基于EtherCAT協議的從站運動控制系統設計

薛迪杰 忽曉偉 刁夢夢

摘? 要：針對工業運動控制系統中，傳統的現場總線技術實時性差、容量小等缺點，研究了運動控制系統特點，并將EtherCAT通信技術引入其中，利用STM32F427主控芯片、AX58100從站控制器和JY02電機驅動芯片，開發了EtherCAT從站運動控制器的硬件。實驗表明，開發的從站控制系統和主站TwinCAT 3通信完全兼容，通信速度和可靠性較傳統總線通信技術大幅度提高，可以更好地滿足智能化和柔性生產的發展需求。

關鍵詞：EtherCAT協議；TwinCAT 3；運動控制系統；工業通信系統

中圖分類號：TP273? 文獻標識碼：A? 文章編號：2096-4706（2023）04-0064-04

Design of a Slave Motion Control System Based on EtherCAT Protocol

XUE Dijie， HU Xiaowei， DIAO Mengmeng

（School of Electronics and Information Engineering， SIAS University， Zhengzhou? 451150， China）

Abstract： Aiming at the shortcomings of the traditional field bus technology in industrial motion control systems， such as poor real-time performance and small capacity， the characteristics of the motion control system are studied and EtherCAT communication technology is introduced into industrial motion control systems. The hardware of the EtherCAT slave motion controller is developed using STM32F427 master controller chip， AX58100 slave controller and JY02 motor driver chip. The experimental results show that the developed slave control system is fully compatible with the master TwinCAT 3 communication， and the communication speed and reliability are greatly improved compared with the traditional bus communication technology， which can better meet the development needs of intelligent and flexible production.

Keywords： EtherCAT protocol; TwinCAT 3; motion control system; industrial communication system

0? 引? 言

近年來，各國都興起了制造業的技術變革。一個國家的制造業技術水平與國家的經濟發展息息相關，制造業就是國家經濟的命脈，強大的制造業技術可以帶動國內經濟的高速發展。因此，發展制造業技術具有重要實際意義。為了推動我國制造業技術的發展，國家機關部門提出了“中國制造2025”的技術發展目標，為發展高集成化、柔性化、網絡化的制造業提供了有力的保障[1]。運動控制系統是制造業技術的核心，制造業的智能化發展，要求其中的運動控制系統必須網絡化、模塊化。傳統的運動控制系統往往比較局限，并且在運動控制精度及自動化程度方面比較落后。隨著計算機測控技術的發展，運動控制系統正向開放的體系結構發展，但在網絡實時性方面，運動控制系統仍存在一定短板。傳統的現場總線技術通信速率低，兼容性差。而實時工業以太網技術則完全克服了傳統現場總線的缺點，正逐步取代現場總線技術并應用在工業應用控制領域。

EtherCAT技術是在以太網基礎上進行修改，以適應工業控制系統需求的工業以太網技術。目前是工業控制領域較為流行的通信網絡技術。本文將對EtherCAT網絡技術進行研究，結合多軸運動控制系統的特點，分析EtherCAT的工作原理，并對EtherCAT的從站控制器進行開發，完成EtherCAT的主站和從站通信。然后將EtherCAT技術應用在多軸運動控制系統中，實現對設備實時、高速控制的目標[2]。

1? EtherCAT總線技術

EtherCAT最早是由德國BECKHOFF自動化公司開發出來的，是在以太網技術基礎上修改開發出來的適用于工業網絡技術的新型工業以太網總線，充分繼承了以太網全雙工特性[3]。EhterCAT在傳輸數據過程中，無需對數據進行加密和解碼，EtherCAT從站接收在EtherCAT報文通過該從站時，直接進行數據的交換，將接收數據讀取下來，并將要發送的數據傳送的報文中，報文中數據的獲取和發送，僅需數納秒，能夠極大的提個數據傳輸的實時性。

EtherCAT主站一般可直接選PC，利用以太網網卡實現，從站選用EtherCAT從站控制器，從站主要完成報文中數據的接收，并實現對設備層設備的控制。EtherCAT主站發送數據到從站，從站從報文中獲取數據后，將發送給本從站的數據接收進來，同時將需要發送給主站的數據嵌入報文中。接下來，從站將修改后的報文傳送至下一個從站，執行同樣的操作。如此重復，最終末位的EtherCAT將完成數據交換的報文，由逐個從站返回至第一個從站，并最終發送給主站[4]。EtherCAT工作原理如圖1所示。

2? 運動控制系統的設計

運動控制系統硬件總體分為主站和從站兩部分。主站一般按照需求，使用配置有以太網網卡的PC。從站需使用兼容EtherCAT協議的控制器，控制器一般由通信接口電路，控制電路和伺服驅動電路三部分組成。EtherCAT運動控制系統框圖如圖2所示。

2.1? 主站選擇

使用的EtherCAT主站為普通的個人PC，主機使用英特爾I3處理器，配置4 GB內存，500 GB硬盤，配置千兆以太網網卡，完全可以支持EtherCAT通信。除了硬件支持，PC主機作為主站，還需要安裝相關的軟件。EtherCAT主站軟件部分直接采用TwinCAT 3，首先需要安裝網卡，將網卡添加到TwinCAT 3的設備當中；然后需要對TwinCAT 3進行激活，由于在實驗室中使用的是DEMO版本，需要激活才能有七天的使用，找到TwinCAT 3的驗證碼，輸入即可激活；最后，需要建立項目文件，添加軟件自帶的PLC電機運動控制TC2_MC2庫文件，實現對電機的控制[5]。由于使用的軟件自帶的庫文件，可以縮短開發周期，降低開發難度。本項目主要實現對主站對電動機的基本控制功能，包括點動、連續轉動、停止、反轉等功能。主站TwinCAT 3上還繪制了HMI界面，用來反映電動機的運行情況，并用曲線進行顯示。

2.2? EtherCAT從站設計

2.2.1? 從站控制器方案

目前，全球多家公司均可以提供ESC控制芯片，但這些芯片的內部IP內核均由德國倍福公司授權。市場上常用的有ASIX的AX58100、BECKHOFF公司的ET1100和MICROCHIP公司的LAN9252芯片。

ET1100芯片價格昂貴，芯片內資源較少，性價比較低，并且其芯片上不含物理層端口，需要自行擴展。LAN9252則主要因其芯片自身不含電機驅動，在開發過程中，會增加開發難度。因此，本系統從站選用ASIX公司的AX58100作為EtherCAT從站控制的ESC。AX58100是專為EtherCAT通信設計的ESC芯片，內部直接附帶兩個物理層接口，在使用的時候，無需額外增加外圍的PHY，因此可以更加方便設計使用。此外，AX58100的內部還集成了PWM輸出接口和霍爾編碼器，可以和伺服電機組成伺服電機閉環控制系統，直接對伺服電機進行精準控制，實現EtherCAT主站對從站設備的精確控制[3]。

EtherCAT從站采用微控制與ESC組合形式。微控制器使用32位的處理器STM32F427，其采用ARM-Cotex4內核，處理速度快，且具有豐富的接口資源；搭配ESC控制芯片AX58100，組成EtherCAT的復雜從站結構。從站組成結構圖如圖3所示。

根據從站的功能，硬件部分可分為以下三部分：

（1）EtherCAT數據通信部分。從站EtherCAT數據通信主要由AX58100完成，其功能是負責主站TwinCAT 3和微控制器STM32F427之間數據交換。在和上位機主站進行通信時，AX58100完成物理層和數據鏈路層進行數據交換時的相關功能。AX58100在和微控制器STM32F427進行數據交換時，可使用其芯片自帶的SPI Slave總線和Local Bus總線，但由于在進行運動控制時，數據量較大，要求的實時速度較快，因此，采用AX58100的Local Bus總線與微控制連接，將STM32芯片上的FSMC外設與AX58100的本地總線相連，采用16位異步通信模式，保證兩者之間的通信速率。此外，為了主站可以識別從站設備的信息，采用了存儲容量大小為32 KB的AT24C32存儲芯片和AX58100連接，并在其中保存了從站的設備描述信息。

（2）微控制器數據處理部分。微控制器數據處理部分主要由STM32F427構成，用來處理和EtherCAT主站通信的相關數據。本方案中STM32F427采用了EtherCAT協議進行通信。在進行電機控制時，為了讀寫AX58100內部數據，并將數據發送給主站，供主站在TwinCAT 3顯示控制電機的狀態和設置電機的參數，STM32F427使用了為其配置的CoE協議及CiA 401運動控制的子協議。STM32F427通過從協議上獲取的數據，轉換成PWM通過驅動板對電機進行控制，并根據電機連接的霍爾編碼器，將電機的運行狀態反饋，最終通過AX58100傳送至主站。

（3）電機驅動部分。主站TwinCAT 3軟件上有配套的直流電機運動控制模塊，為了配套主站進行電機運動的閉環控制，方案選用直流無刷電機作為控制對象，相比于有刷電機，無刷電機沒有電刷，在轉動的過程中不會出現電刷損耗及電刷摩擦大量發熱的現象；無刷電機上還配備有反饋無刷電機位置的霍爾傳感器，可以通過霍爾傳感器編碼接口反饋出無刷電機的運動位置信息。無刷單機的驅動電路，選用國產的JY02無刷電機驅動芯片，JY02驅動芯片只需在外部利用MOS管擴展六臂全橋電路，即可實現對無刷電機的控制，并且輸出功率取決于MOS管功率的大小。因此，可方便控制大功率無刷電機，實現對電機的精確控制。

2.2.2? 從站軟件部分設計

從站軟件部分的設計采用STM32F427自帶的HAL庫文件進行開發，從而實現在EtherCAT協議下進行通信。AX58100和主站通過EtherCAT進行通過通信，將接收的數據通過Local Bus總線的FSMC接口從STM32的存儲其中拷貝出來，并根據EtherCAT的相關協議進行數據的解析。這些數據通過EtherCAT協議棧應用層的接口函數進行數據的映射，映射的數據最終會根據CiA401運動控制的子協議對電動機進行控制。

從站運行程序流程圖如圖4所示。STM32上電后首先執行HW_Iint（）函數，對STM32的GPIO及總線進行初始化配置，同時對EtherCAT的協議下的相關寄存器進行初始化。然后Main_Init（）函數對AX58100的初始化，需要對其I/O口、模數轉換等進行配置，根據EEPROM中的從站設備描述信息，對EtherCAT的協議棧進行初始化配置，并且建立AX58100與STM32的總線連接。接下來，通過CiA_Init（）初始化函數，完成直流電機的參數和對象字典的配置，得到其控制入口的相關地址。最后，需要把從站設置成輪詢模式，STM32不斷查詢事件請求寄存器。根據寄存器查詢的狀態，從站在主循環體中不斷地實現周期性以及非周期性過程的數據交換。周期性事件中的數據，轉到PDI_I （）函數處理；非周期性事件的數據，轉到ECAT_M（）函數進行數據的處理。程序處理完周期性事件和非周期事件的數據后，返回繼續查詢事件請求寄存器。

在進行STM32的HAL庫文件開發的時候，將一些無關的接口函數去掉，保留EtherCAT通信協議棧使用的接口函數，EtherCAT協議棧構架主要包括應用層的CoE協議框架和EtherCAT協議棧框架，EtherCAT協議棧使用ecatslv.c文件、ecatcoe.c文件、mailbox.c文件、objdef.c文件和sdoserv.c文件。應用層CoE協議使用coeappl.c文件、ecatappl.c文件和cia401appl.c文件。

3? 測試過程及分析

采用兩個實驗對EtherCAT的主從站通信和電機控制進行測試。

為了測試EtherCAT主從站的通信，采用Wireshark軟件進行抓包實驗。通過以太網網線將主站PC的網卡和從站AX58100的網口進行連接，在TwinCAT 3中找到從站控制器，進行聯機，聯機成功后，打開Wireshark軟件，使用抓包工具截取連接過程中的數據包。最終聯機成功后，從站聯機狀態燈亮起，從站轉為進入操作狀態，激活從站狀態機啟動，可以隨時被主站控制。Wireshark抓取的報文如圖5所示。

從Wireshark抓取的報文中可分析，報文完全符合EtherCAT協議數據幀的格式，主從站已經建立了通信。從圖5底部狀態欄可以看出，通信報文長度一共60個字節，分為以太網數據幀頭（前14個字節）、EtherCAT幀頭（2個字節）、EtherCAT數據（由2個子報文組成，每個子報文由10字節報文頭，16字節的數據，2字節的工作計數器組成）。

在電機運動控制測試部分，主要通過TwinCAT 3主站將指令發送給從站，經過電機驅動電路，驅動電動機進行基本控制。經測試，主站上發送的點動、連續運轉、反轉等指令可以被從站接收，并對電動機進行實時控制，驗證了EtherCAT運動控制的實時性和準確性。

4? 結? 論

本文研究了EtherCAT總線技術，并將EtherCAT技術應用于傳統工業運動控制系統中，重點設計了從站運控控制系統。測試表明，設計的從站實現了和主站的通信，完成了對運動控制系統中電動機的基本控制，可以應用在基本的EtherCAT運控控制系統中。

參考文獻：

[1] 李益，王成杰，史世友，等.基于ZYNQ處理器的EtherCAT從站通信系統設計 [J].控制與信息技術，2022（1）：59-63.

[2] 欒偉.基于EtherCAT總線的多軸運動控制系統研究與開發 [D].廣州：廣東工業大學，2017.

[3] 馬志航.基于嵌入式的工業以太網EtherCAT從站研究與實現 [D].銀川：北方民族大學，2021.

[4] 陳志軍，韓利峰，黃麗.一種EtherCAT從站的硬件設計 [J].儀器儀表用戶，2021，28（12）：6-10.

[5] 孟另偉，鄭永軍.基于EtherCAT的分布式測控系統設計與實現 [J].儀表技術與傳感器，2020（6）：73-78.

作者簡介：薛迪杰（1987—），男，漢族，河南焦作人，講師，碩士，研究方向：工業通信網絡、工業檢測技術。

收稿日期：2022-10-24

基金項目：鄭州西亞斯學院校級項目（2022-D70）