CN105024777A - 基于EtherCAT实时以太网的伺服驱动器同步方法 - Google Patents

Abstract

基于EtherCAT实时以太网的伺服驱动器同步方法，包括：从站链路层控制模块在分布时钟触发时，向应用层控制模块请求同步中断；应用层控制模块每次进入同步中断时计算中断响应延时Δt₁；第一次进入同步中断时，计算T_set＝T_Offset+(T_c-Δt₁)，T_set为应用层控制模块第一次接收到同步中断请求后的下一次伺服中断发起时刻，T_Offset为应用层控制模块接收到同步中断请求后的下一次伺服中断发起时刻与接收到该同步中断请求的时刻之间的时间偏差值。应用层控制模块根据T_set调整第一次进入同步中断时的那一伺服程序定时周期，并将第一个通信周期内的其余伺服程序定时周期恢复正常。本发明避免了数据更新与伺服应用程序之间的冲突，实现伺服控制数据同步更新和执行。

Description

基于EtherCAT实时以太网的伺服驱动器同步方法

技术领域

本发明涉及基于EtherCAT实时以太网的伺服驱动器同步方法。

背景技术

运动控制系统的发展水平决定了一个国家装备制造业的水平。随着现场总线和网络技术的发展，分布式运动控制系统是数控系统的重要发展方向。高水平的分布式运动控制系统需要实现高精度的电流、速度及位置全闭环控制，需要实现高效、高速的信息交互。

传统伺服驱动器接口需配备额外的运动控制卡，运动控制卡和伺服和驱动器之间以脉冲命令和模拟信号连接。这种方法布线复杂、通信速率低、集中控制方式复杂、可扩展性差，严重制约了中高档伺服技术的发展和应用。

相较而言，伺服驱动器采用现场总线通过全数字式信息传输可以实现分布式多轴控制。系统复杂性有所降低、扩展性较好、性能有所提升。较为广泛采用的伺服接口总线有PROFIBUS-DP、CANopen、DeviceNET等传统现场总线。。但传统现场总线通信速率较低、通信周期长、通信距离短；现场总线协议标准难以统一、兼容性差，主从站均需采用专用硬件；采用短帧通信，有效数据负载效率低。上述原因决定了传统现场总线接口的伺服驱动器难以满足中高端复杂运动控制系统的硬实时、高同步性、高效高速等要求。

如何实现通信和伺服的协同处理并保障不同伺服电流环周期的同步执行，是在高速通信基础上实现多轴伺服系统高精度、高同步执行要解决的问题。

近年来，诞生了实时以太网技术，该技术不仅传播速率快、数据包容量大、传输距离长、拓扑结构灵活而且保障较高的实时和同步性能，因而成为解决上述问题的新方案。基于EtherCAT实时以太网的伺服就是这样一种新方案。

EtherCAT实时以太网采用主从通信机制。一个完整的EtherCAT控制网络包含主站和从站。EtherCAT实时以太网的数据传输原理如图1所示：主站发送以太网帧给各个从站，接收到以太网帧的从站可以直接处理接收到的数据帧，并从中提取输出数据和插入对应的输入数据，然后将以太网帧传输到下一从站。网络上的最后一个EtherCAT从站发回经过各从站处理的数据帧，直到第一个从站将其发回给主控制器。通过这种方式，EtherCAT充分利用了以太网的全双工特性，通过发送一个数据帧完成所有从站的数据交互。

EtherCAT从站设备由负责实现网络通信的EtherCAT从站控制器(ESC，EtherCAT Slave Controller)和负责伺服控制应用的从站控制微处理器(MCU)组成。ESC硬件上由FPGA(Field-Programmable Gate Array，现场可编程门阵列)或通信专用ASIC芯片实现。FPGA负责通信的数据链路层处理，而MCU则负责实现应用层和伺服驱动控制程序。

EtherCAT实时以太网通过分布时钟(DC，Distributed Clock)使网络上的ESC使用相同的系统时间来满足各个节点间的高同步性能需求。各从站分布时钟会以第一个从站为参考测量和计算传输延时和本地时钟偏移，并进行补偿。ESC通过分布时钟按照主站配置的同步周期向伺服应用控制MCU发送同步信号，以实现精确的同步控制。通常采用基于EtherCAT的伺服多轴同步实现方案如下ESC在接收到数据帧时，取出输出过程数据并保存到DPRAM的接收数据缓存区中，同时将DPRAM的发送数据缓存的数据插入数据帧发送到下一从站。ESC完成和以太网的数据交互后向MCU发起数据交互PDI(Process DataInterface)中断请求，更新接收数据缓存区中的数据到MCU中的伺服应用变量。各从站ESC在分布时钟定时触发后，向伺服应用MCU发起SYNC同步中断请求。MCU进入SYNC同步中断后执行伺服应用程序，并将执行结果锁存并更新到ESC的送数据缓存等待下一周期发送至主站。

EtherCAT实时以太网提供了同步于主站的高速实时通信，不需要额外增加同步线缆，通过标准网线即可实现系统集成(如图2所示)，并且提供了多轴伺服系统的同步样例方案。但仍存在以下不足：

1)现有的EtherCAT伺服驱动器方案，伺服控制程序在SYNC同步中断中执行，SYNC同步中断的产生由分布时钟触发，电流环控制周期由伺服定时器时钟产生，两者存在定时偏移。在SYNC同步中断发生时，上一周期的伺服程序执行状态可能为已完成等待或未完成状态。此时强制更新伺服程序数据会造成系统误差。且各轴对SYNC同步中断响应延时存在一定误差，未进行补偿；

2)MCU响应ESC发起数据交互PDI中断请求，更新ESC接收数据缓存区中的数据到MCU中的伺服应用变量。ESC只对同步中断进行了延时和计数补偿，各从站发起PDI中断的时间未同步处理，即MCU中的伺服应用变量更新是非同步的。当分布时钟周期不等同于通信周期时，各从站上的伺服应用变量非同步，其更新和执行可能偏差一个周期。且同步中断具有更高优先级，可以把PDI中断打断，导致数据更新不完整出错；

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于提供一种基于EtherCAT实时以太网的伺服驱动器同步方法，其能对各从站的同步中断响应延时补偿，实现伺服控制数据同步更新和执行，对各从站的伺服程序定时器和分布时钟计数器的偏差进行补偿，对伺服中断和实时以太网同步中断进行协调，使两个中断的触发互不干扰，保证数据更新不被打断。

本发明所采用的技术方案是：

一种基于EtherCAT实时以太网的伺服驱动器同步方法，该伺服驱动器设有基于EtherCAT实时以太网的从站，该基于EtherCAT实时以太网的伺服驱动器同步方法包括：

从站的链路层控制模块在分布时钟触发时，向从站的应用层控制模块请求同步中断；

应用层控制模块在每次进入同步中断时读取当前系统时刻T_sys以及伺服定时器的计数值T_c，并计算中断响应延时Δt₁；其中，Δt₁＝T_sys-T_dc-sys，所述的中断响应延时Δt₁为链路层控制模块在分布时钟触发的时刻与当前系统时刻之间的偏移量，T_dc-sys为从链路层控制模块读取的本次分布时钟触发时刻；

在第一次进入同步中断时，应用层控制模块计算T_set＝T_Offset+(T_c-Δt₁)，其中，T_set为应用层控制模块在第一次接收到同步中断请求后的下一次伺服中断发起时刻，T_Offset为应用层控制模块接收到同步中断请求后的下一次伺服中断发起时刻与接收到该同步中断请求的时刻之间的时间偏差值，T_Offset＝T_const；其中T_const为预先设定的常量，T_const需满足T_sync<T_const<T_period-T_servo；T_sync为同步中断的执行时间；T_servo为伺服中断的执行时间，T_period为伺服定时器的伺服程序理论定时周期；

应用层控制模块根据计算出的T_set调整在第一次进入同步中断时的那一个伺服定时器的伺服程序定时周期；

应用层控制模块将处于第一次同步中断所在的那一个通信周期内的其余伺服定时器的伺服程序定时周期恢复为伺服程序理论定时周期T_period。

上述的基于EtherCAT实时以太网的伺服驱动器同步方法，其中，应用层控制模块从第二次进入同步中断开始，每次进入同步中断时均计算接收到同步中断请求时的伺服定时器的实际计数值T₂与理论计数值T₁之间的偏差ΔT:ΔT＝T₂-T₁＝(T_c-Δt₁)-(T_period-T_Offset)＝T_c+T_Offset-T_period-Δt₁；并将本次同步中断所在通信周期内的伺服定时器的伺服程序定时周期设为T_periodNew，T_periodNew＝T_period+ΔT/m，其中m为通信周期除以伺服程序理论定时周期的整数倍数。

本发明具有以下优点：

1、本发明通过在EtherCAT实时以太网通信建立后第一次分布时钟触发时，调整伺服定时器的当前伺服程序定时周期，在保证伺服中断优先级最高的情况下，避免了数据更新与伺服应用程序之间的冲突，实现了各轴数据的同步执行并保证数据更新不会被打断；

2、本发明在每一通信周期内的多个伺服中断周期内均匀地补充异步时钟误差，提高了EtherCAT实时以太网数据传输的同步性能，对于高速、高精度分布式运动控制系统具有重要意义；

3、为避免通信同步中断被伺服中断打断，两者相互干扰，造成数据传输出错，本发明在PDI中断中将接收到的数据更新至应用层控制模块中的输出过程数据缓存,在同步中断时再从同步程序中更新数据至应用程序数据交换接口，从而提高了EtherCAT实时以太网数据传输的可靠性和安全性。

附图说明

图1是EtherCAT实时以太网的工作原理示意图。

图2是EtherCAT实时以太网实现多轴伺服系统的同步线型连接结构示意图。

图3是根据本发明一实施例的同步方法的原理示意图。

图4是根据本发明一实施例的从站的数据传输示意图。

图5是根据本发明一实施例的EtherCAT实时以太网的一个通信周期的流程示意图。

具体实施方式

在保证伺服中断优先级最高的前提下，对伺服中断和EtherCAT同步中断需要进行协调，使两个中断的触发互不干扰。根据本发明一实施例的基于EtherCAT实时以太网的伺服驱动器同步方法包括以下步骤：

从站的链路层控制模块在分布时钟触发时，向从站的应用层控制模块请求同步中断；

应用层控制模块在每次进入同步中断时读取当前系统时刻T_sys(即系统时钟显示的时刻)以及伺服定时器的计数值T_c，并计算中断响应延时Δt₁；其中，Δt₁＝T_sys-T_dc-sys，中断响应延时Δt₁为链路层控制模块在分布时钟触发的时刻(即发起同步中断的时刻)与当前系统时刻之间的偏移量，T_dc-sys为从链路层控制模块读取的本次分布时钟触发时刻；

在第一次进入同步中断时，应用层控制模块计算T_set＝T_Offset+(T_c-Δt₁)，其中，T_set为应用层控制模块在第一次接收到同步中断请求后的下一次伺服中断发起时刻，T_Offset为应用层控制模块接收到同步中断请求后的下一次伺服中断发起时刻与接收到该同步中断请求的时刻之间的时间偏差值，T_Offset＝T_const；其中T_const为预先设定的常量，T_const需满足T_sync<T_const<T_period-T_servo；T_sync为同步中断的执行时间；T_servo为伺服中断的执行时间，T_period为伺服定时器的伺服程序理论定时周期(也即理论电流环周期)；

应用层控制模块根据计算出的T_set调整在第一次进入同步中断时的那一个伺服定时器的伺服程序定时周期；

应用层控制模块将处于第一次同步中断所在的那一个通信周期内的其余伺服定时器的伺服程序定时周期恢复为伺服程序理论定时周期T_period；

应用层控制模块从第二次进入同步中断开始，每次进入同步中断时均计算接收到同步中断请求时的伺服定时器的实际计数值T₂与理论计数值T₁之间的偏差ΔT:ΔT＝T₂-T₁＝(T_c-Δt₁)-(T_period-T_Offset)＝T_c+T_Offset-T_period-Δt₁；并将本次同步中断所在通信周期内的伺服定时器的伺服程序定时周期设为T_periodNew，T_periodNew＝T_period+ΔT/m，其中m为通信周期除以伺服程序理论定时周期的整数倍数。

下面结合图3所示对上述同步方法的原理做进一步的阐述。

在尚未进行同步操作时，分布时钟的触发时刻与伺服定时器触发时刻之间的偏移量是随机的，不同从站的伺服定时器的触发时刻偏差也是随机的，即输出数据在不同的时刻被执行。伺服中断程序具有最高优先级，可能将SYNC同步中断程序打断，因此在通讯建立时需在SYNC同步中断中对伺服中断进行调整，以避开同步中断。

为对本地时钟进行同步，如图3所示，从站的应用层控制模块进入同步中断时需要计算分布时钟触发的时刻(同步中断发起时刻)和当前系统时刻之间的偏移量Δt₁，Δt₁＝T_sys-T_dc-sys。T_sys为当前系统时钟，T_dc-sys为从链路层控制模块读取的本次分布时钟触发时刻，可以在前一通信周期中从链路层控制模块的寄存器中读取。若要使调整后的伺服中断与同步中断程序不发生冲突，则同步中断应发生在两次伺服中断之间的空闲时刻，且空闲间隔满足同步中断程序执行时间要求。即应用层控制模块在分布时钟触发后的下一次伺服中断与接收到该同步中断请求的时刻之间的时间偏差值T_Offset应满足条件：

T_Offset>T_sync(公式1)

其中T_sync为同步中断的执行时间。

为确保从站链路层控制模块发起同步中断请求时，从站应用层控制模块已完成伺服中断处理，则还应满足：

T_period-T_Offset>T_servor(公式2)

即：

T_period-T_servor>T_Offset>T_sync(公式3)

其中T_period为伺服定时器的伺服程序理论定时周期，T_servor和T_sync需根据从站应用层控制模块性能及代码优化程度确定。实际应用时，可取：

T_Offset＝T_const(公式4)

其中T_const为定值，且满足：

T_sync<T_const<T_period-T_servor(公式5)

如图3所示，在通信建立后第一次接收到链路层控制模块的同步中断请求时，调整伺服当前周期定时值使偏移量满足公式3即可满足同步要求。可得：

T_set＝T_Offset+(T_c-Δt₁)(公式6)

若分布时钟的定时周期T_dc/T_period＝m，则下个分布时钟触发将在从站应用层控制模块经过m次伺服程序理论定时周期后到达，且此时T_c＝T_period×m-T_period×(m-1)-T_Offset+Δt₁＝T_period-T_Offset+Δt₁，根据公式2可得T_c>T_servor，T_period-T_c>T_sync。即应用层控制模块已执行完伺服程序，SYNC同步中断将直接得到响应并有足够的执行时间而不会被伺服中断打断。

从站上电启动后，从站应用层控制模块即开始以定时器触发的电流环周期为基准执行伺服应用程序，该周期小于EtherCAT的通信周期。从站与主站都基于各自的时钟运行，因而需要对伺服中断周期进行周期性动态补偿，使分布时钟的定时周期T_dc应是理论电流环周期的整数倍m。

正常通信后，补偿主、从节点各自时钟的漂移，可采用分布时钟的触发时间为基准进行本地时钟校正。在完成前述的初始时钟调整后，各从站在分布时钟触发时，伺服定时器的理论值为T₁＝T_period-T_Offset，实际值为T₂＝T_c-Δt₁，则从节点本地定时误差为ΔT＝T₂-T₁＝(T_c-Δt₁)-(T_period-T_Offset)＝T_c+T_Offset-T_period-Δt₁(公式7)。则本通信周期内，该从站补偿后的伺服定时周期T_periodNew＝T_period+ΔT/m(公式8)。

为避免通信同步中断被伺服中断打断，两者相互干扰，造成数据传输出错，并且给从站留下更多的处理时间，本发明的同步方法还包括以下步骤：

当从站的链路层控制模块接收到本从站的过程数据帧时，从中提取输出过程数据后存储在链路层存储模块中，同时在该过程数据帧中写入输入数据；

从站的链路层控制模块向应用层控制模块发起PDI中断请求；

从站的应用层控制模块在PDI中断程序中从链路层存储模块中读取输出过程数据，并将该输出过程数据保存在应用层控制模块的输出过程数据缓存区；

从站的链路层控制模块在分布时钟触发后，向应用层控制模块发起同步中断请求；

应用层控制模块在收到该同步中断请求时，在同步中断程序中将输出过程数据从所述的输出过程数据缓存区更新到应用层控制模块的应用程序数据交换接口，同时锁存输入过程数据，并将该输入过程数据写到所述的链路层存储模块中。

优选地，上述的链路层控制模块为FPGA或通信专用ASIC芯片，应用层控制模块为MCU或SOPC。所述的应用层控制模块的应用程序数据交换接口为该应用层控制模块的对象字典，所述的链路层存储模块为DPRAM。

本专利在FPGA+MCU的方案基础上引入输出过程数据缓存机制(如图4所示)。在PDI中断中将接收到的数据更新至MCU中的输出过程数据缓存。在同步中断时再从节点同步程序中更新数据至应用程序数据交换接口，从而提高了EtherCAT实时以太网数据传输的可靠性和安全性。

在一个具体的实施例中，本发明的同步方法的技术方案步骤如下:

1)测量伺服中断执行时间T_servor和同步中断执行时间T_sync，选取安全、尽量小的T_const值使T_sync<T_const<T_period-T_servor成立，如T_sync＝15us，T_period＝100us，T_servor＝40us，则可取T_const＝20us。将T_const保存在从站程序中。

2)上电启动，根据(公式4)，计算本从站的T_Offset；

3)建立网络通信连接，一个完整的通信周期内的程序流程如图5所示。

在同步通信阶段，当FPGA(即ESC)接收到本从站的节点数据帧时，从中提取输出过程数据后存储在DPRAM中，同时向以太网数据帧写入上个周期执行完的输入数据。FPGA完成和以太网的数据交换后向MCU发起PDI中断请求，表示DPRAM中已准备好输出过程数据。MCU在PDI中断程序中从DPRAM中读取输出过程数据，并保存在MCU的输出过程数据缓存区。

然后，FPGA中的分布时钟计数器触发后，向MCU请求同步中断。MCU在进入同步中断时读取相关寄存器并计算中断响应延时Δt₁＝T_sys-T_dc-sys,并读取本地伺服定时器当前计数值T_c。如果是第一次进入同步中断，计算T_set＝T_Offset+(T_c-Δt₁)(公式6)并赋给伺服定时器定时周期，进行延时补偿；如果已完成延迟补偿，则按照公式7、公式8计算新的周期设定值校正异步时钟漂移。

接着在MCU在SYNC同步中断程序中将输出数据从缓存区更新到应用程序数据更新接口，锁存输入数据并写到FPGA中DPRAM的输入数据区中。

Claims (5)

1.一种基于EtherCAT实时以太网的伺服驱动器同步方法，所述的伺服驱动器设有基于EtherCAT实时以太网的从站，其特征在于，该基于EtherCAT实时以太网的伺服驱动器同步方法包括：

从站的链路层控制模块在分布时钟触发时，向从站的应用层控制模块请求同步中断；

应用层控制模块在每次进入同步中断时读取当前系统时刻T_sys以及伺服定时器的计数值T_c，并计算中断响应延时Δt₁；其中，Δt₁＝T_sys-T_dc-sys，所述的中断响应延时Δt₁为链路层控制模块在分布时钟触发的时刻与当前系统时刻之间的偏移量，T_dc-sys为从链路层控制模块读取的本次分布时钟触发时刻；

在第一次进入同步中断时，应用层控制模块计算T_set＝T_Offset+(T_c-Δt₁)，其中，T_set为应用层控制模块在第一次接收到同步中断请求后的下一次伺服中断发起时刻，T_Offset为应用层控制模块接收到同步中断请求后的下一次伺服中断发起时刻与接收到该同步中断请求的时刻之间的时间偏差值，T_Offset＝T_const；其中T_const为预先设定的常量，T_const需满足T_sync<T_const<T_period-T_servo；T_sync为同步中断的执行时间；T_servo为伺服中断的执行时间，T_period为伺服定时器的伺服程序理论定时周期；

应用层控制模块根据计算出的T_set调整在第一次进入同步中断时的那一个伺服定时器的伺服程序定时周期；

应用层控制模块将处于第一次同步中断所在的那一个通信周期内的其余伺服定时器的伺服程序定时周期恢复为伺服程序理论定时周期T_period。

2.如权利要求1所述的基于EtherCAT实时以太网的伺服驱动器同步方法，其特征在于，

应用层控制模块从第二次进入同步中断开始，每次进入同步中断时均计算接收到同步中断请求时的伺服定时器的实际计数值T₂与理论计数值T₁之间的偏差ΔT:ΔT＝T₂-T₁＝(T_c-Δt₁)-(T_period-T_Offset)＝T_c+T_Offset-T_period-Δt₁；并将本次同步中断所在通信周期内的伺服定时器的伺服程序定时周期设为T_periodNew，T_periodNew＝T_period+ΔT/m，其中m为通信周期除以伺服程序理论定时周期的整数倍数。

3.如权利要求1所述的基于EtherCAT实时以太网的伺服驱动器同步方法，其特征在于，

当从站的链路层控制模块接收到本从站的过程数据帧时，从中提取输出过程数据后存储在链路层存储模块中，同时在该过程数据帧中写入输入数据；

从站的链路层控制模块向应用层控制模块发起PDI中断请求；

从站的应用层控制模块在PDI中断程序中从链路层存储模块中读取输出过程数据，并将该输出过程数据保存在应用层控制模块的输出过程数据缓存区；

从站的链路层控制模块在分布时钟触发后，向应用层控制模块发起同步中断请求；

应用层控制模块在收到该同步中断请求时，在同步中断程序中将输出过程数据从所述的输出过程数据缓存区更新到应用层控制模块的应用程序数据交换接口，同时锁存输入过程数据，并将该输入过程数据写到所述的链路层存储模块中。

4.如权利要求3所述的基于EtherCAT实时以太网的伺服驱动器同步方法，其特征在于，所述的链路层控制模块为FPGA或通信专用ASIC芯片，所述的应用层控制模块为MCU或SOPC。

5.如权利要求4所述的基于EtherCAT实时以太网的伺服驱动器同步方法，其特征在于，所述的应用层控制模块的应用程序数据交换接口为该应用层控制模块的对象字典，所述的链路层存储模块为DPRAM。