EtherCAT系統簡(jiǎn)介

　　EtherCAT(以太網(wǎng)控制自動(dòng)化技術(shù))是一個(gè)以以太網(wǎng)為基礎的開(kāi)放架構的現場(chǎng)總線(xiàn)系統，EtherCAT名稱(chēng)中的CAT為Control Automation Technology(控制自動(dòng)化技術(shù))首字母的縮寫(xiě)。最初由德國倍福自動(dòng)化有限公司(Beckhoff Automation GmbH)研發(fā)。EtherCAT為系統的實(shí)時(shí)性能和拓撲的靈活性樹(shù)立了新的標準，同時(shí)，它還符合甚至降低了現場(chǎng)總線(xiàn)的使用成本。

　　Ethercat主張'以太網(wǎng)控制自動(dòng)化技術(shù)'。它是一個(gè)開(kāi)放源代碼，高性能的系統，目的是利用以太網(wǎng)協(xié)議，在工業(yè)環(huán)境，控制機器人和其他裝備線(xiàn)上的技術(shù)。

　　EtherCAT的特點(diǎn)還包括高精度設備同步，可選線(xiàn)纜冗余，和功能性安全協(xié)議(SIL3)。EtherCAT在網(wǎng)絡(luò )性能上達到了一個(gè)新的高度。1000個(gè)分布式I/O數據的刷新周期僅為30μs，其中包括端子循環(huán)時(shí)間。通過(guò)一個(gè)以太網(wǎng)幀，可以交換高達1486字節的過(guò)程數據，幾乎相當于12000個(gè)數字量I/O。而這一數據量的傳輸僅用300μs。與100個(gè)伺服軸的通訊只需100μs。在此期間，可以向所有軸提供設置值和控制數據，并報告它們的實(shí)際位置和狀態(tài)。分布式時(shí)鐘技術(shù)保證了這些軸之間的同步時(shí)間偏差小于1微秒。利用EtherCAT技術(shù)的優(yōu)異性能，可以實(shí)現用傳統現場(chǎng)總線(xiàn)系統所無(wú)法實(shí)現的控制方法。這樣，通過(guò)總線(xiàn)也可以形成超高速控制回路。以前需要本地專(zhuān)用硬件支持的功能現在可在軟件中加以映射。巨大的帶寬資源使狀態(tài)數據與任何數據可并行傳輸。EtherCAT技術(shù)使得通訊技術(shù)與現代高性能的工業(yè)PC相匹配?？偩€(xiàn)系統不再是控制理念的瓶頸。

EtherCAT系統特點(diǎn)

　　EtherCAT技術(shù)的領(lǐng)先性

　　EtherCAT協(xié)議處理完全在硬件中進(jìn)行,協(xié)議ASIC可靈活組態(tài),使得工作效率大大提高。1000個(gè)分布式I/O數據的刷新周期僅為30μs，其中包括端子循環(huán)時(shí)間。與100個(gè)伺服軸的通訊只需100μs。在此期間，可以向所有軸提供設置值和控制數據，并報告它們的實(shí)際位置和狀態(tài)。利用EtherCAT技術(shù)的優(yōu)異性能，可以實(shí)現用傳統現場(chǎng)總線(xiàn)系統所無(wú)法實(shí)現的控制方法。

　　EtherCAT技術(shù)的開(kāi)放性

　　EtherCAT（以太網(wǎng)控制自動(dòng)化技術(shù)）是一個(gè)以以太網(wǎng)為基礎的開(kāi)放架構的現場(chǎng)總線(xiàn)系統，符合IEC規范(IEC/PAS62407)，也是國家標準。

　　在市場(chǎng)上，有大量的EtherCAT主站與EtherCAT從站的設備與產(chǎn)品。

　　國內外有很多專(zhuān)業(yè)的第三方公司做EtherCAT方面的技術(shù)咨詢(xún)與技術(shù)服務(wù)。

　　EtherCAT芯片方面，主流的fpga廠(chǎng)家altera，xilinx都支持EtherCAT主從方案。大的半導體廠(chǎng)家也都支持EtherCAT協(xié)議，例如TI，infineon，microchip等半導體廠(chǎng)商均支持EtherCAT從站芯片。當然倍福公司也提供ET1100,ET1200等EtherCAT接口芯片。

　　ETG全球組織與ETG中國組織的推動(dòng)

　　ETG全球組織在全球有5個(gè)區域性組織，截至2018年就有5205個(gè)會(huì )員單位。

　　國產(chǎn)伺服驅動(dòng)器廠(chǎng)商以及步進(jìn)驅動(dòng)器廠(chǎng)商，工業(yè)以太網(wǎng)通訊接口首選就是EtherCAT，國內已有幾百家廠(chǎng)家支持EtherCAT伺服驅動(dòng)器以及EtherCATIO模塊。

　　結合到現場(chǎng)實(shí)際應用EtherCAT總線(xiàn)的運動(dòng)控制優(yōu)勢

　　a、節點(diǎn)與節點(diǎn)之間只要網(wǎng)線(xiàn)連接，系統電氣柜配線(xiàn)非常方便;

　　b、系統抗干擾能力強，網(wǎng)口就是隔離的，整個(gè)電氣系統的EMC特性好;

　　c、EtherCAT初始化完成就可以直接讀取所有軸的多圈絕對值編碼器位置;

　　d、SDO可以在線(xiàn)讀取與修改各軸的參數與增益，軸參數調試更方便；

　　e、通過(guò)選擇不同的PDO數據內容，可以實(shí)現位置控制下轉矩限幅，轉矩控制下速度限制，CSP(周期位置)/CSV(周期速度)/CST(周期轉矩)可以自由切換;

　　f、方便上位機遠程診斷與遠程維護電氣系統，預測性維護也更方便。

　　沒(méi)有實(shí)際的運動(dòng)控制器也能仿真與調試運動(dòng)控制系統

　　虛擬仿真與調試日漸成為工業(yè)自動(dòng)化行業(yè)的剛需，一是可以在設備未準備就緒之前就把軟件基本調試完成，二是進(jìn)一步提高開(kāi)發(fā)與調試的效率。

CANopen系統簡(jiǎn)介

　　CANopen是建立在CAN數據鏈路層之上的一個(gè)開(kāi)放的標準應用層。CAN最初為汽車(chē)應用領(lǐng)域而開(kāi)發(fā)設計，到目前已經(jīng)被證明是堅固、可靠、經(jīng)濟的通信網(wǎng)絡(luò )?？梢赃M(jìn)行主/從和點(diǎn)對點(diǎn)的通信，消息沖突不是毀滅性的。

　　從軸通過(guò)被鎖定時(shí)間標記的分布式時(shí)鐘進(jìn)行同步。參數與實(shí)時(shí)數據分別由SDOs與PDOs進(jìn)行處理，以達到最優(yōu)效率。對于一個(gè)完整的系統解決方案，可支持第三方的I/O與控制軟件。

　　網(wǎng)絡(luò )拓撲與總線(xiàn)仲裁

　　CAN是一個(gè)使用簡(jiǎn)單雙絞線(xiàn)連接的多點(diǎn)網(wǎng)絡(luò )。最大速率可達1Mb/s、線(xiàn)長(cháng)可達40米。網(wǎng)絡(luò )首尾兩端須接終端電阻，且端線(xiàn)應盡量的短。一個(gè)CAN網(wǎng)絡(luò )最多可支持127個(gè)節點(diǎn)。

　　當總線(xiàn)空閑時(shí)，任何一個(gè)節點(diǎn)都可以發(fā)送數據。消息幀以幀有效低起始位開(kāi)始發(fā)送這消息的標識符。越低的標識符，它的優(yōu)先級越高。如果兩臺設備在同一時(shí)間向網(wǎng)絡(luò )發(fā)送數據，有高優(yōu)先級標識符的設備將會(huì )強制性把總線(xiàn)電平拉低，而低優(yōu)先級的節點(diǎn)設備將識別到這個(gè)情況且將放棄使用總線(xiàn)。

　　CANopen與EtherCAT是國際上網(wǎng)絡(luò )運動(dòng)控制的開(kāi)放標準協(xié)議。它們可以簡(jiǎn)化連線(xiàn)、降低成本、增強診斷功能等。CANopen主要應用于分布式控制系統，而EtherCAT可以應用在集中式與分布式2種控制結構中。每種網(wǎng)絡(luò )都有其自身的優(yōu)點(diǎn)。

　　集中式與分布式運動(dòng)控制

　　系統任務(wù)的等級與分配如下圖所示。綠色表示控制器，藍色表示驅動(dòng)器。在集中式結構中，除了電流環(huán)以外，所有的任務(wù)都由控制器完成。電流環(huán)應該至少每100us更新一次，這會(huì )把很高的計算負擔放在控制器上，且必須使用高速數據通訊鏈路。

　　在分布式控制系統中，所有的伺服環(huán)都在驅動(dòng)器內完成。在輪廓模式（下載運動(dòng)參數并啟動(dòng)運行）下，驅動(dòng)器內部也執行路徑規劃。驅動(dòng)器無(wú)需增加附加的成本，而且能省去運動(dòng)控制卡。由于位置環(huán)的刷新率遠低于電流環(huán)，因此只需使用一個(gè)低速的網(wǎng)絡(luò )即可。

　　集中式

●更適合軸間高度耦合的情況如機器手

●更高效的實(shí)時(shí)伺服環(huán)調整

●要求更高帶寬網(wǎng)

　　分布式

●點(diǎn)到點(diǎn)及多數輪廓曲線(xiàn)的理想選擇

●低成本解決方案、最小化驅動(dòng)器尺寸

●只要求低帶寬網(wǎng)絡(luò )

●易擴展、無(wú)增加控制器負擔

　　PVT路徑規劃

　　在分布式控制協(xié)同運動(dòng)系統中，EtherCAT和CANopen都使用PVT做路徑規劃：控制器生成一系列的點(diǎn)，來(lái)定義在指定的時(shí)間點(diǎn)上，每個(gè)軸的位置與速度值。PVT路徑規劃是定義運動(dòng)軌跡的一種非常高效的方法。

　　一般來(lái)說(shuō)，軌跡點(diǎn)每隔10ms被發(fā)送到驅動(dòng)器的緩沖區中。驅動(dòng)器實(shí)行三階插補來(lái)生成最優(yōu)的曲線(xiàn)。插補之后，每個(gè)驅動(dòng)器上的位置環(huán)以幾千赫茲的速率同步更新。

　　網(wǎng)絡(luò )的速度與效率

　　對運動(dòng)控制系統網(wǎng)絡(luò )而言，效率、決定性與同步性遠比速度重要。標準以太網(wǎng)的傳輸速度超過(guò)CANopen速度100倍，但主要被設計用于異步傳輸大數據文件。網(wǎng)絡(luò )上的消息沖突是毀滅性的，必須重新發(fā)送。CANopen主要被創(chuàng )建用于低成本傳送實(shí)時(shí)小數據包，對于分布式控制而言，完全可滿(mǎn)足其實(shí)時(shí)性要求。

　　EtherCAT給以太網(wǎng)帶來(lái)了同步性與決定性，相對于許多被實(shí)時(shí)修改過(guò)的標準以太網(wǎng)，EtherCAT顯然是有效的。對于分布式控制系統，它滿(mǎn)足刷新驅動(dòng)器電流環(huán)的速度的要求，且能靈活地傳輸PVT點(diǎn)。相對來(lái)說(shuō)，價(jià)位也會(huì )更高一些。