基于EtherCAT的多轴运动控制系统设计

作者:谢锴;颜钢锋; 刊名:组合机床与自动化加工技术 上传者:杨静学

【摘要】针对多轴控制系统中的同步性问题,设计了一款基于EtherCAT的多轴运动控制系统,并提出了对主站和从站均采用实时操作系统的解决方案.对于EtherCAT主站,在嵌入式平台上,构建了基于Xenomai-Linux和Etherlab的主站方案,人机界面使用Qt来编写,EtherCAT从站采用的是uC/OS-III实时操作系统,通过抢占式内核保证了从站之间的数据实时性.通过主从站的双实时设计方案,保证了系统中多轴之间的同步性.实验结果表明,基于双实时操作系统的EtherCAT运动控制系统,连接便利,同步时间在微秒级别,具有很好的实时性.

全文阅读

0前言在传统的数控加工设备,工业机器人和机电一体化中,信号传输主要使用的是电缆或者光纤,由于传输介质的特点,使得多轴在进行协调工作时,存在一定的不同步性,从而影响工业加工的精度,并且传统系统构成比较复杂,成本比较高,维护比较困难。传统的控制系统主要是“PC机+控制卡”或者是“DSP+FPGA”的方案,系统性能受到很大的限制,同时,轴的控制数量不会超过6个,在需要控制的轴数目增多时,控制系统的成本会大大的增加[1]。新时期的发展对多轴之间的实时性和协调性提出了很高的要求,传统的技术已经难以解决新时期的问题。随着计算机技术和工业以太网技术的发展与融合,工业以太网由于其速度快,成本低,扩展性好,抗干扰性强等特点得到了广泛的应用[2]。目前国际上有很多种实时以太网,EtherCAT(EthernetforControlAuto-mationTechnology)技术是由德国Beckhoff公司提出的一种解决方案,此方案是基于标准的以太网技术,使用特殊的以太网数据帧类型(0x88A4)[3],系统配置简单,数据传输全双工,高速,高效,总线利用率较高,数据有效率达到90%以上[4],支持多种网络拓扑结构,每个系统从站数量可以扩展到65535个。为适应生产设备的系统化、规模化的发展需求,本多轴控制系统引入EtherCAT技术,针对目前EtherCAT主站复杂等缺点,在嵌入式微处理器上实现EtherCAT主站,在uC/OS-III实时操作系统上实现EtherCAT从站,从而利用双实时操作系统实现了多轴控制,具有实时性好,可扩展性好,易于维护,成本低等多方面优点。1系统总体框架本系统采用实时以太网EtherCAT协议作为多轴控制器系统的底层协议,在主从站均使用实时操作系统,根据EtherCAT协议,系统采用一主多从的结构,拓扑结构上,EtherCAT可以有很多种,其中为了通信的最稳定,这里采用了最简单,应用最为普遍的线性串行结构。主站采用标准的100Base-TX以太网卡[5],将开源的主站软件移植到嵌入式Linux系统上,由于Linux的非实时性,需要对其进行改造,本系统在Linux上移植Xenomai,实现了基于BeagleboneBlack的嵌入式实时系统。Xenomai是linux内核的一个实时开发框架,它通过无缝地集成到linux环境中来给用户空间应用程序提供全面的,与接口无关的硬实时性能[6]。系统利用Qt编写上位机程序,对系统进行配置操作。从站采用自主研发的以STM32为核心的具有EtherCAT网络接口的伺服驱动器,在STM32上运行uC/OS-III实时操作系统,uC/OS-III是一个可固化的,可扩展的,抢占式的实时内核,它管理的任务个数不受限制,优先级数不受限制,具有时间片轮转的功能,是第三代内核,提供了现代实时内核所期待的所有功能包括资源管理,同步,内部任务交流等,比uC/OS-II有很大的进步[7],本系统采用最新的实时性内核,进一步保证了从站代码解析的实时性。主站从站之间采用标准网线进行连接,为了保证实时性和抗干扰性,使用标准在CAT-5e上的电缆进行连接,同时,为了测试多轴系统的兼容性,将Estun公司和Beckhoff公司的伺服进行混合测试,系统总体框架如图1所示。图1系统总体框图2系统硬件设计2.1主站硬件选取传统的EtherCAT主站是在PC机上实现,便携性不够,成本较高。本系统主站在嵌入式Linux上实现,硬件采用BeagleboneBlack开发板,便携性与成本均有较大的改善。2.2从站硬件设计EtherCAT从站控制器ES

参考文献

引证文献

问答

我要提问