基于LAN9252的EtherCAT伺服從站設計

劉 凱,陳 奇,蔡寶玉,劉豪志,王 歡

(1.南京航空航天大學機電學院, 江蘇 南京 210016;2.江蘇泰源數控機床有限公司, 江蘇 泰州 225400)

0 引言

隨著工業自動化的發展，多軸系統的應用更加廣泛，例如精密加工、高精度機器人、高精度3D打印等[1-5]。伺服驅動器的精度和多軸的同步直接影響著運動控制的精度，因此有必要設計具有同步性能的伺服驅動器。Koren等[6]提出交叉耦合控制策略，并用于兩軸平臺中，利用兩軸輸出誤差對兩軸進行輸入補償。何偉成等[7]提出一種模糊補償相鄰耦合多軸控制，解決了存在大量軸控制的情況下，控制器的計算超載的問題。袁磊等[8]設計了虛擬主軸法，并在此基礎上從負載入手，提出加權耦合的誤差補償，并在雙電機系統中進行了試驗驗證，結果表明能夠快速實現同步誤差補償。Gao等[9]提出將Mechatrolink-II總線應用在多軸嵌入式數控系統中，以解決伺服通信傳輸的瓶頸和多軸同步問題，并驗證其性能。Sato等[10]提出了一種可以補償伺服延遲的前饋控制器，通過多軸加工的仿真，驗證該方法在包括旋轉軸的多軸同步運動中的有效性。

本文設計了一種基于EtherCAT協議，采用同步時鐘特性來進行多軸同步的高性能伺服驅動從站。該伺服驅動從站包括軟硬件方案設計及實現，軟件部分主要是從站內部數據交換、通信，以及從站驅動程序設計，硬件部分主要包括各種外圍電路的設計與實現，最后采用兩軸平臺測試伺服驅動器的同步信號以及同步性能。

1 EtherCAT伺服從站方案設計

1.1 EtherCAT伺服從站硬件方案

EtherCAT伺服從站硬件結構如圖1所示，伺服從站硬件結構分為控制器接口和微處理器接口。控制器處理協議鏈路層的工作，微處理器處理上層應用層工作。

圖1 EtherCAT伺服從站硬件結構

EtherCAT伺服從站控制器有3個主要接口，通過RJ45與主站或者是其他從站相連，構成不同的拓撲結構，也是通過網線進行數據傳輸的硬件接口；通過EEPROM存儲從站設備文件信息，主站從中讀取從站信息，識別并設置從站；通過PDI(物理數據接口)與微處理器進行數據交換。EtherCAT伺服從站的從站驅動程序、伺服電機驅動程序等主程序由微處理器進行處理，對接收來自控制器的數據進行計算并執行后續操作。

1.2 EtherCAT伺服從站軟件方案

EtherCAT伺服從站軟件方案如圖2所示，主要包括：伺服從站通信設計、從站驅動程序以及運動控制模式設計。

其中，物理數據接口由并行數據總線和中斷信號組成。LAN9252控制器和STM32微處理器之間通過并行總線高效傳輸數據，同時設計由LAN9252產生同步信號，并發給STM32作為伺服同步的中斷信號。通信設計也包括主從站的數據同步以及從站的周期性運行模式。從站驅動程序包括軟硬件的初始化、從站狀態機狀態轉變、周期性任務處理等。伺服控制模式設計為電機的運動模式，有輪廓位置模式和周期性同步位置模式。

圖2 EtherCAT伺服從站軟件方案

2 EtherCAT伺服硬件方案實現

微處理器選擇STM32F407ZGT6，其軟硬件資源豐富，帶有1個FSMC接口，滿足數據傳輸設計要求。

2.1 物理數據接口

物理數據接口由并行數據總線和中斷信號組成，并行數據總線負責從站控制器和微處理器之間的數據傳輸，而中斷信號負責伺服從站的同步信號。以D0～D15作為16位并行數據總線，分配C0、C1、C3作為IRQ、SYNC0和SYNC1中斷信號。

2.2 供電電路

本伺服驅動設計以24 V直流電壓作為輸入電源，通過LM2596-ADJ芯片輸出15 V轉供給驅動橋，如圖3所示。

圖3 供電電路

同時，15 V電壓經過MP2359芯片獲取5 V電壓供編碼器，再經過ASM117轉3.3 V電壓供處理器、控制器和網口。

2.3 驅動電路

驅動電路如圖4所示，采用的是IR2101S芯片，PIN2(HIN)和PIN3(LIN)接收處理器的PWM波，然后經過VS和LO輸出給負載，同時檢測相電流。

圖4 驅動電路

2.4 伺服從站電路板

經過理論設計以及PCB的繪制和布局，EtherCAT伺服驅動電路板如圖5所示。

圖5 EtherCAT伺服驅動電路板

3 EtherCAT伺服軟件方案實現

通常情況伺服采用自由模式、同步模式2種模式，但是同步是伺服追求的目標，在此較詳細地介紹同步模式。伺服從站同步運行模式設計為2種方式：同步于輸入輸出事件；同步于同步時鐘信號。同步于輸入輸出事件根據主站發送報文的周期，當從站被輸入輸出事件觸發時，從站微處理器開始處理來自控制器的數據，而同步于同步時鐘信號是根據從站控制器產生的中斷同步信號，在中斷程序中處理數據。如圖6a和圖6b所示，T1表示處理器從控制器中讀取數據并計算的時間；T2是硬件延時；T3是輸入鎖存。

圖6 EtherCAT從站同步模式方式

為了對運行模式的同步性進行優化，在同步信號SYNC到來之前，先將控制器中的數據傳輸到處理器中，當SYNC同步信號產生時，直接進行后續特定的工控工作，如圖6c所示。

驅動程序主要包括4個任務：硬件初始化以及其他變量和結構體的初始化、完成從站狀態的轉化以及通信的啟停、周期性或者非周期性的數據處理、以及將數據計算并做控制任務。同步模式下，中斷服務流程如圖7所示。

圖7 同步中斷服務程序流程

設計如圖8所示用于高精度場合的同步位置控制模式，此控制模式的特點在于，將電機的軌跡規劃放在上位機，而不是驅動器內，減輕伺服驅動器的負擔，周期性讀取上位機規劃好的位置，DC作為同步時鐘提高了系統的運算能力和處理速度。

圖8 周期性同步位置模式控制

4 伺服從站試驗驗證與分析

本測試環境將自行設計的伺服從站模塊與其他輸入輸出模塊連接構成完成的網絡拓撲結構，如圖9所示。

圖9 伺服控制平臺

4.1 兩軸同步性測試

如圖10所示，伺服驅動在0號位和5號位，傳輸延時是2 440 ns。2個伺服驅動經過SYNC同步信號同步得到的同步結果如圖11所示。

圖10 試驗拓撲結構

圖11 同步測試結果

由圖11可知，同步信號正峰值為26.999 ns，負峰值為62.617 ns，平均同步誤差值為15.308 ns，相較于兩軸之間2 440.000 ns的延時，已得到良好的同步效果。

4.2 兩軸周期性同步位置模式測試

在上述拓撲結構下，對兩軸進行周期性同步位置模式的運動控制，設定相同的控制目標，獲取兩軸的往復運動的實際位置如圖12所示。

圖12 兩軸CSP模式實際位置

由圖12可知，兩軸的實際位置曲線幾乎無差，同步效果較好。

5 結束語

本文設計并實現了LAN9252和STM32的EtherCAT伺服從站，完成了伺服從站的硬件設計以及軟件驅動程序和通信設計。搭建了試驗平臺，并進行了相關試驗驗證，結果表明，本文設計的伺服驅動從站能通過SYNC同步信號進行軸同步，且具有良好的同步性。