CN109308030A - 一种基于EtherCAT总线的伺服驱动控制系统 - Google Patents

一种基于EtherCAT总线的伺服驱动控制系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于EtherCAT总线的伺服驱动控制系统，包括：存储器、从站接口控制器、至少两个网络端口、控制单元、双口RAM模块；存储器用于存储伺服驱动所在从站设备的从站描述文件；网络端口与从站接口控制器连接，用于与外界通讯设备进行通讯连接；从站接口控制器用于从存储器中读取从站描述文件所包含的配置数据，以及在EtherCAT数据帧经过时，存储主站传输的输入数据，并将控制单元所要传输至主站的数据插入到EtherCAT数据帧中；控制单元用于从从站接口控制器读取主站的输入数据，并对该输入数据进行协议处理，以及将从站伺服驱动的反馈信号反馈至主站；双口RAM模块与控制单元以及从站伺服驱动连接。既能提高总线通讯速率，又满足伺服驱动的同步性能要求，还可以能降低从站设备的硬件成本。

Description

一种基于EtherCAT总线的伺服驱动控制系统
技术领域
本发明涉及工业自动化控制领域，特别是涉及一种伺服驱动的控制系统。
背景技术
近年来伺服驱动技术得到了飞速的发展，伺服驱动技术被广泛的应用于智能机器人、高精度数控机床、高速印刷以及电子装配等工业自动化领域。然而，随着这些高端的工业自动化设备的复杂程度越来越高，功能越来越完备，也带来了诸多问题。设备的体积的增大使得厂商对设备部件的集成化程度要求越来越高，线缆的增多也大大提高了安装与维护成本，数据传输方式逐渐由模拟量发展成数字式导致了对设备不同模块之间的同步性与实时性的要求越来越高。现有的伺服驱动器大多还是基于具有串行通信方式特征的总线，如Modbus、CANopen、PROFIBUS-DP、MotionNet等，但受其通讯速率的限制，很难同时满足高端自动化设备对控制速度与同步性的要求。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于EtherCAT总线的伺服驱动控制系统，既可提高总线通信速率，也可满足伺服驱动器的同步性能要求。
为解决上述技术问题，本发明提供了如下技术方案：
一种基于EtherCAT总线的伺服驱动控制系统，包括：存储器、从站接口控制器、至少两个网络接口、主控单元、双口RAM模块；其中，所述存储器用于存储伺服驱动所在从站设备的从站描述文件；所述网络接口与所述从站接口控制器连接，用于与外界通讯设备进行通讯连接；所述从站接口控制器用于从所述存储器中读取所述从站描述文件所包含的配置数据，以及在EtherCAT数据帧经过时，存储EtherCAT主站传输的输入数据，并将所述主控单元所要传输至所述EtherCAT主站的数据插入到所述EtherCAT数据帧中；所述主控单元用于从所述从站接口控制器读取所述EtherCAT主站的输入数据，并对该输入数据进行协议处理，以及将从站伺服驱动的反馈信号反馈至所述EtherCAT主站；所述双口RAM模块与所述MCU处理器以及从站伺服驱动连接。
优选地，所述从站接口控制器包括LAN9252协议芯片。
优选地，所述存储器为EEPROM芯片，所述EEPROM芯片通过I2C总线和所述LAN9252协议芯片连接。
优选地，所述控制单元通过并口和所述LAN9252协议芯片以及所述双口RAM芯片进行数据交互。
优选地，所述控制单元通过PDI接口和所述LAN9252协议芯片以及所述双口RAM芯片连接。
优选地，所述双口RAM芯片包括CPLD芯片和用于连接所述CPLD芯片和所述从站伺服驱动的第一硬件接口。
优选地，所述网络端口包括网络变压器和与所述网络变压器连接的第二硬件接口。
优选地，所述控制单元为ARM Cortex-M4内核CPU。
与现有技术相比，上述技术方案具有以下优点：
本发明实施例所提供的一种基于EtherCAT总线的伺服驱动控制系统，包括：存储器、从站接口控制器、至少两个网络端口、控制单元、双口RAM模块；其中，所述存储器用于存储伺服驱动所在从站设备的从站描述文件；所述网络端口与所述从站接口控制器连接，用于与外界通讯设备进行通讯连接；所述从站接口控制器用于从所述存储器中读取所述从站描述文件所包含的配置数据，以及在EtherCAT数据帧经过时，存储EtherCAT主站传输的输入数据，并将所述控制单元所要传输至所述EtherCAT主站的数据插入到所述EtherCAT数据帧中；所述控制单元用于从所述从站接口控制器读取所述EtherCAT主站的输入数据，并对该输入数据进行协议处理，以及将从站伺服驱动的反馈信号反馈至所述EtherCAT主站；所述双口RAM模块与所述控制单元以及从站伺服驱动连接。控制单元通过从站接口控制器获取存储器中的从站描述文件，以对从站设备进行相应地配置，通过从站接口控制器和EtherCAT主站进行通信，提高了总线通信速率，且其内置以太网PHY能够节约硬件成本，体积更小更利于伺服驱动接口装置的PCB布局，当主站发出控制信号时，经由从站接口控制器处理后发送至控制单元，进行协议处理后发送至从站伺服驱动，从站接口控制器连接有至少两个网络接口，其一网络接口可以连接主站，另一网络接口连接其余的从站，而其余的各从站之间可以通过自身的网络接口进行互联，从站接口控制器和控制单元具有交换机的功能，实现主站和各从站的同步。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明一种具体实施方式所提供的伺服驱动接口装置结构示意图；
图2为本发明另一种具体实施方式所提供的伺服驱动接口装置结构示意图。
具体实施方式
本发明的核心是提供一种伺服驱动接口装置，既能满足伺服驱动的同步性能要求，又能降低从站设备的硬件成本。
为了使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。
在以下描述中阐述了具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以多种不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广。因此本发明不受下面公开的具体实施方式的限制。
请参考图1，图1为本发明一种具体实施方式所提供的伺服驱动接口装置结构示意图。
本发明的一种具体实施方式提供了一种伺服驱动接口装置，该伺服驱动接口装置用于设置在从站中作为通讯卡实现主站和该装置所在从站的伺服驱动的通讯。该伺服驱动接口装置包括：存储器1、从站接口控制器2、至少两个网络端口3、控制单元4、双口RAM模块5。
其中，存储器1用于存储伺服驱动所在从站设备的从站描述文件，该从站描述文件包括两部分，一部分主要包含对从站控制器ESC的启动初始化控制配置信息，一部分主要包含同步管理器的配置，PDO的映射和分配以及整个对象字典的信息。
网络端口3与从站接口控制器2连接，用于与外界通讯设备进行通讯连接，外界的通讯设备指的是主站或者其他伺服驱动所在的从站。
从站接口控制器2用于在自身上电或复位后从存储器1中读取从站描述文件所包含的配置数据装入相应的寄存器以及在EtherCAT数据帧经过时，存储EtherCAT主站传输的输入数据，并将控制单元4所要传输至EtherCAT主站的数据插入到EtherCAT数据帧中。从站接口控制器优选为LAN9252协议芯片，其通过硬件自动实现数据链路层的功能，直接与网络端口连接，不需要PHY控制器芯片。
控制单元4用于从从站接口控制器读取EtherCAT主站的输入数据，并对该输入数据进行协议处理，以及将从站伺服驱动的反馈信号反馈至EtherCAT主站；双口RAM模块5与控制单元4以及从站伺服驱动连接。
在本实施方式中，控制单元通过从站接口控制器获取存储器中的从站描述文件，以对从站设备进行相应地配置，通过从站接口控制器和EtherCAT主站进行通信，提高了总线通信速率，且其内置以太网PHY能够节约硬件成本，体积更小更利于伺服驱动接口装置的PCB布局，当主站发出控制信号时，经由从站接口控制器处理后发送至控制单元，进行协议处理后发送至从站伺服驱动，从站接口控制器连接有至少两个网络接口，其一网络接口可以连接主站，另一网络接口连接其余的从站，而其余的各从站之间可以通过自身的网络接口进行互联，从站接口控制器和控制单元具有交换机的功能，实现主站和各从站的同步。
请参考图2，图2为本发明另一种具体实施方式所提供的伺服驱动接口装置结构示意图。
在本发明的一种实施方式中，优选存储器1为EEPROM芯片1，EEPROM芯片1通过I2C总线和LAN9252协议芯片2连接。控制单元4通过并口和LAN9252协议芯片以及双口RAM芯片5进行数据交互，其数据线和地址线可以有效复用。控制单元4通过PDI接口6和LAN9252协议芯片2以及双口RAM芯片5连接。双口RAM芯片5包括CPLD芯片51和用于连接CPLD芯片51和从站伺服驱动的第一硬件接口52，优选该第一硬件接口为34脚直排针伺服驱动接口。网络端口3包括网络变压器31和与网络变压器31连接的第二硬件接口32，该第二硬件接口优选为RJ45接口。控制单元为ARM Cortex-M4内核CPU。
在本实施方式中，LAN9252协议芯片在自身上电或复位后，从EEPROM芯片自动读取配置数据装入相应寄存器，主要包含对ESC的PDI接口的配置，对信号驱动类型的配置，对分布时钟的配置。CPLD芯片负责控制单元和伺服驱动之间的数据互通。控制单元负责应用层协议处理，一方面通过LAN9252协议芯片读取主站的控制指令，经过协议数据处理后，再通过CPLD写入伺服驱动；另一方面，经由CPLD芯片获取伺服驱动的状态数据，经过协议数据处理后，写入LAN9252协议芯片，再发送给主站，从而实现整个数据交换过程。
本发明实施方式中的伺服驱动接口装置主要包括3个部分：应用层电路、数据链路层电路及数据交换电路。应用层电路即采用ARM Cortex-M4内核CPU，数据链路层电路采用LAN9252从站协议芯片，数据交换电路采用CPLD芯片。
其具体工作过程为，装置上电进行相应初始化，控制单元初始化主要完成控制单元寄存器、模块寄存器的初始化及相关中断的初始化。EtherCAT从站初始化完成从站控制器ESC配置参数的初始化、EtherCAT协议和应用层协议相关变量的初始化。对象字典初始化主要是对输入输出通道的同步管理器SM参数初始化。在初始化中还要为过程数据在ESC中的DPRAM分配存储空间，为实现与主站的数据交互做准备。系统完成初始化后，在主函数中判断状态机改变事件请求位，执行状态管理机制。
EtherCAT的应用层控制程序支持CANopen协议，其主要功能包括：使用邮箱通信访问CANopen对象字典及其对象，实现网络初始化；使用CANopen应急对象和可选的事件驱动PDO消息，实现网络管理；使用对象字典映射过程数据，周期性传输指令数据和状态数据。
非周期性数据通信与周期性过程数据通信是EtherCAT网络中主从站之间数据交换的两种形式。非周期性数据通信采用邮箱方式进行，邮箱数据通信使用两个存储同步管理通道，通常主站到从站通信使用同步管理单元0(SM0)，从站到主站通信使用同步管理单元1(SM1)，它们可被配置成一个缓冲区方式，使用握手来避免数据溢出，只有把缓冲区数据写满后，另一端才能读取，并且只有当内存中的数据全部读出时，一端才能重新写入数据。周期性过程数据通信采用现场总线逻辑单元进行寻址，缓冲区可以被主从节点同时访问；一般地，同步管理单元2(SM2)用于管理RxPDO，同步管理单元3(SM3)用于管理TxPDO。与邮箱数据的传输采用握手机制不同，PDO传输为了保证实时性，采用三缓存模式，允许主站和从站在任何时候对缓存区进行读写操作。三个缓存区统一由同步管理单元SM进行管理，SM对三缓存区只分配一个物理地址，实际对缓存区进行访问时，将由同步管理单元SM重新定向决定访问三个缓存区中的哪一个，同步管理单元由主站XML文件进行配置。
EtherCAT协议的状态机包括初始化(Init)、预运行(Pre-0P)、安全运行(Safe-OP)和运行状态(0P)四种。初始化状态时，主站通过EEPROM里的配置信息对从站的相关寄存器进行配置和初始化，无法进行数据交换；预运行状态时，EtherCAT协议可以进行邮箱数据的通讯，主站通过邮箱数据将一些初始化数据发送给从站，但是不能进行过程数据的传输；安全运行状态时，主站通过对从站的现场管理单元和SM通道的设置，可以发送过程数据给从站，但是从站无法发送过程数据给主站；运行状态下，主站和从站可以进行完整的数据通讯。
EtherCAT提供的分布时钟单元使得网络中所有设备都能够获得一个彼此相差极小的绝对系统时间，实现从站之间(以及与主站之间)的时钟同步，产生同步的中断，是实现伺服驱动同步要求的关键。
综上所述，本发明所提供的伺服驱动控制系统，通过从站接口控制器，尤其是从站接口控制器为LAN9252协议芯片和EtherCAT主站进行通信，提高总线通讯速率，且其内置以太网PHY能够节约硬件成本，体积更小更利于伺服驱动接口装置的PCB布局，当主站发出控制信号时，经由LAN9252协议芯片处理后发送至控制单元，进行协议处理后发送至从站伺服驱动，LAN9252协议芯片连接有至少两个网络接口，其一网络接口可以连接主站，另一网络接口连接其余的从站，而其余的各从站之间可以通过自身的网络接口进行互联，LAN9252协议芯片和控制单元具有交换机的功能，实现主站和各从站的同步。
以上对本发明所提供的一种伺服驱动接口装置结构进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (8)

1.一种基于EtherCAT总线的伺服驱动控制系统，其特征在于，包括：存储器、从站接口控制器、至少两个网络端口、控制单元、双口RAM模块；其中，所述存储器用于存储伺服驱动所在从站设备的从站描述文件；所述网络端口与所述从站接口控制器连接，用于与外界通讯设备进行通讯连接；所述从站接口控制器用于从所述存储器中读取所述从站描述文件所包含的配置数据，以及在EtherCAT数据帧经过时，存储EtherCAT主站传输的输入数据，并将所述控制单元所要传输至所述EtherCAT主站的数据插入到所述EtherCAT数据帧中；所述控制单元用于从所述从站接口控制器读取所述EtherCAT主站的输入数据，并对该输入数据进行协议处理，以及将从站伺服驱动的反馈信号反馈至所述EtherCAT主站；所述双口RAM模块与所述控制单元以及从站伺服驱动连接。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述从站接口控制器包括LAN9252协议芯片。
3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述存储器为EEPROM芯片，所述EEPROM芯片通过I2C总线和所述LAN9252协议芯片连接。
4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述控制单元通过并口和所述LAN9252协议芯片以及所述双口RAM芯片进行数据交互。
5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述控制单元通过PDI接口和所述LAN9252协议芯片以及所述双口RAM芯片连接。
6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述双口RAM芯片包括CPLD芯片和用于连接所述CPLD芯片和所述从站伺服驱动的第一硬件接口。
7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述网络端口包括网络变压器和与所述网络变压器连接的第二硬件接口。
8.根据权利要求1至7任一项所述的装置，其特征在于，所述控制单元为ARM Cortex-M4内核CPU。
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