CN117742213A - 基于EtherCAT的一体式从站控制系统、方法及主从站系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于EtherCAT的一体式从站控制系统、主从站系统和方法，从站控制系统从站处理器MCU、从站控制器ESC、伺服系统、IO模块和物理层器件，从站处理器MCU按照标准规范结合了CIA402协议与CIA401协议，用于对IO模块上传的输入输出数据以及FPGA伺服系统上传的伺服驱动器数据进行处理等。本发明能够实现基于EtherCAT的一体式伺服电机控制和IO控制，减少ESC从站控制芯片的成本，减少应用层的开发周期，而且伺服系统和IO模块的结合可以对运动控制系统实现更加精确的控制和监控。
Description
技术领域
本发明EtherCAT通讯同步技术领域，基于EtherCAT的一体式从站控制系统、方法及主从站系统。
背景技术
目前，伺服电机控制和IO模块是工控领域两个重要的组成部分。现场总线EtherCAT协议能够满足工控行业的高性能实时性，可以实现微秒级并且稳定可靠传输数据。行业内开始使用EtherCAT作为伺服电机和IO模块的通信协议，通过ESC从站控制芯片来实现EtherCAT主站控制伺服系统和IO模块。如图1所示，常规的主从站系统中，一般一个模块需要使用一个ESC芯片和对应的上层协议，开发两个模块会增加ECS芯片成本和开发时间。
发明内容
技术目的：针对上述技术问题，本发明提出了一种基于EtherCAT的一体式从站控制系统、方法及主从站系统，能够实现基于EtherCAT的一体式伺服电机控制和IO控制，减少ESC从站控制芯片的成本，减少应用层的开发周期。
技术方案：为实现上述技术目的，本发明采用了如下技术方案：
一种基于EtherCAT的一体式从站控制系统，包括设置于从站的从站处理器MCU、从站控制器ESC、伺服系统、IO模块和物理层器件；
所述IO模块使用GPIO接口连接从站处理器MCU，伺服系统设有FPGA，从站处理器MCU与FPGA之间通过16位异步通信接口或者SPI串口通信；
所述从站处理器MCU设有CoE接口模块，所述CoE接口模块按照标准规范结合了CIA402协议与CIA401协议，用于对IO模块上传的输入输出数据以及FPGA伺服系统上传的伺服驱动器数据进行处理；
所述从站处理器MCU通过异步通信接口或SPI串口与从站控制器ESC传输数据，从站控制器ESC使用MII接口或EBUS接口连接物理层器件，从站控制器ESC设有存储器EEPROM。
作为优选，所述从站控制器ESC使用ET1100芯片或者使用FPGA的IP core实现。
作为优选，所述从站处理器MCU使用PDO周期性过程数据通信的方式实现与IO模块和伺服系统之间的通信。
一种主从站系统，设有主站和一个以上的从站，主站与从站之间通过EtherCAT总线连接，各个从站配置所述的基于EtherCAT的一体式从站控制系统。
作为优选，所述主站的PC使用支持EtherCAT的NIC独立网卡。
一种基于EtherCAT的一体式从站控制方法，从站端执行以下步骤：
启动硬件初始化程序，初始化各个GPIO接口、异步通信接口或者SPI串口；
检查EEPROM是否写入，检查对应的应用层事件请求寄存器是否已经映射，然后初始化IRQ、SYNC0、SYNC1三个中断，其中，IRQ用于为PDI过程数据接口提供中断服务，SYNC0和SYNC1用于分布式同步时钟；
依次初始化EtherCAT状态机、邮箱、CoE模式接口、对象字典和同步模式状态，包括初始化CIA402和CIA401的对象字典、初始化CIA402的轴对象和CIA401的IO对象；
进入EtherCAT的应用循环程序。
作为优选，所述从站同步模式分为三种，分别是自由运行模式、同步于数据输入或输出模式，以及同步于DC分布时钟模式。
作为优选，所述方法包括修改从站XML配置文件的操作，主站通过读取修改后的XML配置文件，实现与从站处理器MCU的数据交换；
从站XML配置文件的修改流程具体包括：
Dictionary的DateType增加CIA401的RxPdo映射、TxPdo映射和CIA401对象字典的数据类型；
Dictionary的Object增加CIA401的RxPdo映射、TxPdo映射和CIA401对象字典的详细数据；
SM的DefaultSize为CIA402和CIA401的数据大小，即SM的DefaultSize的大小要在CIA402的数据长度上增加CIA401的数据长度；
RxPdo增加CIA401的PDO映射和映射的对象字典；
TxPdo增加CIA401的PDO映射和映射的对象字典。
有益效果：由于采用了上述技术方案，本发明具有如下有益效果：
(1)伺服系统的应用层使用的是CIA402电机控制协议，IO模块的应用层使用的是CIA401IO控制协议，本发明将IO模块结合到CIA402协议中，减少了应用层的开发，可以同时控制伺服系统和IO信号；
(2)本发明在通过使用一个ESC芯片，以及能够适应不同工况条件下的输入输出IO信号线，能够实现一体式控制。
(3)本发明中一体式的IO信号使用EtherCAT的PDO(Process Data Object)过程数据对象通信，不使用EtherCAT的SDO(Service Data Project)服务数据对象通信，可以传输周期性的数据，增加通信的传输速度，满足工业控制的需求。
(4)本发明能够实现基于EtherCAT的一体式伺服电机控制和IO控制，减少ESC从站控制芯片的成本，减少应用层的开发周期，可以通过一个主站去控制伺服系统和接受传感器、开关、数字或模拟信号，并且可以通过主站输出数字、模拟或脉冲信号。伺服系统和IO模块的结合可以对运动控制系统实现更加精确的控制和监控，能够节约电柜的空间和生产加工的成本。
附图说明
图1为常规的主站控制六个伺服系统和六个IO模块的结构示意图；
图2为本发明提出的主站控制六个一体式从站控制系统的结构示意图；
图3为一体式从站控制系统的结构示意图；
图4为本发明增加CIA401协议的通信过程的示意图；
图5为本发明XML配置文件的修改流程图；
图6为一体式从站控制流程的示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施例作详细的说明。
如图2所示，本发明提出一种主从站系统，设有主站和多个从站，主站与从站之间通过EtherCAT总线连接，EtherCAT完全符合以太网标准，支持多种拓扑结构，主站通过标准超五类网线与从站连接通信，使用线性拓扑直接把每个节点的从站与主站相连，能够接入65535个节点，每个节点可达到微秒级通信。每个从站单独设置从站控制器ESC，通过使用同一个从站控制器ESC实现EtherCAT主站控制连接至该从站的伺服系统和IO模块。
EtherCAT完全符合以太网标准，PC使用支持EtherCAT的NIC独立网卡，主站使用倍福公司的TwinCAT3。
如图3所示，各个从站设置设有：从站处理器MCU、从站控制器ESC、伺服系统和IO模块。其中，IO模块使用设有GPIO接口的硬件电路与从站处理器MCU相连，使用光耦进行隔离，通过EtherCAT传数据给从站处理器MCU，通过从站处理器MCU来控制IO信号。伺服系统设有FPGA，从站处理器MCU与FPGA之间通过16位异步通信接口或者SPI串口通信，EtherCAT通过控制从站处理器MCU来控制伺服系统的运行。从站控制器ESC使用MII接口或EBUS接口连接物理层器件，EtherCAT的从站控制器ESC具有64KB的DPRAM(双端口存储器)地址空间，按照规定来设定为对象字典。
EtherCAT在标准以太网上进行了修改，为了满足工业的实时性，EtherCAT只使用应用层(AL)、数据链路层(DL)、物理层(PL)这三层结构。
如图4所示，EtherCAT基本协议包括状态机处理、邮箱数据的处理以及周期性过程数据的处理。本发明中，EtherCAT的应用层结合了CIA402协议与CIA401协议，通过从站处理器MCU来实现。从站处理器MCU可以使用ARM系列的处理器，设有CoE模块，按照标准规范结合了CIA402协议与CIA401协议，用于对IO模块上传的输入输出数据以及FPGA伺服系统上传的伺服驱动器数据进行处理。从站处理器MCU通过异步通信接口或SPI串口与从站控制器ESC传输数据。
EtherCAT的数据链路层使用ESC从站控制器来实现数据链路层的数据帧处理，使用的是标准的以太网数据帧格式传输，EtherCAT数据帧的保留字是0x88A4。从站控制器ESC一般采用ET1100芯片或者通过FPGA的IP core(软核)，用于处理EtherCAT数据帧，并为从站控制器提供数据接口。
EtherCAT的物理层使用RJ45接头和PHY物理层芯片，PHY使用MII介质对立接口通信。EtherCAT也可以使用倍福开发的EBUS接口，通过LVDS接口(低压差分信号)来低延时通信，不需要物理层芯片PHY，但是传输距离只有10m。不使用LVDS低压差分信号通信，低压差分信号通信较短。
本实施例提出的主从站系统，控制过程如下：
(1)、IO模块：EtherCAT的通信分为周期性过程数据通信和非周期性邮箱数据通信，IO模块在工控环境下实时性要求高，需要使用PDO周期性过程数据通信，主站通过逻辑寻址来读写从站对应的存储空间。
(2)：伺服系统：伺服系统也使用PDO周期性过程数据通信，即：主站通过PDO将控制数据传给从站处理器MCU，通过EtherCAT的电机控制位6040h来控制从站处理器MCU中的伺服状态机，从站处理器MCU再将控制数据传给FPGA，进入伺服运行状态，通过6000系列的对象字典来控制伺服的转矩、转速和位置；FPGA再直接控制伺服电机做相应的运转。
其中，MCU是通过程序控制IO模块使用PDO周期性过程数据通信，PDO周期性过程数据通信处理是在ESC。
如图5所示为一体式从站程序的一个基本控制流程：
(1)、MCU硬件初始化：EherCAT的从站处理器MCU的硬件先初始化，初始化GPIO接口和16位异步通信或SPI串口通信的接口。
(2)、从站接口初始化：EtherCAT初始完硬件，然后就初始化从站接口控制，检查EEPROM是否写入，检查对应的AL事件请求寄存器是否已经映射，然后初始化三个中断，分别是IRQ、SYNC0、SYNC1三个中断，IRQ是给PDI过程数据接口提供中断服务的，SYNC0和SYNC1是给分布式同步时钟用的。
(3)、EtherCAT状态机初始化：EherCAT初始完从站接口，就初始EtherCAT的状态机、邮箱、CoE模式接口、对象字典和同步模式状态。
EtherCAT的应用层通过ESM(EtherCAT状态机)进行管理，主站通过读写AL控制寄存器来进行状态管理，状态主要分为四种状态INIT(初始化状态)、Pre-Op(预运行状态)、Safe-Op(安全运行状态)、Op(运行状态)四种状态，工作状态需要保持在OP状态，才能够操作PDO通信。
其中，邮箱通信是非实时性的双向通信，在主站配置从站时和对象字典在线数据交换时使用；本发明中，从站同步模式可以分为三种，分别是自由运行、同步于数据输入或输出和同步于DC分布时钟。
(4)、轴对像和IO对象的初始化：EtherCAT完成上述步骤(1)-(3)的初始化后，开始初始CIA402的轴对象，多初始化一个PDO映射给CIA401的IO口使用，相应的CIA401的8路输入和8路输出的PDO的赋值对象也相应设定好；COE应用函数要在CIA402程序的基础上增加CIA401的应用程序。
SM(同步管理器)的SM2映射到0x1C12和SM3映射到0x1C13，0x1C12管理主站输出到从站的PDO映射，0x1C13管理从站输入到主站的PDO映射，0x1C12和0x1C13要各增加一个存储空间；实际SM的PDO分配计算数据过程大小需要添加CIA401的输入和输出数据的大小，需要增加pInputSize和pOutputSize的大小，pInputSize(保存输入进程数据长度的指针)对应上添加CIA401的数据长度，pOutputSize(保存输出进程数据长度的指针)对应上添加CIA401的数据长度；输入和输出的过程数据要添加CIA401对应的对象字典数据；CoE应用函数要在CIA402程序的基础上增加CIA401的应用程序；输入和输出的过程数据要添加CIA401对应的对象字典数据。
(5)、进入EtherCAT的应用循环：处理伺服状态机的应用、检查邮箱新收到的数据(SDO数据)并进行数据交互、PDO数据通信的输入和输出、控制伺服运行和IO的输入输出。
为实现上述三种从站同步模式，需要配置寄存器和设置功能，修改从站XML配置文件，否则主站会出错。XML文件配置到主站，主站通过标准超五类网线连接从站，就可实现同时控制PDO映射的伺服系统和IO信号。主站读取修改后的XML配置文件，进而实现上述结合的功能。
如图6所示，XML配置文件的修改流程如下：
Dictionary的DateType增加CIA401的PDO和对象字典的数据类型，即：增加CIA401的RxPdo映射、TxPdo映射和CIA401对象字典的数据类型；
Dictionary的Object增加CIA401的PDO和对象字典的详细数据，即：增加CIA401的RxPdo映射、TxPdo映射和CIA401对象字典的详细数据；
SM的DefaultSize为CIA402和CIA401的数据大小，即SM的DefaultSize的大小要在CIA402的数据长度上增加CIA401的数据长度；
RxPdo(主站发给从站的数据)增加CIA401的PDO映射和映射的对象字典；
TxPdo(从站发给主站的数据)增加CIA401的PDO映射和映射的对象字典。
本发明能够实现基于EtherCAT的一体式伺服电机控制和IO控制，减少ESC从站控制芯片的成本，减少应用层的开发周期，通过一个主站去控制伺服系统和接受传感器、开关、数字或模拟信号，并且可以通过主站输出数字、模拟或脉冲信号。实现伺服系统和IO模块的结合，可以对运动控制系统实现更加精确的控制和监控，能够节约控制电柜的空间和生产加工的成本。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本行业的技术人员应该了解，上述实施例不以任何形式限制本发明，凡采用等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。
Claims (8)
1.一种基于EtherCAT的一体式从站控制系统，其特征在于，包括设置于从站的从站处理器MCU、从站控制器ESC、伺服系统、IO模块和物理层器件；
所述IO模块使用GPIO接口连接从站处理器MCU，伺服系统设有FPGA，从站处理器MCU与FPGA之间通过16位异步通信接口或者SPI串口通信；
所述从站处理器MCU设有CoE接口模块，所述CoE接口模块按照标准规范结合了CIA402协议与CIA401协议，用于对IO模块上传的输入输出数据以及FPGA伺服系统上传的伺服驱动器数据进行处理；
所述从站处理器MCU通过异步通信接口或SPI串口与从站控制器ESC传输数据，从站控制器ESC使用MII接口或EBUS接口连接物理层器件，从站控制器ESC设有存储器EEPROM。
2.根据权利要求1的所述的一种基于EtherCAT的一体式从站控制系统，其特征在于：所述从站控制器ESC使用ET1100芯片或者使用FPGA的IP core实现。
3.根据权利要求1的所述的一种基于EtherCAT的一体式从站控制系统，其特征在于：所述从站处理器MCU使用PDO周期性过程数据通信的方式实现与IO模块和伺服系统之间的通信。
4.一种主从站系统，其特征在于：设有主站和一个以上的从站，主站与从站之间通过EtherCAT总线连接，各个从站配置如权利要求1-3任一所述的基于EtherCAT的一体式从站控制系统。
5.根据权利要求4的所述的一种主从站控制系统，其特征在于：所述主站的PC使用支持EtherCAT的NIC独立网卡。
6.一种基于EtherCAT的一体式从站控制方法，其特征在于，从站端执行以下步骤：
启动硬件初始化程序，初始化各个GPIO接口、异步通信接口或者SPI串口；
检查EEPROM写入，检查对应的应用层事件请求寄存器是否已经映射，然后初始化IRQ、SYNC0、SYNC1三个中断，其中，IRQ用于为PDI过程数据接口提供中断服务，SYNC0和SYNC1用于分布式同步时钟；
依次初始化EtherCAT状态机、邮箱、CoE模式接口、对象字典和同步模式状态，包括初始化CIA402和CIA401的对象字典、初始化CIA402的轴对象和CIA401的IO对象；
进入EtherCAT的应用循环程序。
7.根据权利要求6所述的一种基于EtherCAT的一体式从站控制方法，其特征在于，所述从站同步模式分为三种，分别是自由运行模式、同步于数据输入或输出模式，以及同步于DC分布时钟模式。
8.根据权利要求6所述的一种基于EtherCAT的一体式从站控制方法，其特征在于，所述方法包括修改从站XML配置文件的操作，主站通过读取修改后的XML配置文件，实现与从站处理器MCU的数据交换；
从站XML配置文件的修改流程具体包括：
Dictionary的DateType增加CIA401的RxPdo映射、TxPdo映射和CIA401对象字典的数据类型；
Dictionary的Object增加CIA401的RxPdo映射、TxPdo映射和CIA401对象字典的详细数据；
SM的DefaultSize为CIA402和CIA401的数据大小，即SM的DefaultSize的大小要在CIA402的数据长度上增加CIA401的数据长度；
RxPdo增加CIA401的PDO映射和映射的对象字典；
TxPdo增加CIA401的PDO映射和映射的对象字典。
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