基于EtherCAT的伺服電機控制和應用

張林 彭國文 陳劍棟

摘 ?要：在工業實時以太網領域，EtherCAT的應用越來越廣泛，伺服系統在工廠自動化生產、數控機床、機器人自動控制等方面有著廣泛的應用。高端的伺服已經對實時的以太網總線有了一定的支持，使用EtherCAT對伺服系統進行控制有著非常廣泛的需求。本文從對EtherCAT技術和伺服控制規范的介紹入手，展示了如何在嵌入式平臺使用Linux操作系統進行EtherCAT主站開發和使用開發的主站對伺服進行控制的一般流程。

關鍵詞：EtherCAT;伺服系統;實時以太網技術

中圖分類號：TP273;TM383.4 ? ? ?文獻標識碼：A 文章編號：2096-4706（2019）14-0131-04

Control and Application of Servo Motor Based on EtherCAT

ZHANG Lin1，PENG Guowen2，CHEN Jiandong1

（1.Guangzhou Zhiyuan Electronics Co.，Ltd.，Guangzhou ?510660，China;

2.Guangzhou Ligong Science and Technology Co.，Ltd.，Guangzhou ?510660，China）

Abstract：EtherCAT is becoming more and more widely used in the field of industrial real time Ethernet. Servo system is widely used in factory automation production，CNC machine tools，robot automatic control and other aspects. High-end servo system has some support for real-time Ethernet bus，and the use of EtherCAT for servo system control has a very wide demand. Starting with the introduction of EtherCAT technology and servo control specification，this paper shows how to use Linux operating system to develop and use EtherCAT master station to control servo on embedded platform.

Keywords：EtherCAT;servo system;real-time ethernet technology

0 ?引 ?言

EtherCAT（Ethernet for Control Automation Tech-nology）是一種由德國倍福（Beckhoff Automation）發明，基于以太網的實時工業現場總線通信協議。EtherCAT基于以太網技術，具有以太網的傳輸速度快、數據包容量大、傳輸距離較長等優點。傳統以太網的介質訪問控制MAC（Media Access Control）采用帶有沖突檢測的載波偵聽多路訪問機制CSMA/CD（Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection），這種非確定性的介質訪問控制方式不能滿足工業現場總線的實時性要求。EtherCAT為了實現實時性，對IEEE 802.3以太網協議進行了修改和擴展，實現數據傳輸的實時性以及高精度的時鐘同步。EtherCAT使用分布式時鐘，通過對傳輸延時的測量、系統時鐘偏差補償以及系統時鐘漂移補償，可以使整個系統的抖動小于1μs。EtherCAT使用標準以太網的幀結構，使用0x88A4幀類型以區別于IP和其他的幀類型，主站使用標準的以太網卡，從站使用專門的硬件實現，在實時通道內由實時MAC接管通信控制，以實現通訊的實時性。EtherCAT技術協會（ETG）是全球最大的現場總線組織，ETG下多個技術工作組的專家致力于EtherCAT各個方面的工作，以保持EtherCAT技術的穩定性和互操作性。ETG制訂了ETG.1000（Part 1-6）系列規范文件來規范對EtherCAT技術的使用。

1 ?EtherCAT與運動系統控制

EtherCAT的數據幀由主站發出，由從站接收，從站控制器ESC（EtherCAT Slave Controller）對數據幀進行解析，如果是尋址到自己的報文，則根據報文中的命令進行數據的輸入或者輸出處理，處理后的數據會發送給下一個從站。ESC一般由專用的硬件、ASIC或FPGA實現，因此處理速度很快，每個從站對數據幀處理完畢后，數據幀會通過全雙工的以太網返回主站，這樣就完成了一次數據的輸入或者輸出。這種數據處理機制允許EtherCAT網絡在任意位置采用分支結構，分支結構可以構成不同的物理拓撲結構，如線形、樹形、星形以及各種結構的組合，使設備的連線和布線非常方便。

伺服系統是用來精確地跟隨或者復現某個過程的反饋控制系統。伺服系統能實現物理的位置、方向、狀態等輸出被控制量能夠跟隨輸入目標的任意變化的自動控制，是工業自動化的重要組成部分。伺服系統可以精確地完成定位并進行運動控制，使之在工業自動化、數控機床、機器人等各方面有非常廣泛的應用。隨著電子技術水平的提高，現代伺服系統朝著數字化、網絡化、智能化、高效化發展;隨著工業4.0和工業物聯網等理論的提出，現代伺服逐漸向數字信號控制、網絡模塊控制的方向轉變。數字控制技術、總線控制技術等現代化技術已經逐漸被伺服廠商采用。已經有協議對運動控制系統進行了標準化規范并提供了支持，使各個廠商的產品可以方便地進行互聯互操作。目前應用比較廣泛的是CANopen協議。

CANopen協議由CAN in Automation（CiA）發表，最初是一個基于控制器局域網總線CAN（Control Area Network）的通訊協議。CAN總線協議由博世公司提出，后被國際化標準組織ISO進行標準化，標準化代碼為ISO 11898。它定義了通訊的物理層以及數據鏈路層，但是對于OSI網絡模型上網絡層以及上層協議缺乏對應的的支持。CANopen定義了基于CAN物理層和數據鏈路層的基本的通訊子協議（CiA301）以及支持特定設備規范的設備子協議（CiA401、CiA402等），CiA301支持設備地址編碼、網絡管理、設備監測、設備間通訊等基本通訊規范。對于特定設備，CiA使用設備子協議在CiA301基礎上進行定義。CANopen定義了CiA402設備子協議規范進行運動控制相關的設備子協議。CANopen最開始是基于CAN物理層和數據鏈路層，但是CANopen也可以使用如EtherNet POWERLINK或EtherCAT等實時以太網方案進行通訊。

EtherCAT技術工作組制定了ETG.6010規范來對CiA402進行支持，并結合EtherCAT技術特性，加入了新的伺服工作模式，如周期同步位置模式、周期同步速度模式、周期同步轉矩模式。其中周期同步位置模式（Cyclic synchronous position mode，CSP）是最為常用的模式。CiA402定義了伺服狀態的轉換如圖1所示。

根據CiA402規范，狀態切換以及當前狀態的獲取主要通過對象字典中索引為0x6040的控制字和0x6041狀態字的對象進行控制和獲取。伺服會根據當前所處的狀態，接受命令進行相應的狀態轉換。在EtherCAT中主站可以將從站的控制字和狀態字映射進過程數據，通過周期性的過程數據輸入輸出控制伺服狀態切換以及獲取檢測伺服的當前狀態。

2 ?EtherCAT主站開發

只要有標準的以太網卡即可滿足EtherCAT主站的硬件需求，根據應用的場合，我們可以選擇適合的主站方案。更強大的主站CPU可以進行更多主站任務的處理，可以實現更短的通訊周期。我們這里選取了基于NXP i.MX 6系列的Arm Cortex-A9四核心的處理器，使用Linux操作系統為基礎進行主站的開發。為了滿足過程數據交換較高的實時性的需求，可以對Linux操作系統打上實時補丁?；贑ortex-A9強大的四核強大處理器，不僅可以滿足主站的功能需求，也可以為用戶自己的程序提供強大的運算能力支持，支持復雜的用戶邏輯和任務。采用Linux系統，可以減少開發的復雜度，方便不同開發人員進行分工，系統開發人員負責系統的移植，設備驅動程序的開發，應用開發人員只需要關心應用邏輯，專心進行實際項目邏輯的開發。同時采用Linux系統也可以將應用和設備的硬件解耦，使用操作系統提供的編程接口，方便程序運行在不同的設備上，減少移植時的工作量，提高效率。

2.1 ?主站功能需求

作為EtherCAT主站，我們需要提供以下的基本功能。

2.1.1 ?ENI文件的讀取解析

ETG定義主站運行時需要的ENI文件規范，主站需要支持ENI文件的解析，獲取網絡配置參數、從站數量、從站初始化命令等信息。

2.1.2 ?從站設備管理

從ENI文件解析出從站的信息，在EtherCAT狀態切換時對設備進行初始化、從站配置等功能。

2.1.3 ?實現過程數據通信

過程數據通信就是周期性數據的輸入和輸出，主站通過周期性的數據交換和從站進行交互，實現對從站的控制和從站狀態的獲取檢測。

2.1.4 ?支持郵箱通信，實現非周期性數據傳輸

通過郵箱通信，可以支持EtherCAT應用層協議，如CoE，FoE等，實現對從站的部分配置功能。

2.2 ?從站設備

為了驗證支持EtherCAT的伺服系統的操作一致性，以及展示多個伺服系統之間的同步，我們采用兩個不同廠商的伺服系統進行控制，一臺臺達公司的ASDA-A2-E的伺服系統和一臺武漢邁信公司的EP3E伺服系統。為了控制的方便，我們在系統中添加了一些數字量IO模塊和模擬器采集模塊來進行系統的控制和展示。數字量IO可以作為伺服的模式切換開關，切換伺服的周期性同步位置模式（CSP）和周期性同步速度模式（CSV）。在周期性同步位置模式下，我們可以把模擬量輸入的值轉化為電機的位置，這樣可以通過修改模擬量的輸入控制電機的位置。為了便于修改模擬量輸入，我們可以在模擬量輸入部分安裝一個旋鈕，使用旋鈕控制電機轉動的位置，實現位置模式下的電機隨旋鈕進行同步的位置控制。在周期性同步速度模式下，將采集到的模擬量輸入轉換為轉速，實現通過旋轉旋鈕控制電機的轉速。

為了對從站進行控制，我們需要對從站的數據對象進行映射。根據從站設備提供的ESI文件，將從站的對象字典的數據映射作為過程數據的輸出數據，用于主站對從站伺服的控制，如表1所示。為了獲取從站的狀態，如伺服的狀態、伺服電機當前的速度、位置信息和數字量輸入狀態和模擬量輸入數據等，我們對設備對象字典的對象進行過程數據的輸入映射，如表2所示。

2.3 ?分布式時鐘

為了使用伺服的周期同步位置模式和周期同步速度模式，主站必須啟用分布式時鐘的功能，在EtherCAT網絡內實現時鐘的精準同步，并且啟用SYNC0輸出。設置時需要注意主站周期性數據的周期需要和SYNC0周期相同，同時從站對象字典0x60C2：01和0x60C2：02必須被設置為和SYNC0相同的周期，否則會導致從站報警甚至錯誤導致電機停機。假如我們設置SYNC0同步周期為1ms，0x60C2：01需要設置為0x01，0x60C2：02需要設置為0xFD（-3）。從站對象字典值我們可以在主站啟動后通過SDO命令對從站的對象進行寫入操作，但是更便捷的方式是在主站狀態切換過程中通過初始化命令進行從站的對象寫入操作。在主站ENI文件中添加初始化命令，使用SDO Upload將需要的值寫入從站。ENI中設置從站同步周期的初始化命令如下所示：

2.4 ?主站開發

因為主站程序是運行在使用Arm處理器的Linux操作系統上，與一般桌面程序的開發和運行在同一個平臺不同，其需要在桌面系統環境下進行程序的開發，然后使用交叉編譯器編譯目標平臺的庫和應用程序，最后將交叉編譯生成的文件拷貝到設備端運行。

為了加快主站開發速度，我們可以選擇市面上一些已經成熟的的主站庫進行二次開發，這樣可以節省大量的時間。KPA EtherCAT Master主站庫提供了完善的接口和豐富的功能，支持符合ETG標準的ENI解析，過程映像數據的輸入輸出，完整支持郵箱功能以及各種常用的EtherCAT應用層協議如CoE，EoE，SoE，FoE等，對分布式時鐘也有完整的支持。我們采用KPA EtherCAT Master主站庫來進行二次開發，對從站進行控制，完成主站的功能。

使用開發庫，我們可以方便地進行核心邏輯功能的處理，主站程序的執行流程如圖2所示。程序運行后，可以通過開關進行周期同步位置和速度模式的切換，并可以使用電位器進行位置和速度的調節。

3 ?結 ?論

本文通過對EtherCAT技術介紹以及對伺服控制的方法的說明，提出一套通用的開發流程進行主站程序開發，通過和伺服與IO模塊進行通訊，實現對被控伺服設備的控制。EtherCAT協議的統一性，也讓不同廠商的產品可以互聯互通以及相互替換，對設備的生產商和最終用戶提供了巨大的便利。

參考文獻：

[1] 郇極，劉艷強.工業以太網現場總線EtherCAT驅動程序設計及應用 [M].北京：北京航空航天大學出版社，2010：3-29.

[2] EtherCAT Technology Group.ETG6010_V1i1i0_D_R_CiA402_ImplDirective [S/OL].https：//www.ethercat.org/memberarea/download/ETG6010_CiA402_ImplementationDirective.zip，2014-11-19.

作者簡介：張林（1988-），男，漢族，河南鄧州人，開發工程師，工學學士，研究方向：工業通訊、計算機軟件。