CN103425106A - 一种基于Linux的EtherCAT主/从站控制系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于Linux的EtherCAT主/从站控制系统及方法，系统包括EtherCAT主站系统和EtherCAT从站系统，EtherCAT主站系统完成任务控制和运动控制等运算任务，并利用硬件抽象层构建抽象逻辑电路，硬件抽象层与EtherCAT主站模块连接，EtherCAT主站模块按照EtherCAT通信协议将数据编码为EtherCAT报文后由以太网口传输给从站系统。利用EtherCAT主/从站之间的实时高速通信，将位置/速度指令值发送到数字量接口/模拟量接口。同时数字量接口/模拟量接口接收反馈回来的脉冲指令值，通过EtherCAT从站系统发送回主站，EtherCAT主站模块得到反馈位置/速度指令值，并反馈回运动控制器，由此完成全闭环/半闭环控制。本发明具有运动控制系统组网布线灵活、通信速度和可靠性高、成本低的优点。

Description

一种基于Linux的EtherCAT主/从站控制系统及方法

技术领域

本发明专利涉及工业自动化控制研究领域，尤其涉及一种基于Linux的EtherCAT主/从站控制系统及方法。

背景技术

在运动控制领域，随着微电子和电力电子、计算机等技术的发展，困扰交流伺服系统的电机控制复杂、调速性能差等问题已经取得突破性进展。交流伺服系统已经成为当代高性能伺服系统的主要发展方向，基于工业以太网的运动控制器在工业机器人、数控机床中取得了广泛应用。由于运动控制对速度、精度要求越来越高，对用于伺服运动控制的现场总线的传输速度和总线接口的实时性能提出了很高的要求。

目前国内市场在运动控制系统中多采用PC+运动控制卡的控制方式，其中运动控制卡完成核心插补和控制算法，无论控制卡中的CPU速度如何提高算法如何改进，对整个系统响应的影响微乎其微，因为其中的现场总线通讯成为了阻碍系统性能提升的瓶颈。

EtherCAT总线是BECKHOFF公司提出的一种实时以太网技术，它具有高速和高数据有效率的特点，支持多种设备连接拓扑结构，其从站节点使用专用的控制芯片，主站使用标准的以太网控制器。它拥有最优的硬实时性能——远小于1微秒的同步性能，其1000个开关点的数据刷新周期仅为30微秒，而100个伺服轴（8byte输入加输出）的刷新周期也仅为100微妙。而且EtherCAT相对于传统的现场总线系统，底层I/O的响应时间大大缩减，最多仅需两个循环周期就可以实现数据的刷新，而且EtherCAT总线的主站到系统最末端的所有从站设备均可实现EtherCAT通讯，系统中无需再有协议转换，一个通讯系统满足了主控、I/O、伺服驱动、安全性等通讯需求。

因此，考虑如何将EtherCAT总线应用于运动控制系统中成为非常值得研究的课题。

发明内容

本发明的主要目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种基于Linux的EtherCAT主/从站控制系统，该系统基于EtherCAT总线技术，解决了工业现场PC+运动控制卡控制方式的通信瓶颈，保证了高速、高精度运动控制的需要。

本发明还提供了一种基于上述控制系统的控制方法。

本发明的目的通过以下的技术方案实现：一种基于Linux的EtherCAT主/从站控制系统，包括EtherCAT主站系统和EtherCAT从站系统，其中：

所述EtherCAT主站系统基于带有网卡的Intel x86硬件平台，用于将相关控制指令发送给其中的EtherCAT主站模块，EtherCAT主站模块按照EtherCAT通信协议将数据编码为EtherCAT报文后由以太网口传输给从站系统；

所述EtherCAT从站系统包括电源、MCU处理器、从站控制器、物理层芯片、网络变压器、第一以太网口及第二以太网口；所述电源与MCU处理器连接，为所述MCU处理器提供工作电压；主站系统与第一以太网口、第二以太网口相连，第一以太网口通过EBUS接口与从站控制器连接，第二以太网口依次经网络变压器、物理层芯片后通过MII接口与从站控制器连接；从站控制器通过MII接口与MCU处理器连接，MCU处理器用于采样接收伺服设备反馈数据并对外发送指令。

优选的，所述EtherCAT从站系统包括数字量接口、开关量接口、模拟量接口和FPGA，MCU处理器分别通过SPI接口与模拟量接口与FPGA相连，FPGA与数字量接口、开关量接口相连。从而是从站系统同时支持数字量接口及模拟量接口输入输出。

优选的，数字量接口带≤6个伺服电机，模拟量接口带≤8个伺服电机。

优选的，所述EtherCAT从站系统还包括用于存储从站系统设备信息的EEPROM，其通过SII接口与从站控制器连接。

优选的，所述EtherCAT从站系统还包括用于为从站控制器提供外置引脚配置功能的引脚配置模块，其与从站控制器模块连接。

作为本发明的进一步改进，所述MCU处理器模块与从站控制器模块可以集成到一个处理器模块中。

作为本发明的进一步改进，所述从站控制器模块采用ET1100，ET1200及其后续升级版芯片。

作为本发明的进一步改进，所述MCU处理器采用8位、16位、32位或更高性能的处理器。

作为本发明的进一步改进，开关量接口可进一步扩展为16通道或更高通道。

作为本发明的进一步改进，所述以太网口可以选用任何传输介质，如光纤、无线电。

一种基于上述控制系统的基于Linux的EtherCAT主/从站控制方法，包括以下步骤：

（1）EtherCAT主站系统包括Linux系统内核空间和Linux系统应用空间；所述Linux系统内核空间内置有任务控制器、运动控制器、硬件抽象层、EtherCAT主站模块、网卡驱动和RTAI实时包；所述Linux系统应用空间内置有数控系统GUI和EtherCAT工具，EtherCAT工具包用于启动EtherCAT主站模块，通过数控系统GUI发送控制指令到Linux系统内核空间任务控制器，任务控制器对运动指令进行解析和转发调度，并将加工任务细化为小区间段，再下发给运动控制器，由运动控制器完成运动轨迹规划、插补、补偿，最后发送速度指令值或位置指令值到硬件抽象层，硬件抽象层接收到上述指令值后，发送给EtherCAT主站模块，EtherCAT主站模块按照EtherCAT通信协议将数据编码为EtherCAT报文由以太网口传输给从站系统的第一以太网口或第二以太网口；

（2）当EtherCAT报文由第一以太网口进入从站系统，由EBUS接口传输到从站控制器接收，处理后的报文通过MII接口发送给MCU处理器；当报文由第二以太网口传入从站系统，经过网络变压器进行信号隔离后，传输给物理层芯片模块进行数据编码、译码和收发，最后传送报文到从站控制器模块；从站控制器模块提取报文中的指令数据，发送给MCU处理器，MCU处理器采样接收伺服设备反馈数据并对外发送指令；

（3）MCU处理器接收伺服设备反馈回来的信号后，由从站系统发送给主站系统，主站系统中的EtherCAT主站模块从接收到的数据帧中提取出脉冲信号，发送到硬件抽象层中的抽象逻辑接口，由硬件抽象层中的抽象逻辑电路中的逻辑运算模块将脉冲信号转换成位置和速度信号传给运动控制器，完成闭环控制。

具体的，所述步骤（1）中，硬件抽象层用于生成抽象逻辑接口以供输入输出，并提供逻辑运算模块，与抽象逻辑接口一起构建抽象逻辑电路。从而把抽象逻辑接口输入的信号经过抽象逻辑电路实现用软件完成硬件功能，大大提高了LinuxCNC数控系统的灵活性。

更进一步的，所述步骤（2）中，EtherCAT从站系统包括数字量接口、开关量接口、模拟量接口和FPGA，当伺服设备工作于速度模式时，使用模拟量，此时MCU处理器直接通过SPI接口输出速度指令值到模拟量端口，模拟量端口直接与伺服设备连接，既发送速度指令值又读取伺服设备反馈值，形成半闭环控制；当伺服设备工作于位置模式时，MCU处理器通过SPI接口输出位置指令值到FPGA，经过FPGA处理后发出正交脉冲和正交脉冲计数到数字量端口和开关量端口；数字量端口直接与伺服设备连接，发出位置指令值并读取伺服设备反馈脉冲，经由FPGA处理后反馈回从站控制器，并最终与主站通信，构成一个完整的位置全闭环控制；开关量端口读取用户输入开关量脉冲后发送到FPGA，并最终通过从站控制器传回主站系统硬件抽象层，反馈给运动控制器。

本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：

1、本发明在运动控制系统中提出采用EtherCAT总线技术，从根本上改变了现有技术中工业现场PC+运动控制卡控制方式的通信问题，在充分利用了EtherCAT总线优势的同时，提升了伺服驱动系统的性能，降低了系统集成的采购成本，而且可以直接使用现有交流伺服系统，对增强我国工业自动化自主研发能力和国际竞争力，提高经济效益具有重要意义。

2、本发明不需要购置带有EtherCAT接口的伺服设备即可将原控制系统平滑升级，性能好、成本低。

3、本发明可大幅度提高原有控制系统的抗干扰能力和安全性，同时大幅提高数据传输速度和实时性。

4、本发明简化了原有PC+运动控制卡组建运动控制系统的布线并提高了运动控制系统组网的灵活性。

5、本发明可以充分利用PC机强大的运算能力，减少运动控制卡运算量和组网中间环节，使得运动控制系统的算法构成更加灵活，并提高了整个系统的稳定性。

附图说明

图1是本发明控制系统EtherCAT主站系统结构示意图。

图2是本发明控制系统EtherCAT从站系统结构示意图。

图3是本发明控制方法流程示意图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例1

如图1所示，本发明包括在Linux环境下的EtherCAT主站与从站系统。其中EtherCAT主站系统包括数控系统GUI、EtherCAT工具、任务控制器、运动控制器、硬件抽象层、EtherCAT主站模块、网卡驱动、RTAI实时包、以太网口。

在本实施例中，EtherCAT主站系统基于intel x86硬件平台上，数控系统GUI、EtherCAT工具、任务控制器、运动控制器、硬件抽象层是一个完整的Linux CNC数控系统。数控系统GUI是便于人机交互的界面程序，操作人员利用GUI执行操作工序。EtherCAT工具是用于启动EtherCAT主站模块及进行通信测试的工具。任务控制器运行周期为10ms。硬件抽象层将各个底层的硬件驱动、实时算法等抽象出来构成一个组件，为Linux CNC数控系统提供规范的引脚及参数配置，从而方便运动控制器与EtherCAT主站模块之间交换数据。RTAI实时包使普通Linux操作系统拥有双内核，RTAI实时包将Linux内核作为一个优先级最低的任务来运行，只有当没有实时任务运行时才运行Linux系统，该架构下，实时任务交由RTAI实时包调度运行，非实时任务交由Linux内核运行，形成充分发挥Linux系统优点的硬实时操作系统。本实施例中RTAI实时包的任务响应时间小于10us，具有非常好的实时性，远胜于在window下的实时性能。以太网口为标准网口RJ45网口。从站系统中第一个以太网接口或第二个以太网口与主站以太网口连接，并遵循EtherCAT总线通信协议进行通讯。

如图1所示，位于Linux系统应用空间的EtherCAT工具启动EtherCAT主站，数控系统GUI发出控制指令到Linux系统内核空间的任务控制器，任务控制器将特定控制指令解析规范化后细分为小的执行区间段，再下发到运动控制器，运动控制器通过硬件抽象层读取到伺服设备反馈的运行速度等信息后，完成运动轨迹规划、插补、计算进给量，进行刀具补偿等功能后，将加工具体的位置/速度指令值通过硬件抽象层发送给EtherCAT主站模块，EtherCAT主站模块将位置/速度指令值插入标准EtherCAT总线数据帧，并通过以太网口发送到从站系统中的第一以太网口或第二以太网口。

如图2所示，为本实施例所述Linux环境下的EtherCAT主站与从站系统中的EtherCAT从站系统图。EtherCAT从站系统包括电源、FPGA、数字量接口、开关量接口、模拟量接口、MCU处理器、从站控制器、EEPROM、物理层芯片、网络变压器、第二以太网口、第一以太网口、引脚配置。所述FPGA型号为EP2C5T144，所述模拟量端口采用芯片信号为DAC8568，所述MCU处理器型号为STM32F103R，所述从站控制器采用ET1200，所述EEPROM采用容量为2KB的AT24LC16A，所述物理层芯片型号为KSZ8721，所述网络变压器型号为H1102，所述第一以太网口、第二以太网口均为标准以太网口RJ45。

如图2所示，电源向MCU处理器提供工作电压，保证EtherCAT从站系统的电力供应。引脚配置模块配置从站控制器ET1200的端口配置功能、TX相位偏移、CPU时钟输出、EEPROM容量、物理层芯片地址偏移等功能。从站控制器通过SII从站信息接口读取EEPROM中的从站控制器配置、序列号、硬件延时等描述信息以初始化。

如图2所示，EtherCAT主站系统通过以太网口发送带有位置/速度指令值的EtherCAT数据帧到第一以太网口，并通过EtherCAT协议自定义的一种使用低压差分信号LVDS的物理层传输方式EBUS发送数据帧到从站控制器中。采用EBUS端口传输延时约100ns，最大传输距离为10m。

如图2所示，EtherCAT主站系统通过以太网口发送带有位置/速度指令值的EtherCAT数据帧到第二以太网口，并通过网络变压器发送给物理层芯片，这种传输方式实现了信号的隔离，提高了通信的可靠性。物理层芯片实现数据编码、译码和收发，将数据帧通过MII接口发送到从站控制器中。由于ET1200芯片使用两种物理层接口模式MII和EBUS，而第二以太网口与从站控制器7之间添置了额外的物理层芯片，所以端口的传输延时约为500ns，但更适宜与长距离连接。

如图2所示，从站控制器在接收到物理层芯片或第一以太网口传输的EtherCAT数据帧后，从站处理器实现EtherCAT主站与从站系统的数据交换，从EtherCAT数据帧报文中提取发送给自己的输出命令并存储到内部存储区，输入数据从内部存储区写到相应的子报文中。从站控制器有实现数据链路层数据帧处理的硬件，提高了报文传输效率。从站控制器通过MII接口将经过数据链路层硬件提取和插入的数据帧转发给MCU处理器，MCU处理器读取位置/速度指令值并反馈采样设备的反馈数据，写入从站控制器，由主站读取。当伺服设备工作于速度模式时，一般使用模拟量，此时MCU处理器直接通过SPI接口输出速度指令值到模拟量端口，模拟量端口直接与伺服设备连接，既发送速度指令值又读取伺服设备反馈值，形成半闭环控制。当伺服设备工作于位置模式时，MCU处理器通过SPI接口输出位置指令值到FPGA，经过FPGA处理后发出正交脉冲和正交脉冲计数到数字量端口和开关量端口。数字量端口直接与伺服设备连接，发出位置指令值并读取伺服设备反馈脉冲，经由FPGA处理后反馈回从站控制器，并最终与主站通信，构成一个完整的位置全闭环控制。开关量端口读取用户输入开关量脉冲后发送到FPGA，并最终通过从站控制器传回主站系统硬件抽象层，反馈给LinuxCNC数控系统。

参见图3，本发明基于linux的EtherCAT主从/站控制系统的控制方法的步骤如下：

第1步，将RTAI实时包加载到已加载网卡驱动的linux操作系统中，启动EtherCAT主站模块。

第2步，依次加载运动控制器、任务控制器、硬件抽象层、数控系统GUI。硬件抽象层通过加载特定配置文件，加载EtherCAT主站模块、定义与EtherCAT主站交换数据的端口，从站控制器加载存储在EEPROM中的配置信息，最终完成整个EtherCAT网络的构建。EtherCAT主站系统一方面发送运动控制器输出的位置/速度值，另一方面读取反馈值完成闭环控制。数控系统GUI通过硬件抽象层加载不同的运动控制器完成不同的控制目标，同时根据不同的控制要求定义抽象逻辑接口和逻辑运算模块，并连接这些抽象逻辑接口和逻辑运算模块构成抽象逻辑电路。

第3步，操作人员在数控系统GUI上执行操作，发出运动指令，由任务控制器将运动过程细分成小的运动区段，经过运动控制器插补计算进给量，将具体的指令位置/速度值发送给抽象逻辑接口。这些指令值通过抽象逻辑接口发送给EtherCAT主站模块，仅当运动控制器判断实际位置/速度值与指令位置/速度值在误差范围内后方可继续下达指令值。

第4步，EtherCAT主站模块将接受到的位置/速度指令值按照EtherCAT通信协议插入标准以太网数据帧中，形成EtherCAT数据帧，通过以太网口发送给EtherCAT从站。

第5步，EtherCAT从站系统从主站接收到EtherCAT数据帧，从站控制器根据EtherCAT通信协议从数据帧中提取出位置/速度指令值，根据所接伺服设备接口类型，从模拟量接口或数字量接口发送出去。

第6步，所接伺服设备反馈回的脉冲信号从数字量接口进入从站控制器，从站控制器按照EtherCAT通信协议将信号编码成EtherCAT数据帧，通过以太网口发回给EtherCAT主站。

第7步，EtherCAT主站模块将EtherCAT数据帧中的信息提取出来，发送到抽象逻辑接口。经过抽象逻辑电路内的逻辑运算模块计算反馈脉冲值所代表的指令位置/速度值。

第8步，反馈回来的实际位置/速度值最终传回运动控制器与指令位置/速度值比较判断，形成闭环控制。

第9步，数控系统GUI也从硬件抽象层接口中获取到反馈的实际位置/速度信息，使得操作人员可以直观了解到系统运行。

第10步，数控系统GUI完成控制目标后停止运行，依次移除已加载进linux内核空间的任务控制器、运动控制器、硬件抽象层。再运行EtherCAT工具停止EtherCAT主站模块。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的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，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于Linux的EtherCAT主/从站控制系统，其特征在于，包括EtherCAT主站系统和EtherCAT从站系统，其中：

所述EtherCAT主站系统基于带有网卡的Intel x86硬件平台，用于将相关控制指令发送给其中的EtherCAT主站模块，EtherCAT主站模块按照EtherCAT通信协议将数据编码为EtherCAT报文后由以太网口传输给从站系统；

所述EtherCAT从站系统包括电源、MCU处理器、从站控制器、物理层芯片、网络变压器、第一以太网口及第二以太网口；所述电源与MCU处理器连接，为所述MCU处理器提供工作电压；主站系统与第一以太网口、第二以太网口相连，第一以太网口通过EBUS接口与从站控制器连接，第二以太网口依次经网络变压器、物理层芯片后通过MII接口与从站控制器连接；从站控制器通过MII接口与MCU处理器连接，MCU处理器用于采样接收伺服设备反馈数据并对外发送指令。

2.根据权利要求1所述的基于Linux的EtherCAT主/从站控制系统，其特征在于，所述EtherCAT从站系统包括数字量接口、开关量接口、模拟量接口和FPGA，MCU处理器分别通过SPI接口与模拟量接口与FPGA相连，FPGA与数字量接口、开关量接口相连。

3.根据权利要求2所述的基于Linux的EtherCAT主/从站控制系统，其特征在于，数字量接口带≤6个伺服电机，模拟量接口带≤8个伺服电机。

4.根据权利要求1所述的基于Linux的EtherCAT主/从站控制系统，其特征在于，所述EtherCAT从站系统还包括用于存储从站系统设备信息的EEPROM，其通过SII接口与从站控制器连接。

5.根据权利要求1所述的基于Linux的EtherCAT主/从站控制系统，其特征在于，所述EtherCAT从站系统还包括用于为从站控制器提供外置引脚配置功能的引脚配置模块，其与从站控制器模块连接。

6.一种基于权利要求1所述控制系统的基于Linux的EtherCAT主/从站控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）EtherCAT主站系统包括Linux系统内核空间和Linux系统应用空间；所述Linux系统内核空间内置有任务控制器、运动控制器、硬件抽象层、EtherCAT主站模块、网卡驱动和RTAI实时包；所述Linux系统应用空间内置有数控系统GUI和EtherCAT工具，EtherCAT工具包用于启动EtherCAT主站模块，通过数控系统GUI发送控制指令到Linux系统内核空间任务控制器，任务控制器对运动指令进行解析和转发调度，并将加工任务细化为小区间段，再下发给运动控制器，由运动控制器完成运动轨迹规划、插补、补偿，最后发送速度指令值或位置指令值到硬件抽象层，硬件抽象层接收到上述指令值后，发送给EtherCAT主站模块，EtherCAT主站模块按照EtherCAT通信协议将数据编码为EtherCAT报文由以太网口传输给从站系统的第一以太网口或第二以太网口；

（2）当EtherCAT报文由第一以太网口进入从站系统，由EBUS接口传输到从站控制器接收，处理后的报文通过MII接口发送给MCU处理器；当报文由第二以太网口传入从站系统，经过网络变压器进行信号隔离后，传输给物理层芯片模块进行数据编码、译码和收发，最后传送报文到从站控制器模块；从站控制器模块提取报文中的指令数据，发送给MCU处理器，MCU处理器采样接收伺服设备反馈数据并对外发送指令；

（3）MCU处理器接收伺服设备反馈回来的信号后，由从站系统发送给主站系统，主站系统中的EtherCAT主站模块从接收到的数据帧中提取出脉冲信号，发送到硬件抽象层中的抽象逻辑接口，由硬件抽象层中的抽象逻辑电路中的逻辑运算模块将脉冲信号转换成位置和速度信号传给运动控制器，完成闭环控制。

7.根据权利要求6所述的基于Linux的EtherCAT主/从站控制方法，其特征在于，所述步骤（1）中，硬件抽象层用于生成抽象逻辑接口以供输入输出，并提供逻辑运算模块，与抽象逻辑接口一起构建抽象逻辑电路。

8.根据权利要求6所述的基于Linux的EtherCAT主/从站控制方法，其特征在于，所述步骤（2）中，EtherCAT从站系统包括数字量接口、开关量接口、模拟量接口和FPGA，当伺服设备工作于速度模式时，使用模拟量，此时MCU处理器直接通过SPI接口输出速度指令值到模拟量端口，模拟量端口直接与伺服设备连接，既发送速度指令值又读取伺服设备反馈值，形成半闭环控制；当伺服设备工作于位置模式时，MCU处理器通过SPI接口输出位置指令值到FPGA，经过FPGA处理后发出正交脉冲和正交脉冲计数到数字量端口和开关量端口；数字量端口直接与伺服设备连接，发出位置指令值并读取伺服设备反馈脉冲，经由FPGA处理后反馈回从站控制器，并最终与主站通信，构成一个完整的位置全闭环控制；开关量端口读取用户输入开关量脉冲后发送到FPGA，并最终通过从站控制器传回主站系统硬件抽象层，反馈给运动控制器。

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