有一定的局限性，通信的帶寬較低，并且是串口通信，會給數據傳輸帶來一定的延遲，因此傳統的現場總線技術在工業自動化的快速發展的背景下已經無法滿足控制領域的要求。工業以太網傳輸速度快，性價比較高，是當前工業現場總線技術的重要發展方向，以德國公司BECKHOFF公司開發的EtherCAT實時工業以太網為主要發展潮流，因其具有較高的實時性與同步精度的功能，能夠更好地對電機驅動控制系統進行同步，對EtherCAT技術進行深入的研究，并將其應用到電機驅動控制系統中具有較強的研究價值。

一、實時工業以太網EtherCAT技術

（一）EtherCAT通信原理

EtherCAT系統一般采用主從式通信的結構方式進行搭建，進行數據通行時，都是通過主站進行發起，利用以太網的通信技術進行報文的發出和數據的返回，這種數據通信的方式能夠有效地避免數據在傳輸過程中產生沖突，能夠提高數據通信的穩定性。網絡在進行數據通信時會分成幾個步驟進行：（1）主站發出報文；（2）從站接收主站發出的報文進行解析，然后尋找到與自身相關聯的數據，根據相關的命令從報文中將數據進行抽取，然后將信息轉導下一個報文中，以此重復，直到完成數據通信的整個過程為止；（3）報文經過所有的從站之后，在到達最后的從站之前，會對數據進行處理，然后這個主站的下行報文會從各個從站進行轉發，主站接到返回的報文之后并對數據進行相應的處理。

在整個傳輸的過程中需要特別注意，從站對報文進行處理時有專門的硬件，有傳輸延遲但是只有幾百納秒而已。

（二）EtherCAT組成

1.主站結構

以太網控制器的作用主要對EtherCAT主站在硬件上的功能進行控制，通過以太網控制器完成相應的功能。

其中，物理層中有一個MII接口，主要的功能就是與上層的數據進行交互，與傳輸介質沒有太大的關聯，能夠隔離物理層與以太網數據鏈路層，從而讓以太網能夠更加順利的選擇傳輸介質；隔離變壓器主要是隔離信號之間的干擾，以提高信號的穩定性與可靠性。

2.從站結構

EtherCAT從站中有物理層器件、從站控制微處理器、從站控制器以及其他的應用層器件組成。

從站的物理層接口的類型有EBUS和MII兩種，EBUS需要借助低壓差分信號進行定義，在傳輸的時候容易受到距離的限制；MII接口的延遲約為500ns，與外接隔離變壓器相連；從站控制器ESC主要是對EtherCAT進行數據幀的處理，并與主站進行數據交互；其他相應的應用層器件會與從站控制微處理器進行連接，從而實現不同的任務需求。

3.拓撲結構

根據EtherCAT的通信原理可知，所搭建的網絡是從主站發出的數據，最后又回到主站的環形結構，而且數據回環ESC的機制，可由多個端口的相互連接形成多種分支結構。因此，EtherCAT的拓撲結構這種包含了很多中組合形式，極大地優化了設備的接線方式，在設計網絡系統時會更加方便靈活。如果網絡系統較為龐大，線路上一般都會掛接很多個從站，如果線路的中間發生了故障，將會對故障點后的所有從站都會造成相應的影響。EtherCAT的拓撲結構中支持多種冗余技術，可以起到更好的解決效果。EtherCAT網絡的冗余方案，主要是將系統中的最后一個從站連接到主站的端口，將其形成一個具有雙邏輯環的網絡結構，這樣當網絡發生故障后，只需要利用從站的ESC的回傳機制與以太網的全雙工特性，就可以實現數據的回傳，從而保證主從站之間的可靠通信。

二、電機驅動控制系統

（一）電機驅動控制系統方案設計

通過分析EtherCAT的原理，能夠得到EtherCAT具有良好的實時性與高同步精度，能夠更好地應用在伺服的控制系統中。因此，對電機驅動控制系統進行方案設計非常有必要。

基于EtherCAT實時通信的電機驅動控制系統。

工控機（EtherCAT主站）接受位置與速度等信息，并進行相應的閉環與計算，然后將電流與轉矩傳到從站中；伺服驅動器（EtherCAT從站）主要接收來自編碼器中的參數信息，然后與主站進行數據交互，然后將相應的數據通過EtherCAT傳到主站，驅動伺服電機；EtherCAT總線會連接主控機（EtherCAT主站）與伺服驅動器（EtherCAT從站），將其作為數據通道進行數據的傳輸；編碼器能夠周期并快速地采集電機的位置以及速度參數，并將信息反饋到伺服驅動器中，讓主站進行數據的讀取；伺服電機采用的是矢量控制的方式，對伺服驅動器進行控制以實現軸系的運轉功能。

基于EtherCAT實時通信的電機驅動控制系統采用的是三閉環控制模式，其中伺服驅動器只能進行電流閉環的運算；速度與位置等需要在工控機（EtherCAT主站）進行實現。這樣的運行方式更加有利于編寫復雜的算法，有較高的靈活度。

（二）工控機（EtherCAT主站）

使用KingStarMotion軟件進行主站的配置以實現相應的功能。

1.搭建實時子系統RTSS

Windows是非實時性的操作系統，無法滿足EtherCAT的高實時性要求。因此，要想滿足電機驅動控制系統實時性的要求，需要將Windows轉換成實時性的操作系統方可。使用RTX軟件將HAL構建成實時的子系統RTSS，隔斷Windows和RTX之間的傳輸，通過獨立的RTSS調度器提高實時性的功能。

2.EtherCAT主站代碼的二次開發

主站代碼的二次開發主要是采用KingStarMotion軟件進行實現，通過動態和靜態鏈接庫的方式進行開發，設置主站的參數，便于二次程序的開發與應用，同時該軟件還支持CoE協議，能夠更好地控制伺服驅動器。良好的編程環境更加有利于程序的編寫，EtherCAT主站在RTSS系統的支持下能夠保證通信的實時性。

3.編寫電機實時控制程序

基于EtherCAT實時通信的電機驅動控制系統在RTSS下，利用高精度實時器實現閉環控制運算，保證數據的準確性。EtherCAT主站與從站要遵循一定的循環周期進行通信，每一個周期會接受并處理從站中反饋的數據，以實現閉環運算，計算過后會向從站發送相應的控制命令。電機實施控制程序會與伺服驅動器進行交互，從而完成伺服電機的運行。

4.人機交互界面設計

為了方便系統進行參數的測試，可以利用MFC進行程序的編寫，通過進程間通信能夠實現與電機實時控制程序的交互，從而完成相關參數的設定。在Windows系統的狀態下與RESS實時程序進行數據通信，對于內存之間的通信可以引入同步事件的方式減少延遲。

（三）伺服驅動器（EtherCAT從站）

主從站架構的設計分別由工控機與伺服驅動器組成，本系統采用的伺服驅動器從站使用的是AxN型的驅動器，該驅動器集成了ESC與微處理器，同時還支持CoE協議，能夠實現主站通行的功能。支持100Base-TX協議，接口為RJ45，位置傳感器還支持多種類型的編碼器，并配備相應的編程軟件。AxN驅動器在驅動交流電機中運行時能夠完成電流閉環的運算，同時還支持多種運行模式，功能較為完整。EtherCAT從站配置只需要打開EtherCAT接口并設置相關的電機參數即可連接主站，實現主站與從站之間的通信功能。

三、實驗測試與分析

（一）平臺搭建

搭建電機驅動控制實驗平臺，主站操作系統為Windows7，工控機為多核雙網口，由Beckhoff提供，并安裝主站測試軟件，為該平臺至少分配一個RTSS處理器，并為其配置實時網口；從站采用AxN驅動器，并集成相關的芯片與接口，簡單地進行EtherCAT配置即可；同步電機中設置額定扭矩、額定轉速、額定電流等參數；編碼器采用具有較高位分辨率的ECA4000編碼器，通過接口配置相應的軟接線，以實現與伺服驅動器的連接。

工控機主要是通過網線與伺服驅動器進行連接的，通過實時網口發送相應的控制命令，將控制命令傳送給驅動器，通過驅動器對電機進行控制。在可視化界面中編寫程序，對相關參數進行設置，并保存數據。可視化界面程序中的EtherCAT、伺服控制器能夠完成相應的參數功能，伺服控制模塊可以對實驗的數據進行保存。

（二）速度與位置的閉環測試

速度閉環控制測試實驗中，在主站完成速度閉環運算，采用PI控制器完成速度調節的功能。其中給定電機的速度為1°，單位“s”，橫坐標和縱坐標分別表示為時間和速度，對數據進行分析可以得到，當給定電機的速度為1°/s時，RMS為0.0037°/s，跟蹤誤差越小也能夠滿足其跟蹤功能。

位置閉環控制測試實驗中，主站會完成相應的閉環運算，速度與位置調節器均會采用PI控制器進行運算。當位置的定點跟蹤頂點為1°時，橫坐標與縱坐標分別表示時間與位置，縱坐標單位為“″”，當位置的定點跟蹤在1°時，RMS為0.13″，說明位置定點的跟蹤精度較好。

四、結束語

本文重點根據EtherCAT技術對電機驅動控制系統進行了設計，對EtherCAT的工作原理進行了分析，并使用KingStarMotion軟件配置了EtherCAT主站，將工控機配置成EtherCAT主站，并為其編寫了相應的界面程序，為其搭建了實驗平臺，隨后使用該平臺對系統進行了位置與速度的閉環實驗。通過實驗證明，電機驅動控制系統的可靠性越高說明精度越好，越能夠滿足先相關的性能要求。