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运动控制系统中EtherCAT总线系统以及CANopen总线系统

发布时间: 2020-10-29
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EtherCAT系统简介

  EtherCAT(以太网控制自动化技术)是一个以以太网为基础的开放架构的现场总线系统,EtherCAT名称中的CAT为Control Automation Technology(控制自动化技术)首字母的缩写。最初由德国倍福自动化有限公司(Beckhoff Automation GmbH)研发。EtherCAT为系统的实时性能和拓扑的灵活性树立了新的标准,同时,它还符合甚至降低了现场总线的使用成本。

  Ethercat主张'以太网控制自动化技术'。它是一个开放源代码,高性能的系统,目的是利用以太网协议,在工业环境,控制机器人和其他装备线上的技术。

  EtherCAT的特点还包括高精度设备同步,可选线缆冗余,和功能性安全协议(SIL3)。EtherCAT在网络性能上达到了一个新的高度。1000个分布式I/O数据的刷新周期仅为30μs,其中包括端子循环时间。通过一个以太网帧,可以交换高达1486字节的过程数据,几乎相当于12000个数字量I/O。而这一数据量的传输仅用300μs。与100个伺服轴的通讯只需100μs。在此期间,可以向所有轴提供设置值和控制数据,并报告它们的实际位置和状态。分布式时钟技术保证了这些轴之间的同步时间偏差小于1微秒。利用EtherCAT技术的优异性能,可以实现用传统现场总线系统所无法实现的控制方法。这样,通过总线也可以形成超高速控制回路。以前需要本地专用硬件支持的功能现在可在软件中加以映射。巨大的带宽资源使状态数据与任何数据可并行传输。EtherCAT技术使得通讯技术与现代高性能的工业PC相匹配。总线系统不再是控制理念的瓶颈。

EtherCAT系统特点

  EtherCAT技术的领先性

  EtherCAT协议处理完全在硬件中进行,协议ASIC可灵活组态,使得工作效率大大提高。1000个分布式I/O数据的刷新周期仅为30μs,其中包括端子循环时间。与100个伺服轴的通讯只需100μs。在此期间,可以向所有轴提供设置值和控制数据,并报告它们的实际位置和状态。利用EtherCAT技术的优异性能,可以实现用传统现场总线系统所无法实现的控制方法。

  EtherCAT技术的开放性

  EtherCAT(以太网控制自动化技术)是一个以以太网为基础的开放架构的现场总线系统,符合IEC规范(IEC/PAS62407),也是国家标准。

  在市场上,有大量的EtherCAT主站与EtherCAT从站的设备与产品。

  国内外有很多专业的第三方公司做EtherCAT方面的技术咨询与技术服务。

  EtherCAT芯片方面,主流的fpga厂家altera,xilinx都支持EtherCAT主从方案。大的半导体厂家也都支持EtherCAT协议,例如TI,infineon,microchip等半导体厂商均支持EtherCAT从站芯片。当然倍福公司也提供ET1100,ET1200等EtherCAT接口芯片。

  ETG全球组织与ETG中国组织的推动

  ETG全球组织在全球有5个区域性组织,截至2018年就有5205个会员单位。

  国产伺服驱动器厂商以及步进驱动器厂商,工业以太网通讯接口首选就是EtherCAT,国内已有几百家厂家支持EtherCAT伺服驱动器以及EtherCATIO模块。

  结合到现场实际应用EtherCAT总线的运动控制优势

  a、节点与节点之间只要网线连接,系统电气柜配线非常方便;

  b、系统抗干扰能力强,网口就是隔离的,整个电气系统的EMC特性好;

  c、EtherCAT初始化完成就可以直接读取所有轴的多圈绝对值编码器位置;

  d、SDO可以在线读取与修改各轴的参数与增益,轴参数调试更方便;

  e、通过选择不同的PDO数据内容,可以实现位置控制下转矩限幅,转矩控制下速度限制,CSP(周期位置)/CSV(周期速度)/CST(周期转矩)可以自由切换;

  f、方便上位机远程诊断与远程维护电气系统,预测性维护也更方便。

  没有实际的运动控制器也能仿真与调试运动控制系统

  虚拟仿真与调试日渐成为工业自动化行业的刚需,一是可以在设备未准备就绪之前就把软件基本调试完成,二是进一步提高开发与调试的效率。

CANopen系统简介

  CANopen是建立在CAN数据链路层之上的一个开放的标准应用层。CAN最初为汽车应用领域而开发设计,到目前已经被证明是坚固、可靠、经济的通信网络。可以进行主/从和点对点的通信,消息冲突不是毁灭性的。

  从轴通过被锁定时间标记的分布式时钟进行同步。参数与实时数据分别由SDOs与PDOs进行处理,以达到最优效率。对于一个完整的系统解决方案,可支持第三方的I/O与控制软件。

  网络拓扑与总线仲裁

  CAN是一个使用简单双绞线连接的多点网络。最大速率可达1Mb/s、线长可达40米。网络首尾两端须接终端电阻,且端线应尽量的短。一个CAN网络最多可支持127个节点。

  当总线空闲时,任何一个节点都可以发送数据。消息帧以帧有效低起始位开始发送这消息的标识符。越低的标识符,它的优先级越高。如果两台设备在同一时间向网络发送数据,有高优先级标识符的设备将会强制性把总线电平拉低,而低优先级的节点设备将识别到这个情况且将放弃使用总线。

自动化.jpg

  CANopen与EtherCAT是国际上网络运动控制的开放标准协议。它们可以简化连线、降低成本、增强诊断功能等。CANopen主要应用于分布式控制系统,而EtherCAT可以应用在集中式与分布式2种控制结构中。每种网络都有其自身的优点。

  集中式与分布式运动控制

  系统任务的等级与分配如下图所示。绿色表示控制器,蓝色表示驱动器。在集中式结构中,除了电流环以外,所有的任务都由控制器完成。电流环应该至少每100us更新一次,这会把很高的计算负担放在控制器上,且必须使用高速数据通讯链路。

  在分布式控制系统中,所有的伺服环都在驱动器内完成。在轮廓模式(下载运动参数并启动运行)下,驱动器内部也执行路径规划。驱动器无需增加附加的成本,而且能省去运动控制卡。由于位置环的刷新率远低于电流环,因此只需使用一个低速的网络即可。

  集中式

伺服驱动器.jpg

●更适合轴间高度耦合的情况如机器手

●更高效的实时伺服环调整

●要求更高带宽网

  分布式

运动控制器.jpg

●点到点及多数轮廓曲线的理想选择

●低成本解决方案、最小化驱动器尺寸

●只要求低带宽网络

●易扩展、无增加控制器负担

  PVT路径规划

  在分布式控制协同运动系统中,EtherCAT和CANopen都使用PVT做路径规划:控制器生成一系列的点,来定义在指定的时间点上,每个轴的位置与速度值。PVT路径规划是定义运动轨迹的一种非常高效的方法。

  一般来说,轨迹点每隔10ms被发送到驱动器的缓冲区中。驱动器实行三阶插补来生成最优的曲线。插补之后,每个驱动器上的位置环以几千赫兹的速率同步更新。

编码器.jpg

  网络的速度与效率

  对运动控制系统网络而言,效率、决定性与同步性远比速度重要。标准以太网的传输速度超过CANopen速度100倍,但主要被设计用于异步传输大数据文件。网络上的消息冲突是毁灭性的,必须重新发送。CANopen主要被创建用于低成本传送实时小数据包,对于分布式控制而言,完全可满足其实时性要求。

  EtherCAT给以太网带来了同步性与决定性,相对于许多被实时修改过的标准以太网,EtherCAT显然是有效的。对于分布式控制系统,它满足刷新驱动器电流环的速度的要求,且能灵活地传输PVT点。相对来说,价位也会更高一些。

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