CN204650244U

CN204650244U - 一种基于EtherCAT总线的开放式数控系统

Info

Publication number: CN204650244U
Application number: CN201520340195.4U
Authority: CN
Inventors: 史步海; 郭宇; 刘志鑫; 刘斌炜
Original assignee: South China University of Technology SCUT
Current assignee: South China University of Technology SCUT
Priority date: 2015-05-22
Filing date: 2015-05-22
Publication date: 2015-09-16
Anticipated expiration: 2025-05-22

Abstract

本实用新型公开的一种基于EtherCAT总线的开放式数控系统，包括工控机PC端，IO控制板卡端，以及用于通信连接的EtherCAT网络，在工控机PC端采用开放式数控软件LinuxCNC，通过调用EtherCAT主站驱动，将外围IO控制板卡端的硬件板卡通过硬件抽象层的方式加入到LinuxCNC中，并将控制数据下发到IO控制板卡端；IO控制板卡根据实际需求进行设计以驱动执行装置动作；同时IO板卡采集并向工控机PC端反馈回实时数据，LinuxCNC将得到的实际运动结果与设定值比较，得到下一周期的控制量，同时实时显示当期的数控状态信息。本实用新型的数控系统，将复杂的数控系统软件交由强大的工控PC机运行，外围IO控制板卡根据需求进行特定驱动电路的设计，实现方式简单，工作运行可靠。

Description

一种基于EtherCAT总线的开放式数控系统

技术领域

本实用新型涉及现代数控系统领域，特别涉及一种基于EtherCAT总线的开放式数控系统。

背景技术

数控技术在制造业的装备技术中有着举足轻重的作用，随着现代数控技术的不断发展，研究和开发出高水平的高档数控系统有着重要的意义。我国数控系统发展到今天，已经推出了第六代高档数控技术方案，即PC+I/O控制板卡方案。

对于PC端，采用普通的工业控制计算机，其上安装有数控系统软件。工业PC机以其强大的处理计算能力完成对整个数控系统的控制，其上实现了几乎所有的实时以及非实时的数控系统任务，包括数控指令译码、实时插补运算、数控轨迹规划、运动学算法以及友好的数控操作界面等。

在IO控制板卡端，通过控制和驱动电路，将PC端计算出来的实时数控数据发送到外围的数字量输出、模拟量输出、伺服驱动器等执行装置中，完成规定时间内的实时动作。同时，将数字量输入、模拟量输入、伺服驱动器等装置中的采样数据实时反馈回数控系统PC端。

数控系统PC端与IO控制板卡端之间采用高速、可靠的通信介质与通信协议完成实时数据的交换传输。

因此，站在我国最新一代的数控系统方案上，如何研究和开发出一套软硬件实现方案简单，工作稳定可靠的数控系统是非常有必要的。

实用新型内容

本实用新型的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种基于EtherCAT总线的开放式数控系统。

本实用新型的目的通过以下的技术方案实现：

一种基于EtherCAT总线的开放式数控系统，包括工控机PC端、IO控制板卡端，以及用于通信连接的EtherCAT网络；在工控机PC端采用开放式数控软件LinuxCNC，通过调用EtherCAT主站驱动，将外围IO控制板卡端的硬件板卡通过硬件抽象层的方式加入到LinuxCNC中；在LinuxCNC中完成数控指令输入、数控界面显示、实时插补运算功能，并将控制数据下发到IO控制板卡端；IO控制板卡根据实际需求进行设计，完成数字量输入输出、模拟量输入输出、多轴脉冲伺服驱动功能，以驱动执行装置动作；同时IO板卡采集并向工控机PC端反馈回实时数据，LinuxCNC将得到的实际运动结果与设定值比较，得到下一周期的控制量，同时实时显示当期的数控状态信息。

所述的控机PC端包括硬件平台和软件系统，所述硬件平台为普通工业控制PC机；所述软件系统基于实时的Linux系统，包括开放式的LinuxCNC数控系统软件平台、EtherCAT主站驱动程序、用于连接EtherCAT主站与LinuxCNC的HAL驱动以及100M以太网卡驱动；所述LinuxCNC数控软件平台包括图形用户接口、任务控制器、IO控制器、运动控制器。

所述IO控制板卡端包括第一板卡和第二板卡；第一板卡为IO板卡，实现数控系统中8通道数字量输入功能；所述第二板卡为多轴运动控制板卡，实现数控系统中脉冲接口伺服驱动器的驱动、数字量输入、模拟量输入、模拟量输出功能。

所述的第一板卡包括第一物理层Ethernet接口Ⅰ、第二物理层EBUS接口Ⅰ、EtherCAT从站控制器Ⅰ、第一ESI EEPROM、电源、8通道数字量输入模块、光耦隔离模块Ⅰ。

所述的EtherCAT从站控制器Ⅰ选择Beckhoff公司的ET1200芯片或ET1100芯片。

所述的第二板卡包括第一物理层EBUS接口Ⅱ、第二物理层EBUS接口Ⅱ、EtherCAT从站控制器Ⅱ、ARM控制器、FPGA、光耦隔离模块Ⅱ、数字隔离模块、6通道脉冲伺服驱动模块、8通道数字量输出模块、8通道模拟量输入模块、8通道模拟量输出模块、电源、第一SPI接口、第二SPI接口、第二ESI EEPROM。

所述的EtherCAT从站控制器Ⅱ选择Beckhoff公司的ET1200芯片或ET1100芯片。

所述的第二板卡为多轴运动控制板卡。

所述EtherCAT网络用于工控机PC端与IO控制板卡端之间的网络通信，传输介质为普通网线，传输协议为实时工业以太网EtherCAT协议；所述工控机PC端通过10/100BASE-T应用的以太网口与IO控制板卡端的第一板卡的第一物理层Ethernet接口连接，所述第一板卡的第二物理层EBUS接口与所述第二板卡的第一物理层EBUS接口连接，所述第二板卡的第二物理层EBUS接口不连接，即EtherCAT帧在此处返回。

本实用新型的工作工程如下所示：

在数控系统工控机PC端，当用户通过LinuxCNC的图形用户接口将数控命令输入，任务控制器对该输入命令进行处理并解析输入的G代码，将非时间关键的开关量信号交由IO控制器处理，继而下发到HAL模块；将时间关键的数控任务交由运动控制器处理，运动控制器进行轨迹规划后再执行插补计算，再通过逆运动学算法计算出各个轴的实时控制量，继而下发到HAL模块；

HAL模块调用EtherCAT主站将实时控制量通过EtherCAT数据帧下发到数控系统的IO控制板卡端：下行数据帧首先经第一板卡的第一物理层Ethernet接口进入EtherCAT从站控制芯片，再由第二物理层EBUS接口进入第二板卡的第一物理层EBUS接口，第二板卡的EtherCAT从站控制器读取EtherCAT帧中的下发数据，ARM处理器通过第一SPI接口读取下发下来的实时控制量，处理运算后，通过第二SPI接口分发到FPGA、模拟量输出模块、数字量输出模块中，FPGA将控制量转化为二相正交脉冲用以驱动多轴脉冲伺服驱动器，同时FPGA也对多轴脉冲伺服驱动器的编码器信号进行实时计数；通过第二SPI接口将FPGA实时计数数据、模拟量输入数据输入ARM控制器模块，处理运算后，再通过第一SPI接口输入EtherCAT从站控制器；EtherCAT从站控制器将输入数据插入到EtherCAT上行帧中，上行帧经由第二板卡的第一物理层EBUS接口进入第一板卡的第二物理层EBUS接口，第一板卡中的数字量输入模块通过PDI接口输入EtherCAT从站控制器，EtherCAT控制器再将输入数据插入到上行帧中，再通过第一板卡的第一物理层Ethernet接口输入到工控PC机端，HAL模块调用EtherCAT主站读取反馈回来的上行数据，运动控制器从HAL中获取各轴的当前位置值，经由正运动学算法得到实际的空间姿态，将得到的实际运动结果与设定值相比较，得到下一数控周期的控制量，同时图形用户接口实时显示当前的数控状态信息。

本实用新型与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：

(1)采用本开放式数控系统可以极大地简化数控系统的软、硬件设计。

(2)采用本开放式数控系统，用户图形界面、核心运动控制算法可根据用户需求定制与改进。

(3)采用本开放式数控系统，IO控制板卡硬件可根据实际数控系统需求定制，节约成本，简化设计，且为了使原有LinuxCNC兼容修改后的硬件板卡，只需简单地通过软件修改HAL驱动。

附图说明

图1为本实用新型所述的一种基于EtherCAT总线的开放式数控系统的结构示意图；

图2为图1所述数控系统的工控机PC端的结构示意图；

图3为第一板卡的结构示意图；

图4为第二板卡的结构示意图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本实用新型作进一步详细的描述，但本实用新型的实施方式不限于此。

如图1所示，一种基于EtherCAT总线的开放式数控系统，由工控机PC端和IO控制板卡端组成，包括工控PC机、第一板卡、第二板卡、EtherCAT网络。第一板卡为IO板卡，完成8通道数字量的输入功能；第二板卡为多轴运动控制板卡，完成8通道数字量输出、8通道模拟量输入、8通道模拟量输出、6通道脉冲伺服驱动功能。EtherCAT网络4为数控系统中连接工控PC机1与各板卡之间的通信网络，能达到100Mbit/S的传输速率。

如图2所示，为工控机PC端的结构框图，硬件上采用X86架构的低功耗ATOM系列，操作系统为实时的Ubuntu系统；软件上包括图形用户界面、任务控制器、运动控制器、IO控制器、HAL模块、EtherCAT主站、100M以太网卡驱动。其中图形用户界面、任务控制器、运动控制器、IO控制器在开放式数控系统软件LinuxCNC中实现，采用的LinuxCNC版本为2.5.3。HAL模块则是根据具体IO板卡硬件配置，按照特定格式定义引脚和函数，进而编写并编译而成。EtherCAT主站则采用开源的IgH EtherCAT Master 1.5.1，为数控软件提供EtherCAT函数及工具支持。

如图3所示，为第一IO板卡结构图。在硬件电路上包括第一物理层Ethernet接口Ⅰ、第二物理层EBUS接口Ⅰ、EtherCAT从站控制器Ⅰ、第一ESI EEPROM、电源、8通道数字量输入模块、光耦隔离模块Ⅰ。电源为第一IO板卡提供正常工作所需要的各规格电源，为了使数字量输入地与控制电路地隔离，采用B0505S模块隔离式开关电源进行隔离供电。第一物理层Ethernet接口Ⅰ通过PHY芯片KSZ8721与网络变压器H1102与工控机PC端的100M以太网卡连接，第二物理层EBUS1接口Ⅰ通过共地的LVDS电平与第二多轴运动控制板卡的第一物理层EBUS接口Ⅱ连接。EtherCAT从站控制器Ⅰ采用Beckhoff公司的ET1200，第一ESIEEPROM采用16kbit大小的AT24LC16对ET1200的PDI信息进行配置，将其PDI配置为Digital IO接口。8通道数字量输入模块Ⅰ与ET1200的PDI之间采用光耦TLP521进行隔离。

如图4所示，为第二多轴运动控制板卡结构图。在硬件电路上包括第一物理层EBUS接口Ⅱ、第二物理层EBUS接口Ⅱ、EtherCAT从站控制器Ⅱ、ARM控制器、FPGA、光耦隔离模块Ⅱ、数字隔离模块、6通道脉冲伺服驱动模块、8通道数字量输出模块、8通道模拟量输入模块、8通道模拟量输出模块、电源、第一SPI接口、第二SPI接口、第二ESI EEPROM。电源为第二多轴运动控制板卡提供正常工作所需要的各规格电源，为了使伺服地平面与控制电路地隔离，采用WD5-24S05模块隔离式开关电源进行隔离供电，为了使模拟通道隔离供电，采用B0505S以及A2412S隔离式开关电源。第一物理层EBUS接口Ⅱ通过共地的LVDS电平与第一IO板卡的第二物理层EBUS接口Ⅰ连接，第二物理层EBUS接口Ⅱ不连接，即EtherCAT数据帧在该端口返回。EtherCAT从站控制器采用Beckhoff公司的ET1200，第二ESI EEPROM采用16kbit大小的AT24LC16对ET1200的PDI信息进行配置，将其PDI配置为SPI接口。ARM控制器采用STM32F103，该MCU带有两个SPI接口：第一SPI接口和第二SPI接口，第一SPI接口与ET1200的PDI连接进行数据交换，第二SPI接口与FPGA、8通道数字量输出模块、8通道模拟量输入模块、8通道模拟量输出模块连接以进行数据交换。FPGA采用EP2C5。6通道脉冲伺服驱动模块采用AM26LS31与AM26LS32实现差分线性信号的驱动与接收。8通道模拟量输入模块采用ADI公司的8通道16位±10V模拟量电压输入ADC AD7606，完成8通道模拟电压信号的同步采样。8通道模拟量输出模块的实现中，先采用AD5668同步输出8通道16位0～5V模拟量电压信号，再配合零漂移运放LTC1151以及AD5668自带的2.5V基准参考电压实现±10V的模拟量电压输出。8通道数字量输出模块采用74HC595进行串并转换，接收SPI输入的串行数据，并并行输出8通道数字量开关信号，再由光耦隔离模块Ⅱ的TLP521进行隔离输出。数字隔离模块采用最大信号速率为25Mbps的ISO72XXC对SPI信号以及其他数字信号进行隔离。

上述实施例为本实用新型较佳的实施方式，但本实用新型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实用新型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，都包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims

1.一种基于EtherCAT总线的开放式数控系统，其特征在于：包括工控机PC端、IO控制板卡端，以及用于通信连接的EtherCAT网络；在工控机PC端采用开放式数控软件LinuxCNC，通过调用EtherCAT主站驱动，将外围IO控制板卡端的硬件板卡通过硬件抽象层的方式加入到LinuxCNC中；在LinuxCNC中完成数控指令输入、数控界面显示、实时插补运算功能，并将控制数据下发到IO控制板卡端；IO控制板卡根据实际需求进行设计，完成数字量输入输出、模拟量输入输出、多轴脉冲伺服驱动功能，以驱动执行装置动作；同时IO板卡采集并向工控机PC端反馈回实时数据，LinuxCNC将得到的实际运动结果与设定值比较，得到下一周期的控制量，同时实时显示当期的数控状态信息。

2.根据权利要求1所述的基于EtherCAT总线的开放式数控系统，其特征在于：所述的控机PC端包括硬件平台和软件系统，所述硬件平台为普通工业控制PC机；所述软件系统基于实时的Linux系统，包括开放式的LinuxCNC数控系统软件平台、EtherCAT主站驱动程序、用于连接EtherCAT主站与LinuxCNC的HAL驱动以及100M以太网卡驱动；所述LinuxCNC数控软件平台包括图形用户接口、任务控制器、IO控制器、运动控制器。

3.根据权利要求1所述的基于EtherCAT总线的开放式数控系统，其特征在于：所述IO控制板卡端包括第一板卡和第二板卡；第一板卡为IO板卡，实现数控系统中8通道数字量输入功能；所述第二板卡为多轴运动控制板卡，实现数控系统中脉冲接口伺服驱动器的驱动、数字量输入、模拟量输入、模拟量输出功能。

4.根据权利要求3所述的基于EtherCAT总线的开放式数控系统，其特征在于：所述的第一板卡包括第一物理层Ethernet接口Ⅰ、第二物理层EBUS接口Ⅰ、EtherCAT从站控制器Ⅰ、第一ESI EEPROM、电源、8通道数字量输入模块、光耦隔离模块Ⅰ。

5.根据权利要求4所述的基于EtherCAT总线的开放式数控系统，其特征在于：所述的EtherCAT从站控制器Ⅰ选择Beckhoff公司的ET1200芯片或ET1100芯片。

6.根据权利要求3所述的基于EtherCAT总线的开放式数控系统，其特征在于：所述的第二板卡包括第一物理层EBUS接口Ⅱ、第二物理层EBUS接口Ⅱ、EtherCAT从站控制器Ⅱ、ARM控制器、FPGA、光耦隔离模块Ⅱ、数字隔离模块、6通道脉冲伺服驱动模块、8通道数字量输出模块、8通道模拟量输入模块、8通道模拟量输出模块、电源、第一SPI接口、第二SPI接口、第二ESI EEPROM。

7.根据权利要求6所述的基于EtherCAT总线的开放式数控系统，其特征在于：所述的EtherCAT从站控制器Ⅱ选择Beckhoff公司的ET1200芯片或ET1100芯片。

8.根据权利要求3所述的基于EtherCAT总线的开放式数控系统，其特征在于：所述的第二板卡为多轴运动控制板卡。

9.根据权利要求3所述的基于EtherCAT总线的开放式数控系统，其特征在于：所述EtherCAT网络用于工控机PC端与IO控制板卡端之间的网络通信，传输介质为普通网线，传输协议为实时工业以太网EtherCAT协议；所述工控机PC端通过10/100BASE-T应用的以太网口与IO控制板卡端的第一板卡的第一物理层Ethernet接口连接，所述第一板卡的第二物理层EBUS接口与所述第二板卡的第一物理层EBUS接口连接，所述第二板卡的第二物理层EBUS接口不连接，即EtherCAT帧在此处返回。