本發(fā)明涉及一種基于DSP的EtherCAT分布式伺服運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，適用于機(jī)械領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

隨著現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)規(guī)模趨向大型化，生產(chǎn)設(shè)備系統(tǒng)化、規(guī)?；?，開發(fā)設(shè)計(jì)網(wǎng)絡(luò)化的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)成為當(dāng)今的研究熱點(diǎn)。工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)不斷成熟、成本迅速降低，為大規(guī)模工業(yè)控制系統(tǒng)提供首選方案。EtherCAT是工業(yè)以太網(wǎng)家族的新成員，是Beckhoff公司提出的實(shí)時(shí)工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)，它基于標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)技術(shù)，具有全雙工通信，系統(tǒng)配置簡(jiǎn)單，數(shù)據(jù)傳輸具有高速、高效的特點(diǎn)，總線利用率高，其數(shù)據(jù)有效率可達(dá)90%以上，并支持線型、樹型、星型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，每個(gè)系統(tǒng)可連接多達(dá)65535個(gè)節(jié)點(diǎn)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明提出了一種基于DSP的EtherCAT分布式伺服運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，充分利用EtherCAT拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)靈活，配置簡(jiǎn)單，數(shù)據(jù)傳輸高速高效，實(shí)時(shí)性、同步性好等優(yōu)點(diǎn)，以及TMS320F28335 DSP芯片豐富的外設(shè)功能，具有EtherCAT網(wǎng)絡(luò)接口功能的從站設(shè)備，構(gòu)建EtherCAT分布式伺服運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，并提供了系統(tǒng)硬件及軟件的設(shè)計(jì)方案，可實(shí)現(xiàn)位置控制、速度控制、轉(zhuǎn)矩控制3種伺服系統(tǒng)控制模式和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸。

本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是：所述控制系統(tǒng)采用一主多從的結(jié)構(gòu)，主站采用具有標(biāo)準(zhǔn)100 Base-TX以太網(wǎng)卡的PC機(jī)，從站為采用TMS320 F28335自主研發(fā)的具有EtherCAT網(wǎng)絡(luò)接口的伺服運(yùn)動(dòng)控制卡，利用DSP芯片TM 5320 F28335的運(yùn)動(dòng)控制模塊實(shí)現(xiàn)伺服電機(jī)控制。主站與從站之間、從站與從站之間采用標(biāo)準(zhǔn)100BaseTX電纜連接。

所述EtherCAT分布式伺服運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)由PC機(jī)主站和若干具有EtherCAT接口的DSP從站組成，使用主從模式介質(zhì)訪問控制(MAC )，主站發(fā)送標(biāo)準(zhǔn)的ISO/IEC8802-3以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀至各個(gè)從站，數(shù)據(jù)幀經(jīng)過EtherCAT從站節(jié)點(diǎn)時(shí)，EtherCAT從站識(shí)別出相關(guān)的命令并做出相應(yīng)的處理，并從數(shù)據(jù)幀內(nèi)部子報(bào)文中提取或插入相關(guān)的運(yùn)動(dòng)控制數(shù)據(jù)，然后將該數(shù)據(jù)幀傳輸?shù)较乱粋€(gè)EtherCAT從站。最后一個(gè)EtherCAT從站發(fā)回經(jīng)過完全處理的數(shù)據(jù)幀，并由第一個(gè)EtherCAT從站作為響應(yīng)數(shù)據(jù)幀將其發(fā)送給控制單元。整個(gè)過程利用了以太網(wǎng)設(shè)備獨(dú)立處理雙向傳輸(TX和RX)的特點(diǎn)，并運(yùn)行在全雙工模式下，發(fā)出的數(shù)據(jù)幀又通過RX線返回到控制單元。EtherCAT具有精準(zhǔn)的時(shí)鐘同步系統(tǒng)及高精度設(shè)備同步，采用EtherCAT，系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交換就完全基于純硬件機(jī)制。

所述EtherCAT從站單元主要包括EtherCAT通信模塊和TMS320F28335伺服運(yùn)動(dòng)控制模塊。EtherCAT通信模塊采用標(biāo)準(zhǔn)RJ45網(wǎng)線實(shí)現(xiàn)主站與從站之間或從站與從站之間的連接。根據(jù)該分布式伺服運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)EtherCAT從站控制器的需求，此設(shè)計(jì)中EtherCAT通信模塊設(shè)計(jì)2個(gè)網(wǎng)絡(luò)接口：一個(gè)網(wǎng)絡(luò)接口連接上位機(jī)或上一從站，另一個(gè)網(wǎng)絡(luò)接口連接下一從站。EtherCAT通信模塊通過的PDI Selector選擇通過何種接口(8位或16位并行接口、SPI接口、SSI接口)和DSP微處理器相連，在該系統(tǒng)中研究選用SPI接口方式與DSP微處理器連接，實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)控制數(shù)據(jù)的交互。

所述EtherCAT通信模塊硬件主要包括從站協(xié)議控制器芯片ET1100, EEPROM、物理層PHY芯片KS8721、網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)變壓器H1102、網(wǎng)絡(luò)接口RJ45等部分。通信接口模塊中最重要的部分是EtherCAT協(xié)議控制器ETl 100，它實(shí)現(xiàn)EtherCAT的物理層與數(shù)據(jù)鏈路層的協(xié)議，ET1100的兩個(gè)MII接口在硬件上實(shí)現(xiàn)EtherCAT協(xié)議的數(shù)據(jù)鏈路層，外擴(kuò)的兩個(gè)物理層芯片KS8721實(shí)現(xiàn)工業(yè)以太網(wǎng)的物理層。物理層PHY與網(wǎng)絡(luò)變壓器組成網(wǎng)絡(luò)接口，其中網(wǎng)絡(luò)變壓器主要是實(shí)現(xiàn)隔離和阻抗匹配。從站配置數(shù)據(jù)和從站描述數(shù)據(jù)保存于EEPROM中，EEPROM通過I²C方式連接ET1100。

所述DSP伺服控制模塊主要實(shí)現(xiàn)EtherCAT對(duì)現(xiàn)場(chǎng)任務(wù)的具體控制與數(shù)據(jù)反饋，通過PDI接口采用SPI方式與ET1100連接;DSP讀取從站控制器ET1100內(nèi)部存儲(chǔ)區(qū)指令數(shù)據(jù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)解析，實(shí)現(xiàn)伺服運(yùn)動(dòng)控制，并將反饋數(shù)據(jù)寫入到從站控制器內(nèi)部存儲(chǔ)區(qū)，ET1100將數(shù)據(jù)打包發(fā)送到EtherCAT總線。

所述從站DSP的軟件控制主要包括兩部分內(nèi)容：一部分是系統(tǒng)的通信功能，DSP與ET1100進(jìn)行串行通信連接，完成與上位機(jī)的通信過程；另一部分是用于對(duì)伺服系統(tǒng)的控制和伺服系統(tǒng)反饋數(shù)的采集，以及外部模擬信號(hào)輸入的采集。設(shè)計(jì)的DSP控制程序采用中斷方式進(jìn)行。

所述EtherCAT主站的作用就是發(fā)起通信，包括主站與從站之間、從站與從站之間的通信，而且主站的功能基本上是靠軟件來實(shí)現(xiàn)。該設(shè)計(jì)系統(tǒng)中，EtherCAT主站采用具有兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)接口的PC機(jī)，并通過Beckhoff公司提供的組態(tài)軟件TwinCAT來實(shí)現(xiàn)EtherCAT系統(tǒng)的主站功能和人機(jī)界面。TwinCAT軟件主要包括系統(tǒng)管理器、TwinCAT PLC及系統(tǒng)配置文件等。其中，EtherCAT系統(tǒng)配置通過編寫XML文件進(jìn)行配置，該文件用來貯存EtherCAT系統(tǒng)配置信息，包括主站、從站的配置信息，循環(huán)命令以及輸人輸出映射。通過配置TwinCAT組態(tài)軟件將其運(yùn)行在WindowsXP環(huán)境的計(jì)算機(jī)中，實(shí)現(xiàn)主站功能。

本發(fā)明的有益效果是：該系統(tǒng)為伺服運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)中高密度實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的傳輸問題提供了解決方案，提高了多電機(jī)伺服系統(tǒng)的實(shí)時(shí)通信性能。該系統(tǒng)可直接運(yùn)用到實(shí)際的生產(chǎn)線設(shè)備上，以提高生產(chǎn)設(shè)備各方面的性能，充分體現(xiàn)EtherCAT現(xiàn)場(chǎng)總線在工業(yè)應(yīng)用中的優(yōu)勢(shì)。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的從站軟件程序流程圖。

圖2是本發(fā)明的中斷服務(wù)程序流程圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明。

如圖1、圖2，控制系統(tǒng)采用一主多從的結(jié)構(gòu)，主站采用具有標(biāo)準(zhǔn)100 Base-TX以太網(wǎng)卡的PC機(jī)，從站為采用TMS320 F28335自主研發(fā)的具有EtherCAT網(wǎng)絡(luò)接口的伺服運(yùn)動(dòng)控制卡，利用DSP芯片TM 5320 F28335的運(yùn)動(dòng)控制模塊實(shí)現(xiàn)伺服電機(jī)控制。主站與從站之間、從站與從站之間采用標(biāo)準(zhǔn)100BaseTX電纜連接。

EtherCAT分布式伺服運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)由PC機(jī)主站和若干具有EtherCAT接口的DSP從站組成，使用主從模式介質(zhì)訪問控制(MAC )，主站發(fā)送標(biāo)準(zhǔn)的ISO/IEC8802-3以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀至各個(gè)從站，數(shù)據(jù)幀經(jīng)過EtherCAT從站節(jié)點(diǎn)時(shí)，EtherCAT從站識(shí)別出相關(guān)的命令并做出相應(yīng)的處理，并從數(shù)據(jù)幀內(nèi)部子報(bào)文中提取或插入相關(guān)的運(yùn)動(dòng)控制數(shù)據(jù)，然后將該數(shù)據(jù)幀傳輸?shù)较乱粋€(gè)EtherCAT從站。最后一個(gè)EtherCAT從站發(fā)回經(jīng)過完全處理的數(shù)據(jù)幀，并由第一個(gè)EtherCAT從站作為響應(yīng)數(shù)據(jù)幀將其發(fā)送給控制單元。整個(gè)過程利用了以太網(wǎng)設(shè)備獨(dú)立處理雙向傳輸(TX和RX)的特點(diǎn)，并運(yùn)行在全雙工模式下，發(fā)出的數(shù)據(jù)幀又通過RX線返回到控制單元。EtherCAT具有精準(zhǔn)的時(shí)鐘同步系統(tǒng)及高精度設(shè)備同步，采用EtherCAT，系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交換就完全基于純硬件機(jī)制。

EtherCAT從站單元主要包括EtherCAT通信模塊和TMS320F28335伺服運(yùn)動(dòng)控制模塊。EtherCAT通信模塊采用標(biāo)準(zhǔn)RJ45網(wǎng)線實(shí)現(xiàn)主站與從站之間或從站與從站之間的連接。根據(jù)該分布式伺服運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)EtherCAT從站控制器的需求，此設(shè)計(jì)中EtherCAT通信模塊設(shè)計(jì)2個(gè)網(wǎng)絡(luò)接口：一個(gè)網(wǎng)絡(luò)接口連接上位機(jī)或上一從站，另一個(gè)網(wǎng)絡(luò)接口連接下一從站。EtherCAT通信模塊通過的PDI Selector選擇通過何種接口(8位或16位并行接口、SPI接口、SSI接口)和DSP微處理器相連，在該系統(tǒng)中研究選用SPI接口方式與DSP微處理器連接，實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)控制數(shù)據(jù)的交互。

EtherCAT通信模塊硬件主要包括從站協(xié)議控制器芯片ET1100, EEPROM、物理層PHY芯片KS8721、網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)變壓器H1102、網(wǎng)絡(luò)接口RJ45等部分。通信接口模塊中最重要的部分是EtherCAT協(xié)議控制器ETl 100，它實(shí)現(xiàn)EtherCAT的物理層與數(shù)據(jù)鏈路層的協(xié)議，ET1100的兩個(gè)MII接口在硬件上實(shí)現(xiàn)EtherCAT協(xié)議的數(shù)據(jù)鏈路層，外擴(kuò)的兩個(gè)物理層芯片KS8721實(shí)現(xiàn)工業(yè)以太網(wǎng)的物理層。物理層PHY與網(wǎng)絡(luò)變壓器組成網(wǎng)絡(luò)接口，其中網(wǎng)絡(luò)變壓器主要是實(shí)現(xiàn)隔離和阻抗匹配。從站配置數(shù)據(jù)和從站描述數(shù)據(jù)保存于EEPROM中，EEPROM通過I²C方式連接ET1100。

DSP伺服控制模塊主要實(shí)現(xiàn)EtherCAT對(duì)現(xiàn)場(chǎng)任務(wù)的具體控制與數(shù)據(jù)反饋，通過PDI接口采用SPI方式與ET1100連接;DSP讀取從站控制器ET1100內(nèi)部存儲(chǔ)區(qū)指令數(shù)據(jù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)解析，實(shí)現(xiàn)伺服運(yùn)動(dòng)控制，并將反饋數(shù)據(jù)寫入到從站控制器內(nèi)部存儲(chǔ)區(qū)，ET1100將數(shù)據(jù)打包發(fā)送到EtherCAT總線。

從站DSP的軟件控制主要包括兩部分內(nèi)容：一部分是系統(tǒng)的通信功能，DSP與ET1100進(jìn)行串行通信連接，完成與上位機(jī)的通信過程；另一部分是用于對(duì)伺服系統(tǒng)的控制和伺服系統(tǒng)反饋數(shù)的采集，以及外部模擬信號(hào)輸入的采集。設(shè)計(jì)的DSP控制程序采用中斷方式進(jìn)行。

EtherCAT主站的作用就是發(fā)起通信，包括主站與從站之間、從站與從站之間的通信，而且主站的功能基本上是靠軟件來實(shí)現(xiàn)。該設(shè)計(jì)系統(tǒng)中，EtherCAT主站采用具有兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)接口的PC機(jī)，并通過Beckhoff公司提供的組態(tài)軟件TwinCAT來實(shí)現(xiàn)EtherCAT系統(tǒng)的主站功能和人機(jī)界面。TwinCAT軟件主要包括系統(tǒng)管理器、TwinCAT PLC及系統(tǒng)配置文件等。其中，EtherCAT系統(tǒng)配置通過編寫XML文件進(jìn)行配置，該文件用來貯存EtherCAT系統(tǒng)配置信息，包括主站、從站的配置信息，循環(huán)命令以及輸人輸出映射。通過配置TwinCAT組態(tài)軟件將其運(yùn)行在WindowsXP環(huán)境的計(jì)算機(jī)中，實(shí)現(xiàn)主站功能。