CN103336471A - 一种基于EtherCAT网络通信的伺服运动控制卡 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种基于EtherCAT网络通信的伺服运动控制卡，包括支持EtherCAT协议的EtherCAT通信板和伺服运动控制功能板,所述EtherCAT通信板采用100Base-TX标准以太网电缆接收和发送标准的ISO/IEC8802-3以太网数据帧，并使用双端口存储区实现EtherCAT主站与伺服运动控制功能板的应用数据交换；伺服运动控制功能板从EtherCAT通信板读取控制数据，实现伺服运动控制功能。本发明采用EtherCAT网络协议使得运用本发明构建多轴运动控制系统具有网络拓扑结构灵活，系统配置简单，实现高速、高效数据通信率的优势，满足了数控技术领域中多轴的实时、高速、高精控制。
Description
技术领域
本发明涉及的是一种数控技术领域的运动控制卡，具体是一种基于EtherCAT网络通信的伺服运动控制卡，特别适合用来构建分布式多轴运动控制系统。
背景技术
在数控技术领域中，运动控制卡是数字化制造的核心部件。然而，传统的交流伺服控制系统一般由多个交流伺服电机、与伺服电机一一对应的伺服驱动器以及现场总线组成。但传统现场总线系统已达到了极限，而EtherCAT则突破瓶颈并建立了新的技术标准——30μs内可以更新1000个I/O数据，具有灵活的线性拓扑结构，用简单的线性拓扑结构代替昂贵的星型以太网拓扑结构，无需昂贵的基础组件。
传统的运动控制器通常采用ISA或PCI接口连接到工业PC机上，而随着PC组件急剧向小型化经济化方向发展，工业PC的体积日趋取决于插槽的数目，对于多轴运动控制系统，轴数受到了很大限制，而EtherCAT以太网具有灵活的拓扑结构，增加子网简单、成本低。
精确同步对于同时动作的分布式过程十分重要，特别是在几个伺服轴同时执行协调运动的情况下。而EtehrCAT现场总线具有分布时钟功能，对于通讯系统中可能存在的相关故障延迟具有极好的容错性。
EtherCAT可以完全兼容以太网，将因特网技术嵌入到简单设备中，并最大化地利用以太网提供的宽带，是一种具有出色的实时性能且成本低廉的网络通讯技术。
发明内容
鉴于EtherCAT工业以太网存在上述优势，本发明实施例的目的在于提供一种基于EtherCAT网络通信的伺服运动控制卡。
为实现上述目的，本发明实施例通过以下技术方案实现：
一种基于EtherCAT网络通信的伺服运动控制卡，其特征在于，包括：支持EtherCAT协议的EtherCAT通信板和伺服运动控制功能板, 所述EtherCAT通信板采用100Base-TX标准以太网电缆接收和发送标准的ISO/IEC8802-3以太网数据帧，并使用双端口存储区实现EtherCAT主站与伺服运动控制功能板的应用数据交换；伺服运动控制功能板从EtherCAT通信板读取控制数据，实现伺服运动控制功能。
进一步地，所述伺服运动控制功能板包括：电源模块、DSP处理器、时钟模块、系统辅助模块、扩展接口模块、存储器模块、伺服专用模块、数字量I/O扩展模块，所述电源模块为EtherCAT通信板及伺服运动控制功能板的各个模块提供稳定的电压和功率；
DSP处理器一方面读取EtherCAT从站控制器ESC内部存储区运动控制指令数据，进行数据解析和伺服控制，将处理过的反馈信息反馈数据写入到EtherCAT从站控制器ESC的内部存储区，并将产生的电机脉冲指令和伺服控制输出信号传输到伺服专用模块；另一方面接收伺服专用模块处理过的光电编码器反馈信号，采集数字量I/O扩展模块自定义的输出信号；
时钟模块负责向DSP处理器提供晶振，时钟模块为一块30MHz石英晶振器，最大提供150MHz的时钟频率，与DSP处理器的外部时钟连接；
扩展接口模块包括RS232串口和RS422串口，主用于获取外部信息，并将外部信息传输给DSP处理器；
存储器模块包括外扩SDRAM存储器和外扩FLASH存储器，所述外扩SRAM存储器作为用户程序运行变量与数据存储以及采集数据存储空间，所述外扩FLASH存储器作为控制器运行程序存储空间；
所述数字量I/O扩展模块包括8组普通光电隔离I/O和2路高速光电隔离，其中，普通光电隔离I/O主要用于伺服使能、极限、报警以及外部辅助设备的控制，2路高速光电隔离用于采集外部高速信号输入；
所述伺服专用模块，包括高速光电隔离、数字脉冲差分输出单元、D/A转换芯片、运算放大单元、差分接收单元，其中：
数字脉冲差分输出单元接收DSP处理器 的PWM外设单元输出且经高速光电隔离的单端脉冲和方向信号，转换成差分形式的脉冲和方向信号输出到外部驱动器模块控制电机运动，其中，差分接收单元将外部伺服驱动器反馈的光电编码器差分信号转换为单端信号，然后传输到DSP处理器；数字脉冲差动输出单元接收DSP处理器PWM外设单元输出的单端脉冲和方向信号，所述单端脉冲和方向信号分别通过高速光电隔离后输入到数字脉冲差分输出单元的相应输入端，数字脉冲差分输出单元的相应输出端以差分方式分别输出到伺服驱动器、D/A转换芯片及运算放大单元， D/A转换芯片接收DSP处理器传输过来的电机脉冲指令并转换变为-1V~+1V模拟信号，经运算放大器进行放大到-10V~+10V模拟电压后驱动外部伺服驱动器模块控制电机运行；
D/A转换芯片及运算放大单元接收DSP处理器传输过来的电机脉冲指令，经过数模转换和运算放大后驱动外部伺服驱动器模块控制电机运行；
差分接收单元接收外部伺服驱动器反馈的光电编码器差分信号，并将差分接收的光电编码器反馈信号传输到DSP处理器；
所述系统辅助模块包括看门狗及复位单元及JTAG接口单元，所述看门狗及复位单元负责检测系统是否锁死，在系统出现故障时控制电源模块短暂停止向系统供电，实现系统的重启；
JTAG接口单元实时读取DSP处理器的数据信息，在开发时实现软件系统的在线调试以及程序烧写与擦除。
进一步地，所述DSP处理器为TMS320F28335处理器。
进一步地，所述EtherCAT通信板包括EtherCAT从站控制器ESC，采用标准以太网物理层MII接口外接标准以太网物理层器件设计两个数据收发的RJ45接口，并使用双端口存储区通过PDI接口采用SPI串行方式与伺服运动控制功能板的DSP处理器连接；一方面EtherCAT从站控制器ESC采用EtherCAT协议通过RJ45接口与主站通信并将有关数据存储到内部存储区供DSP处理器读取，另一方面EtherCAT从站控制器ESC通过PDI接口采用SPI串行方式与DSP处理器通信，DSP处理器读取EtherCAT从站控制器ESC内部存储区指令数据或将反馈数据写入到EtherCAT从站控制器ESC内部存储区。
进一步地，所述EtherCAT从站控制器ESC为ET1100。
本发明与现有技术相比,具有以下主要优点：
1、本发明引进实时EtherCAT工业以太网技术，性能优越，具有高速、高数据有效率的特点，支持多种设备连接拓扑结构，特别适合构建网络化运动控制系统，使得运动控制系统具有可靠性高、快速、精确、效率高、结构简单、体积小、成本低的优势。
2、本发明采用TI公司最新推出的运动控制专用DSP处理器 TMS320F28335芯片，比传统的单片机拥有更多的片上资源和更快的数据运算处理能力，其内部集成了丰富的电机控制接口，极大地减少了扩展电路模块。
附图说明
图1 是本发明基于EtherCAT网络通信伺服运动控制卡的结构框图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案以及优点更加清楚明白，下面结合附图，对本发明做进一步的详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，但本发明要求保护的范围并不局限于实施例表示的范围。
如图1所示，图1是本发明提供的基于EtherCAT网络通信的伺服运动控制卡的结构框图，一种基于EtherCAT网络通信的伺服运动控制卡，其特征在于，包括：支持EtherCAT协议的EtherCAT通信板和伺服运动控制功能板, 所述EtherCAT通信板采用100Base-TX标准以太网电缆接收和发送标准的ISO/IEC8802-3以太网数据帧，并使用双端口存储区实现EtherCAT主站与伺服运动控制功能板的应用数据交换；伺服运动控制功能板从EtherCAT通信板读取控制数据，实现伺服运动控制功能。
所述伺服运动控制功能板包括：电源模块、DSP处理器、时钟模块、系统辅助模块、扩展接口模块、存储器模块、伺服专用模块、数字量I/O扩展模块，其中：
所述电源模块为EtherCAT通信板及伺服运动控制功能板的各个模块提供稳定的电压和功率；
所述DSP处理器为TMS320F28335处理器，DSP处理器一方面读取EtherCAT从站控制器ESC内部存储区运动控制指令数据，进行数据解析和伺服控制，将处理过的反馈信息反馈数据写入到EtherCAT从站控制器ESC的内部存储区，并将产生的电机脉冲指令和伺服控制输出信号传输到伺服专用模块；另一方面接收伺服专用模块处理过的光电编码器反馈信号，采集数字量I/O扩展模块自定义的输出信号；
时钟模块负责向DSP处理器提供晶振，时钟模块为一块30MHz石英晶振器，最大提供150MHz的时钟频率，与DSP处理器的外部时钟连接；
扩展接口模块包括RS232串口和RS422串口，主用于获取外部信息，并将外部信息传输给DSP处理器；
存储器模块包括外扩SDRAM存储器和外扩FLASH存储器，所述外扩SRAM存储器作为用户程序运行变量与数据存储以及采集数据存储空间，所述外扩FLASH存储器作为控制器运行程序存储空间；
所述数字量I/O扩展模块包括8组普通光电隔离I/O和2路高速光电隔离，其中，普通光电隔离I/O主要用于伺服使能、极限、报警以及外部辅助设备的控制，2路高速光电隔离用于采集外部高速信号输入；
所述伺服专用模块，包括高速光电隔离、数字脉冲差分输出单元、D/A转换芯片、运算放大单元、差分接收单元，其中：
数字脉冲差分输出单元接收DSP处理器 的PWM外设单元输出且经高速光电隔离的单端脉冲和方向信号，转换成差分形式的脉冲和方向信号输出到外部驱动器模块控制电机运动，其中，差分接收单元将外部伺服驱动器反馈的光电编码器差分信号转换为单端信号，然后传输到DSP处理器；数字脉冲差动输出单元接收DSP处理器PWM外设单元输出的单端脉冲和方向信号，所述单端脉冲和方向信号分别通过高速光电隔离后输入到数字脉冲差分输出单元的相应输入端，数字脉冲差分输出单元的相应输出端以差分方式分别输出到伺服驱动器、D/A转换芯片及运算放大单元， D/A转换芯片接收DSP处理器传输过来的电机脉冲指令并转换变为-1V~+1V模拟信号，经运算放大器进行放大到-10V~+10V模拟电压后驱动外部伺服驱动器模块控制电机运行；
D/A转换芯片及运算放大单元接收DSP处理器传输过来的电机脉冲指令，经过数模转换和运算放大后驱动外部伺服驱动器模块控制电机运行；
差分接收单元接收外部伺服驱动器反馈的光电编码器差分信号，并将差分接收的光电编码器反馈信号传输到DSP处理器；
所述系统辅助模块包括看门狗及复位单元及JTAG接口单元，所述看门狗及复位单元负责检测系统是否锁死，在系统出现故障时控制电源模块短暂停止向系统供电，实现系统的重启；
JTAG接口单元实时读取DSP处理器的数据信息，在开发时实现软件系统的在线调试以及程序烧写与擦除。
所述EtherCAT通信板包括EtherCAT从站控制器ESC，所述EtherCAT从站控制器ESC为ET1100，采用标准以太网物理层MII接口外接标准以太网物理层器件设计两个数据收发的RJ45接口，并使用双端口存储区通过PDI接口采用SPI串行方式与伺服运动控制功能板的DSP处理器连接；一方面EtherCAT从站控制器ESC采用EtherCAT协议通过RJ45接口与主站通信并将有关数据存储到内部存储区供DSP处理器读取，另一方面EtherCAT从站控制器ESC通过PDI接口采用SPI串行方式与DSP处理器通信，DSP处理器读取EtherCAT从站控制器ESC内部存储区指令数据或将反馈数据写入到EtherCAT从站控制器ESC内部存储区。
高速光电隔离和普通光电隔离分别采用6N137芯片和TLP521芯片实现控制信号与外部干扰的隔离。其中，高速光电隔离实现脉冲和方向、外部高速输入信号的隔离；普通光电隔离实现伺服使能、极限、报警、通用I/O等低速信号的隔离。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明，任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化等均应为等效的置换方式，都应当视为属于本发明所提交的权利要求书确定的保护范围。
Claims (5)
1.一种基于EtherCAT网络通信的伺服运动控制卡，其特征在于，包括：支持EtherCAT协议的EtherCAT通信板和伺服运动控制功能板, 所述EtherCAT通信板采用100Base-TX标准以太网电缆接收和发送标准的ISO/IEC8802-3以太网数据帧，并使用双端口存储区实现EtherCAT主站与伺服运动控制功能板的应用数据交换；伺服运动控制功能板从EtherCAT通信板读取控制数据，实现伺服运动控制功能。
2.根据权利要求1所述的基于EtherCAT网络通信的伺服运动控制卡，其特征在于，所述伺服运动控制功能板包括：电源模块、DSP处理器、时钟模块、系统辅助模块、扩展接口模块、存储器模块、伺服专用模块、数字量I/O扩展模块，所述电源模块为EtherCAT通信板及伺服运动控制功能板的各个模块提供稳定的电压和功率；
DSP处理器一方面读取EtherCAT从站控制器ESC内部存储区运动控制指令数据，进行数据解析和伺服控制，将处理过的反馈信息反馈数据写入到EtherCAT从站控制器ESC的内部存储区，并将产生的电机脉冲指令和伺服控制输出信号传输到伺服专用模块；另一方面接收伺服专用模块处理过的光电编码器反馈信号，采集数字量I/O扩展模块自定义的输出信号；
时钟模块负责向DSP处理器提供晶振；
扩展接口模块包括RS232串口和RS422串口，用于获取外部信息，并将外部信息传输给DSP处理器；
存储器模块包括外扩SDRAM存储器和外扩FLASH存储器，所述外扩SRAM存储器作为用户程序运行变量与数据存储以及采集数据存储空间，所述外扩FLASH存储器作为控制器运行程序存储空间；
所述数字量I/O扩展模块包括8组普通光电隔离I/O和2路高速光电隔离，其中，普通光电隔离I/O主要用于伺服使能、极限、报警以及外部辅助设备的控制，2路高速光电隔离用于采集外部高速信号输入；
所述伺服专用模块，包括高速光电隔离、数字脉冲差分输出单元、D/A转换芯片、运算放大单元、差分接收单元，其中：
数字脉冲差分输出单元接收DSP处理器 的PWM外设单元输出且经高速光电隔离的单端脉冲和方向信号，转换成差分形式的脉冲和方向信号输出到外部驱动器模块控制电机运动；
D/A转换芯片及运算放大单元接收DSP处理器传输过来的电机脉冲指令，经过数模转换和运算放大后驱动外部伺服驱动器模块控制电机运行；
差分接收单元接收外部伺服驱动器反馈的光电编码器差分信号，并将差分接收的光电编码器反馈信号传输到DSP处理器；
所述系统辅助模块包括看门狗及复位单元及JTAG接口单元，所述看门狗及复位单元负责检测系统是否锁死，在系统出现故障时控制电源模块短暂停止向系统供电，实现系统的重启；
JTAG接口单元实时读取DSP处理器的数据信息，在开发时实现软件系统的在线调试以及程序烧写与擦除。
3.根据权利要求2所述的基于EtherCAT网络通信的伺服运动控制卡，其特征在于，所述DSP处理器为TMS320F28335处理器。
4.根据权利要求3所述的基于EtherCAT网络通信的伺服运动控制卡，其特征在于，所述EtherCAT通信板包括EtherCAT从站控制器ESC，采用标准以太网物理层MII接口外接标准以太网物理层器件设计两个数据收发的RJ45接口，并使用双端口存储区通过PDI接口采用SPI串行方式与伺服运动控制功能板的DSP处理器连接；一方面EtherCAT从站控制器ESC采用EtherCAT协议通过RJ45接口与主站通信并将有关数据存储到内部存储区供DSP处理器读取，另一方面EtherCAT从站控制器ESC通过PDI接口采用SPI串行方式与DSP处理器通信，DSP处理器读取EtherCAT从站控制器ESC内部存储区指令数据或将反馈数据写入到EtherCAT从站控制器ESC内部存储区。
5.根据权利要求4所述的基于EtherCAT网络通信的伺服运动控制卡，其特征在于，所述EtherCAT从站控制器ESC为ET1100。
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| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C02 | Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001) | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20131002 |