EtherCAT gerçek zamanlı iletişime dayalı motor sürücü kontrolü
(1. Optoelektronik Teknoloji Enstitüsü, Çin Bilimler Akademisi, Chengdu 610209, Sichuan; 2. Çin Bilimler Akademisi Üniversitesi, Pekin 100190; 3. Chengdu Bilgi Teknolojisi Üniversitesi, Chengdu 610225, Sichuan)
Özet : Gerçek zamanlı endüstriyel Ethernet EtherCAT, yüksek performansı, düşük maliyeti ve kolay uygulaması sayesinde modern kontrol alanında hızla yaygın olarak kullanılmakta ve geliştirilmiştir. EtherCAT'i motor sürücü kontrol sistemine hızlı bir şekilde uygulamak için, IntervalZero'nun KingStar Motion yazılımı, EtherCAT gerçek zamanlı iletişimine dayalı bir motor sürücü kontrol şeması tasarlamak ve karşılık gelen bir deneysel platform oluşturmak için kullanıldı. Sistem, konum, hız ve akımın klasik üç kapalı döngü kontrolünü benimser ve sırasıyla hız izleme, konum sabit nokta ve sinüs izleme üzerinde deneysel testler ve analizler gerçekleştirmiştir. Deneysel sonuçlar, kontrol sisteminin yüksek güvenilirliğe ve iyi izleme doğruluğuna sahip olduğunu göstermektedir.
: EtherCAT; KingStar Motion yazılımı; motor sürücü kontrolü
Çin Kütüphanesi Sınıflandırma Numarası: TP29 Belge Tanımlama Kodu: ADII: 10.19358 / j.issn.1674-7720.2017.10.001
Referans formatı: Lin Mengyun, Ma Wenli, Xiong Ai, vb. EtherCAT gerçek zamanlı iletişime dayalı motor sürücü kontrolü J . Mikrobilgisayar ve Uygulama, 2017,36 (10): 1-4.
0 Önsöz
Endüstriyel otomasyonun sürekli gelişmesiyle birlikte, geleneksel fieldbus teknolojisi, kontrol alanının gereksinimlerini kademeli olarak karşılayamamıştır. Endüstriyel Ethernet, hızlı iletim hızı, geniş veri paketi kapasitesi, uzun iletim mesafesi ve yüksek maliyet performansı sayesinde günümüz endüstriyel fieldbus teknolojisinin önemli bir gelişme yönü haline gelmiştir. Bunların arasında, Alman BECKHOFF şirketi tarafından geliştirilen gerçek zamanlı endüstriyel Ethernet EtherCAT (Kontrol Otomasyon Teknolojisi için Ethernet), yüksek performans, düşük maliyet ve kolay uygulama avantajları ile modern kontrol alanında yaygın olarak kullanılmış ve hızla geliştirilmiştir.
Yurt içinde ve yurt dışında yüksek hassasiyetli motor sürücü kontrolüne uygulanan EtherCAT örnekleri vardır ve piyasadaki servo sürücülerin çoğu entegre EtherCAT iletişim arayüzlerine sahiptir ve doğrudan EtherCAT slave'leri olarak yapılandırılabilir. EtherCAT tabanlı bir motor sürücü sistemi gerçekleştirmek için, EtherCAT ana istasyonunun tasarımına odaklanın. Ana istasyonun örnek kodla geliştirilmesinin uzun döngüsünü hesaba katarak, ticari ana istasyon yazılımı genellikle ikincil programlama geliştirme için kullanılır. Bunların arasında IntervalZero'nun KingStar Motion yazılımı, yazılım biçimindeki pahalı hareket kontrol kartlarının yerini alır ve ilgili EtherCAT ana kodunu içerir, özel ağ protokolünü ve IO donanımını EtherCAT standardıyla değiştirir ve ayrıca inşa edilebilen EtherCAT temelinde CANopen kullanımını destekler Daha düşük maliyetli bir EtherCAT tabanlı servo kontrol sistemi [2].
Bu makale, motorun gerçek zamanlı sürücü kontrolünü gerçekleştirmek için EtherCAT iletişimine dayalı bir motor sürücü kontrol şeması tasarlamak için EtherCAT veri yolu teknolojisini, KingStar Motion yazılımını ve ticari sürücüleri bir araya getirir.
1EtherCAT iletişim prensibi
EtherCAT sistemi bir ana-bağımlı yapıyı benimser ve tüm iletişimler ana istasyon tarafından başlatılır. Tam çift yönlü modda çalışan iki yönlü aktarımın (Tx ve Rx) özelliklerini bağımsız olarak işlemek için Ethernet ekipmanını kullanarak, ana istasyon tarafından gönderilen mesaj, Rx hattı üzerinden ana istasyon kontrol ünitesine geri gönderilebilir. Bu iletişim mekanizması, iletişim çatışmalarının tüm ağda görünmesini engeller, böylece ağın kesinliği iyi olur.
Ağ iletişim yapısının tamamı Şekil 1'de gösterilmektedir. EtherCAT ana istasyonu, her bir bağımlı istasyon için gerekli olan verileri içeren ve tüm bağımlı istasyonlardan geçen bir aşağı bağlantı mesajı gönderir. EtherCAT slave mesajı geçtiğinde, yerel istasyona adreslenen verileri analiz eder, ilgili komuta göre veri çerçevesinden veri çıkarır veya ekler ve ardından veri çerçevesinin slave olduğunu belirlemek için ilgili çalışma sayacını (WKC) günceller İstasyon bunu işlemiştir ve veri çerçevesini bir sonraki bitişik bağımlı istasyona iletir. Bu işlem, EtherCAT veri çerçevesinin her bir bağımlı istasyondan geçme süresini son derece küçük hale getiren bağımlı istasyon donanımı tarafından tamamlanır ve gecikme, ağın yüksek gerçek zamanlı doğasını sağlayan yaklaşık 100 ~ 500 ns'dir. Tüm bağımlı istasyonların üzerinden geçtikten sonra, bağımlı istasyon tarafından işlenen veri çerçevesi bir yukarı bağlantı mesajı olarak kullanılır ve son bağımlı istasyondan ana istasyona geri döner. Ana istasyon yukarı bağlantı veri mesajını aldıktan sonra, dönen verileri işler ve bir iletişim sona erer [3].
2 Motor sürücü kontrol sistemi tasarımı
2.1 Genel sistem tasarımı
EtherCAT iletişimine dayalı motor sürücü kontrol sistemi temel olarak beş bölümden oluşur: endüstriyel bilgisayar, EtherCAT veriyolu, servo sürücü, servo motor ve geri besleme kodlayıcı Sistem yapısı Şekil 2'de gösterilmiştir.
Endüstriyel bilgisayar, bağımlı istasyon tarafından yüklenen konum ve hız verilerini periyodik olarak alan ve ilgili hesaplamaları yapan ve ardından karşılık gelen referans akımı veya torku gönderen PC tabanlı bir EtherCAT ana istasyonu olarak yapılandırılmıştır; servo sürücü bir EtherCAT bağımlı istasyonu gibi davranır ve kodlayıcıyı alır Toplanan motor parametreleri periyodik olarak ana istasyona EtherCAT veriyolu tarafından iletilir ve ana istasyon tarafından verilen veri ve kontrol komutları servo motoru sürmek için alınır. Kontrol sistemi tipik bir üç kapalı döngü (pozisyon döngüsü, hız döngüsü, akım döngüsü) modu olarak tasarlanmıştır Servo sürücü sadece mevcut kapalı döngü hesaplamalarını gerçekleştirir; hız ve pozisyon kapalı döngü hesaplamaları endüstriyel bilgisayarda tamamlanır.
Endüstriyel bilgisayar ve servo sürücü, bir EtherCAT master-slave yapısı oluşturur. Bunların arasında, servo sürücü EtherCAT slave olarak kullanılır ve Ningbo Phase Company'nin AxN sürücüsü seçilir.İlgili EtherCAT slave kontrolörü ESC ve mikroişlemci çipi entegre edilmiştir ve CoE (EtherCAT üzerinden CANopen) uygulama katmanı protokolü desteklenir.İlgili konfigürasyon nispeten basittir. Aynı zamanda, ana istasyon ile haberleşmenin ve motoru sürmenin iki işlevini gerçekleştirir. Bu nedenle, tüm sistemin odak noktası ve zorluğu, endüstriyel bilgisayar tarafından EtherCAT ana istasyon ve ana-bağımlı iletişim yazılımının tasarımında yatmaktadır.
2.2 EtherCAT master olarak endüstriyel bilgisayar
PC tabanlı ana istasyon için, donanım yalnızca sıradan bir ağ arabirim kartına (NIC (Ağ Arabirim Kartı)) ihtiyaç duyar ve ana istasyon işlevi tamamen yazılım tarafından gerçekleştirilir. Beckhoff şirketinin çok çekirdekli çift ağ bağlantı noktalı endüstriyel bilgisayarı C6640-0030'u seçin. Bir endüstriyel bilgisayarın EtherCAT ana istasyon işlevinin gerçekleştirilmesi esas olarak şu bölümleri içerir: gerçek zamanlı bir alt sistem (RTSS) oluşturma; EtherCAT ana istasyon kodunun ikincil gelişimi; bir motor gerçek zamanlı kontrol programı yazma; bir insan-bilgisayar etkileşimi arayüzü tasarlama. Sistem mimarisi Şekil 3'te gösterilmektedir.
(1) Gerçek zamanlı bir RTSS alt sistemi oluşturun. İlk olarak, bilgisayarın gerçek zamanlı olmayan bir Windows işletim sistemi olduğu düşünüldüğünde, kontrol sisteminde EtherCAT iletişiminin gerçek zamanlı performansını sağlamak için gerçek zamanlı bir işletim sistemine (RTOS) dönüştürülmesi gerekir. IntervalZero'nun KingStar Motion'ı, bağımsız bir çekirdek sürücü modunu gerçekleştirmek ve Windows işletim sistemine paralel gerçek zamanlı bir paralel oluşturmak için Windows'un donanım soyutlama katmanı HAL'ı (Donanım Soyutlama Katmanı) değiştiren ve genişleten ilgili RTX (Gerçek Zamanlı Uzatma) yazılımını içeriyor. Alt sistem RTSS [4]. Windows ve RTX iş parçacıkları arasına bağımsız bir kesme aralığı ekleyerek, sistemin gerçek zamanlı performansını sağlamak için bağımsız bir RTSS zamanlayıcı sağlanır. RTX, gerçek zamanlı program geliştirme için çeşitli dinamik kitaplıklar ve statik kitaplıklar sağlar ve kullanıcı dostu bir programlama ortamını destekler.
(2) EtherCAT ana istasyon kodunun ikincil gelişimi. Ana istasyon kodu, KingStar Motion'da bulunan ticari kod tarafından gerçekleştirilir ve ana istasyon parametre yapılandırması, ana-bağımlı veri iletişimi, vb. Gibi işlevler dahil olmak üzere statik ve dinamik bağlantı kitaplığı biçiminde ilgili uygulama programlama arabirimi (API) sağlar. İkincil programlama geliştirme; CoE uygulama katmanı protokolünü destekler; çok kolay bir programlama ortamı sağlar, program kodu Microsoft Visual Studio'da yazılabilir. EtherCAT ana istasyonu, EtherCAT iletişiminin gerçek zamanlı doğasını sağlamak için RTSS altında çalışır.
(3) Motorun gerçek zamanlı kontrol programını yazın. EtherCAT tabanlı gerçek zamanlı kontrol programı, ilgili kapalı döngü kontrol işlemini gerçekleştirmek için esas olarak RTSS altında yüksek hassasiyetli zamanlayıcı ve yüksek hızlı periyodik EtherCAT iletişimini kullanır. Program, RTSS altında çalışan EtherCAT ana istasyon kodu aracılığıyla bağımlı istasyon ile iletişim kurar, ikincil istasyondan geri bildirim verilerini gerçek zamanlı olarak alır ve işler ve ilgili kontrol komutlarını ikincil istasyona gönderir.
(4) İnsan-bilgisayar etkileşimi arayüz tasarımı. Kontrol sistemi parametrelerinin hata ayıklamasını kolaylaştırmak için, ilgili insan-bilgisayar etkileşim arayüz programı MFC tarafından yazılabilir ve veriler, süreçler arası iletişim yoluyla motor gerçek zamanlı kontrol programı ile değiştirilebilir, ilgili parametreler hata ayıklanabilir ve ayarlanabilir, sistemin ilgili durumu periyodik olarak görüntülenebilir ve deneysel veriler kaydedilebilir. Üst bilgisayar arayüz programı, gerçek zamanlı olmayan Windows sistemi altında çalışabilir ve RTSS gerçek zamanlı programı ile veri iletişimi, paylaşılan hafıza tarafından gerçekleştirilir.
2.3 Master-slave istasyon haberleşme yazılım tasarımı
EtherCAT master-slave iletişimi, periyodik olmayan posta kutusu iletişimi ve periyodik işlem iletişimi dahil olmak üzere CoE uygulama katmanı protokolünü benimser. Posta kutusu iletişimi, KingStar Motion tarafından sağlanan ReadSdoObject ve WriteSdoObject SDO işlevlerine karşılık gelen, gerçek zamanlı olmayan uygulamalarda kullanılan ana ve bağımlı istasyonlar arasında periyodik olmayan bir iletişimdir; işlem veri iletişimi, gerçek zamanlı uygulamalarda kullanılan ana ve bağımlı istasyonlar arasındaki periyodik iletişimdir .
Bağımlı, bir servo sürücü olduğundan, motorun sürücü kontrolünü gerçekleştirmek için CANopen servo ve hareket kontrol profili CiA402'ye bakın ve sürücünün çalışma modunu Döngüsel Senkron Tork (Döngüsel Senkron Tork, CST) olarak seçin. İşletim modu yapısı Şekil 4'te gösterilmektedir. Kontrol ana istasyonu periyodik olarak sürücü ekipmanına hedef tork komutları gönderir ve sürücü ekipmanı tork kontrolünü çalıştırır. Sürücü cihazı, kontrol ana istasyonuna [1] gerçek konum değerini, gerçek hız değerini ve gerçek tork değerini sağlar.
Master-slave iletişimi başladığında, ana istasyon ağ bilgi dosyasına (EtherCAT Network Information, ENI) göre ağı başlatacaktır. ENI dosyasını analiz ederek, ana istasyona karşılık gelen İşlem Veri Nesnesinin (PDO) eşleme konfigürasyonunu görebilirsiniz. Bunlar arasında, RxPDO'da bulunan nesne sözlüğü 6071h, motorun hedef tork değerini temsil eder ve TxPDO'da bulunan nesne sözlüğü 6064h, motorun mevcut pozisyon değerini temsil eder.Motorun sürücü kontrolü, CiA402 protokolü ile birleştirilerek gerçekleştirilebilir.
CST modunda, kontrol ana birimi sürücüye hedef torku gönderir Servo motor, id = 0 vektör kontrollü sabit mıknatıslı senkron motordur. Q ekseni akımı tork ile orantılıdır.Sürücü, akım kapalı döngü hesaplamasını uygular ve mevcut konum değerini geri bildirir. , Kontrol ana istasyonunda pozisyon ve hız kapalı döngü hesaplamasını gerçekleştirin. Hedef tork ve geri besleme mevcut pozisyonu gönderme, KingStar Motion tarafından sağlanan SetServoTorque ve GetServoPosition işlevlerine karşılık gelir.
Özet olarak, EtherCAT master-slave iletişim programı Visual Studio 2013 altında yazılmıştır ve program akışı Şekil 5'te gösterilmektedir. Gerçek zamanlı görevler, EtherCAT ana istasyon konfigürasyonunun, ana-bağımlı veri gerçek zamanlı iletişiminin, yüksek hassasiyetli gerçek zamanlı zamanlayıcıların ve kapalı döngü işlemlerinin gerçekleştirilmesinden sorumlu olan RTSS alt sistemi altında yürütülür; gerçek zamanlı olmayan görevler, esas olarak insan-bilgisayar etkileşimi arayüzünün tasarımını tamamlamak için Windows sistemi altında tasarlanmıştır. , Parametre ayarı ve durum göstergesi dahil.
3 Deneysel platform yapımı
Tasarlanan sistemin genel şemasına göre bu makale, EtherCAT gerçek zamanlı iletişimine dayalı bir motor sürücü kontrol deney platformu oluşturur. Ana istasyon, Beckhoff şirketinin çok çekirdekli çift ağ bağlantı noktalı endüstriyel bilgisayarıdır, işletim sistemi Windows7'dir ve IntervalZero'nun KingStar Motion yazılımı kurulur ve ilgili konfigürasyon gerçekleştirilir; bağımlı istasyon, Ningbo Phase şirketinin AxN sürücüsünü kullanır, entegre ilgili çipler ve EtherCAT iletişimine sahiptir. Arayüz, bir ağ kablosuyla endüstriyel bir bilgisayarın gerçek zamanlı ağ portuna doğrudan bağlanır; kullanılan motor parametreleri nominal tork 35 Nm ve maksimum hız 1150 ° / s'dir; kodlayıcı 27 bit çözünürlüklü Heidenhain mutlak kodlayıcı ECA4000 kullanır ve iletişim arayüzü Endat2'dir. 2. Arayüz tanımına göre ilgili transfer hattını yapılandırın ve doğrudan servo sürücüye bağlayın.
4 Deneysel test ve analiz
İlgili deneysel testleri gerçekleştirmek için, önce AxN sürücüsünü bir EtherCAT slave olarak yapılandırın.Master istasyon bu tip sürücüyü destekleyecek şekilde uyarlandığından, bağımlı istasyon bilgi dosyasını yapılandırmaya gerek yoktur ve endüstriyel bilgisayar ağ kablosuyla doğrudan bağlanabilir. Yazılı insan-makine arayüz programını ve motor gerçek zamanlı kontrol programını çalıştırın, ilgili kapalı döngü deneysel testi gerçekleştirin ve analiz için deneysel verileri kaydedin. Sınırlı deneysel koşullar nedeniyle, bu makale yalnızca servo motoru yüksüz olarak test etmektedir.
4.1 Hız kapalı döngü testi
Motorun referans hızının 1 ° / s olduğu göz önüne alındığında, ölçülen hız izleme hata eğrisi Şekil 6'da gösterilmektedir. Apsis zamandır, birim saniyedir, koordinat hız izleme hatasıdır, birim ark saniyedir ("/ s). Verilerin analizi, sistemin hız izlemenin kök ortalama kare hatası için 1 ° / s'de olduğunu gösterir (Kök Ortalama Kare , RMS) 8.6021 / s ve maksimum hız izleme hatasının mutlak değeri 30.5104 / s'dir.Sistemin hız izleme hatasının küçük olduğu ve izleme performans gereksinimlerini karşıladığı görülebilmektedir.
4.2 Pozisyon kapalı döngü testi
Konum sabit nokta izleme: Verilen referans konum sabit noktası 1 ° 'dir ve ölçülen konum sabit nokta izleme hata eğrisi Şekil 7'de gösterilmektedir. Verilerin analizi, sistemin 1 ° konumunda 0.0765 "sabit nokta izleme hatası RMS'ye ve 0.2725" maksimum konum izleme hatasının mutlak değerine sahip olduğunu göstermektedir. Sistemin sabit nokta izleme performansının iyi olduğu görülmektedir.
Konum sinüs izleme: Nokta referans konumunun sinüsü 20 ° sin'dir (0,1t) ve ölçülen konum sinüs izleme hata eğrisi Şekil 8'de gösterilmektedir. İki dönemlik konum sinüs izleme hatası verisi toplayan analiz, sistem konumu sinüs izleme hatası RMS'nin 0.7021 olduğunu ve maksimum konum izleme hatasının mutlak değerinin 1.4071 olduğunu gösterir. Sistemin pozisyon sinüs izleme hatasının çok küçük olduğu ve sinüs izleme performansının iyi olduğu görülebilir.
5. Sonuç
Bu belge, EtherCAT gerçek zamanlı iletişimine dayalı bir motor sürücü kontrol sistemi tasarlar. EtherCAT'in çalışma prensibi kısaca tanıtıldı; endüstriyel bilgisayar, KingStar Motion yazılımı kullanılarak bir EtherCAT ana istasyonu olarak yapılandırıldı ve ana-bağımlı istasyonun gerçek zamanlı iletişim programı ve üst bilgisayar arayüz programı yazıldı; ilgili deneysel platform sistem şemasına göre oluşturuldu ve kapalı döngü kontrol deneyi gerçekleştirildi. Sonuçlar, kontrol sisteminin yüksek güvenilirliğe, iyi izleme doğruluğuna sahip olduğunu ve ilgili performans gereksinimlerini karşıladığını göstermektedir. Dahası, sistem basit bir yapıya ve esnek bir topolojiye sahiptir.EtherCAT veriyoluna bağımlı istasyonlar olarak birden fazla servo sürücü eklenerek, birden fazla motorun gerçek zamanlı sürücü kontrolü gerçekleştirilebilir; sistemin tüm kodları, bakımı kolay ve özelleştirilebilen Visual Studio 2013 ile yazılır. İnsan-bilgisayar etkileşimi arayüzü ve karmaşık kapalı döngü algoritması. Koşulların kısıtlamaları nedeniyle, bu makale sistemi yük altında veya karmaşık çalışma koşullarında analiz etmemiş, çok motorlu sürücü kontrolüne geçerken karşılaşılan sorunları incelememiştir.
Referanslar
[1] Xun Ji, Liu Yanqiang Endüstriyel Ethernet Fieldbus EtherCAT Sürücüsünün Tasarım ve Uygulaması [M] Pekin: Beihang University Press, 2010.
2 IntervalZero KingStar ürün özeti basit çince EB / OL. 2014-xx-xx 2016-12-30
[3] Ren Jiyu EtherCAT bağımlı istasyon yazılımının tasarımı ve uygulaması D Chengdu: Optoelektronik Teknoloji Enstitüsü, Çin Bilimler Akademisi, 2014.
4 Tian Hao, Pan Qing RTX gerçek zamanlı etki testi ve uygulaması J Bilgisayar Sistemi Uygulaması, 2007,16 (2): 103106.
