CN112235172B - 一种EtherCAT总线位置补偿方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种EtherCAT总线位置补偿方法，包括总线故障观测器、运动状态缓存模块和位置增量预测模块，总线故障观测器检测伺服从站的DC中断和PDI中断时序关系，总线正常运行时，这两个中断是一前一后的一一对应关系，运动状态缓存模块将总线正常运行时的状态保存下来，包括位置增量、加速度和加加速度，总线出现故障时，根据前一刻的加速度和加加速度计算当前加速度，根据当前加速度和前一刻的位置增量计算当前的位置增量，这个位置增量会给到位置环，作为位置环的输入；同时将预测的加速度和位置增量缓存。通过对总线正常时的位置增量数据进行缓存，可以在总线故障时，预测最可能的位置增量，避免从站被外部干扰导致的总线故障影响，产生电机抖动甚至机械故障。

Description

一种EtherCAT总线位置补偿方法
技术领域
本发明涉及电机驱动和运动控制技术领域，特别涉及一种EtherCAT总线位置补偿方法。
背景技术
EtherCAT是Ethernet for Control Automation Technology的简称。是BeckhoffAutomation GmbH开发的基于实时以太网的主站和从站间的开放网络通信协议，由ETG(EtherCAT Technology Group)组织进行管理。当前EtherCAT已经成为广泛使用的总线通讯协议。
EtherCAT是一个以以太网为基础的高速现场总线协议，它使用UDP将EtherCAT协议封装为UDP/IP数据报文，并使用固定的总线周期进行数据刷新。EtherCAT协议在同步过程中，会获取第一个从站的本地时钟，作为整个总线的参考时钟，整个总线上的所有从站包括主站都会根据这个时钟调整自己的本地时钟。这样的同步机制，使各个从站之间的时钟保持纳秒级别的抖动，具体来说，即每个从站的同步事件(DC中断)之间，只有纳秒级别的误差，这样就可以保证总线上所有的从站都可以保持一致的行为动作。另外，EtherCAT主站会在两次DC事件之间发送数据帧，这个数据帧中包括了实时过程数据(PDO)，从站会从PDO数据中获取运动控制需要的数据来进行动作，比如目标位置(607Ah)、控制字(6040h)等，数据帧到达从站时会产生PDI中断。
现有技术中，存在以下问题：
EtherCAT总线通过周期性的刷新过程数据(PDO)来保证和从站之间稳定的周期性数据交换。在周期同步位置模式(CSP)下，主站控制器完成位置规划，然后将规划好的目标位置(607Ah)以周期性同步的方式发送给从站伺服，位置、速度、转矩等运算在从站伺服内部完成。这时如果因为外部电磁干扰等原因，数据帧损坏，导致某一个周期的目标位置并未被更新到从站，此时从站会产生一个位置指令的突变，造成伺服运行的抖动，伺服从站低速运行时可能会产生异响，高速运行时可能会导致报警，严重情况下甚至会造成机器损坏或安全事故。
为了解决这个问题，可以在主站上增加丢帧重发功能，但是市面上各厂家EtherCAT主站众多，很多主站并不具备此功能，伺服从站为了提高抗干扰能力和稳定性，还有对各主站的兼容能力，必须要对此问题进行处理。
发明内容
本发明的目的在于提供一种EtherCAT总线位置补偿方法，设计总线故障观测器，通过监控总线运行过程中从站伺服产生中断的时序，判断当前总线运行是否产生了故障。设计了运动状态缓存模块，包含位置增量缓存、加速度缓存和加加速度缓存，用来保存总线正常运行时的运动状态。设计了位置增量预测模块，以缓存的运动状态作为依据来预测总线故障时的位置增量，避免伺服从站运行产生抖动，可以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种EtherCAT总线位置补偿方法，包括总线故障观测器、运动状态缓存模块和位置增量预测模块，步骤如下：
步骤1：总线故障观测器检测伺服从站的DC中断和PDI中断时序关系，总线正常运行时，这两个中断是一前一后的一一对应关系，如果时序关系能够稳定的一一对应，则表示总线正常运行，如果时序关系错误，则表示总线发生了故障；
步骤2：运动状态缓存模块将总线正常运行时的状态保存下来，包括位置增量、加速度和加加速度，这些物理量表示此时从站真实的运行状态；
步骤3：位置增量预测模块在总线发生故障时起作用，故障时模块默认加加速度不变，根据前一刻的加速度和加加速度计算当前加速度，根据当前加速度和前一刻的位置增量计算当前的位置增量，这个位置增量会给到位置环，作为位置环的输入；同时将预测的加速度和位置增量缓存。
进一步地，总线故障观测器根据DC中断和PDI的相对时序，来判断总线状态，并根据状态来决定是调用运动状态缓存模块还是位置增量预测模块。
进一步地，运动状态缓存模块首先判断是否已经进行了位置补偿，如果已经进行了位置补偿，则先将位置增量减去补偿量，保证从站位置准确；如果未进行位置补偿，则将计算相应的加速度和加加速度，并将计算得到的量添加到缓存。
进一步地，DC中断是由本地硬件产生的被不断同步的稳定信号，PDI中断是由主站保证时序的信号，PDI信号表示过程数据被正确刷新。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1.本发明的总线故障观测器判断总线故障的标准是DC中断和PDI中断的时序关系。DC中断是由本地硬件产生的被不断同步的稳定信号，PDI中断是由主站保证时序的信号，PDI信号表示过程数据(PDO)被正确刷新，利用这两个信号的关系来对总线进行故障判断是可靠的。
2.EtherCAT总线发生严重故障甚至掉线时，伺服从站会报警，因此不会因为过度的位置预测和补偿导致从站伺服产生不可预期的动作，安全性可以保证。
3、运动状态缓存模块只需要6个32位数据来进行状态缓存，并不会消耗较多内存空间。
4、缓存动作和预测动作，都只需要进行几次32位整形数据的加减运算，不涉及浮点数，也不涉及乘除法，对从站伺服的计算消耗非常少。
附图说明
图1为本发明的算法流程图；
图2为本发明中运动状态缓存模块和位置增量预测模块的计算示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
参阅图1，一种EtherCAT总线位置补偿方法，包括总线故障观测器、运动状态缓存模块和位置增量预测模块，包括如下步骤：
步骤1：总线故障观测器检测伺服从站的DC中断和PDI中断时序关系，总线正常运行时，这两个中断是一前一后的一一对应关系，如果时序关系能够稳定的一一对应，则表示总线正常运行，如果时序关系错误，则表示总线发生了故障；总线故障观测器根据DC中断和PDI的相对时序，来判断总线状态，并根据状态来决定是调用运动状态缓存模块还是位置增量预测模块。
步骤2：运动状态缓存模块将总线正常运行时的状态保存下来，包括位置增量、加速度和加加速度，这些物理量表示此时从站真实的运行状态；运动状态缓存模块首先判断是否已经进行了位置补偿，如果已经进行了位置补偿，则先将位置增量减去补偿量，保证从站位置准确；如果未进行位置补偿，则将计算相应的加速度和加加速度，并将计算得到的量添加到缓存。
如图2，运动状态缓存模块的计算公式为：
AK＝ΔK-ΔK-1
JK＝AK-AK-1
ΔK-3＝ΔK-2
ΔK-2＝ΔK-1
ΔK-1＝ΔK
AK-2＝AK-1
AK-1＝AK
JK-1＝JK
其中，Δ表示位置增量，A表示加速度，J表示加加速度，k表示当前总线周期，k-1表示前一总线周期，以此类推。
步骤3：位置增量预测模块在总线发生故障时起作用，故障时模块默认加加速度不变，根据前一刻的加速度和加加速度计算当前加速度，根据当前加速度和前一刻的位置增量计算当前的位置增量，这个位置增量会给到位置环，作为位置环的输入；同时将预测的加速度和位置增量缓存。
位置增量预测模块的计算公式为：
JK＝JK-1
AK＝AK-1+JK
ΔK＝ΔK-1+AK
ΔK-3＝ΔK-2
ΔK-2＝ΔK-1
ΔK-1＝ΔK
AK-2＝AK-1
AK-1＝AK
其中，Δ表示位置增量，A表示加速度，J表示加加速度，k表示当前总线周期，k-1表示前一总线周期，以此类推。
通过对总线正常时的位置增量数据进行缓存，可以在总线故障时，预测最可能的位置增量，避免从站被外部干扰导致的总线故障影响，产生电机抖动甚至机械故障。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种EtherCAT总线位置补偿方法，包括总线故障观测器、运动状态缓存模块和位置增量预测模块，其特征在于，步骤如下：
步骤1：总线故障观测器检测伺服从站的DC中断和PDI中断时序关系，总线正常运行时，这两个中断是一前一后的一一对应关系，如果时序关系能够稳定的一一对应，则表示总线正常运行，如果时序关系错误，则表示总线发生了故障；
步骤2：运动状态缓存模块将总线正常运行时的状态保存下来，包括位置增量、加速度和加加速度，这些物理量表示此时从站真实的运行状态；
步骤3：位置增量预测模块在总线发生故障时起作用，故障时模块默认加加速度不变，根据前一刻的加速度和加加速度计算当前加速度，根据当前加速度和前一刻的位置增量计算当前的位置增量，这个位置增量会给到位置环，作为位置环的输入；同时将预测的加速度和位置增量缓存。
2.如权利要求1所述的EtherCAT总线位置补偿方法，其特征在于，总线故障观测器根据DC中断和PDI的相对时序，来判断总线状态，并根据状态来决定是调用运动状态缓存模块还是位置增量预测模块。
3.如权利要求1所述的EtherCAT总线位置补偿方法，其特征在于，运动状态缓存模块首先判断是否已经进行了位置补偿，如果已经进行了位置补偿，则先将位置增量减去补偿量，保证从站位置准确；如果未进行位置补偿，则将计算相应的加速度和加加速度，并将计算得到的量添加到缓存。
4.如权利要求1所述的EtherCAT总线位置补偿方法，其特征在于，DC中断是由本地硬件产生的被不断同步的稳定信号，PDI中断是由主站保证时序的信号，PDI信号表示过程数据被正确刷新。
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