1、2023 年 2 月 25 日第 7 卷第 4 期现代信息科技Modern Information Technology Feb.2023 Vol.7 No.464642023.022023.02收稿日期：2022-10-24基金项目：郑州西亚斯学院校级项目（2022-D70）基于 EtherCAT 协议的从站运动控制系统设计薛迪杰，忽晓伟，刁梦梦（郑州西亚斯学院 电子信息工程学院，河南 郑州 451150）摘 要：针对工业运动控制系统中，传统的现场总线技术实时性差、容量小等缺点，研究了运动控制系统特点，并将EtherCAT 通信技术引入其中，利用 STM32F427 主控芯片、AX58100
2、 从站控制器和 JY02 电机驱动芯片，开发了 EtherCAT 从站运动控制器的硬件。实验表明，开发的从站控制系统和主站 TwinCAT 3 通信完全兼容，通信速度和可靠性较传统总线通信技术大幅度提高，可以更好地满足智能化和柔性生产的发展需求。关键词：EtherCAT 协议；TwinCAT 3；运动控制系统；工业通信系统中图分类号：TP273 文献标识码：A 文章编号：2096-4706（2023）04-0064-04Design of a Slave Motion Control System Based on EtherCAT ProtocolXUE Dijie,HU Xiaowei,D
3、IAO Mengmeng(School of Electronics and Information Engineering,SIAS University,Zhengzhou 451150,China)Abstract:Aiming at the shortcomings of the traditional field bus technology in industrial motion control systems,such as poor real-time performance and small capacity,the characteristics of the moti
4、on control system are studied and EtherCAT communication technology is introduced into industrial motion control systems.The hardware of the EtherCAT slave motion controller is developed using STM32F427 master controller chip,AX58100 slave controller and JY02 motor driver chip.The experimental resul
5、ts show that the developed slave control system is fully compatible with the master TwinCAT 3 communication,and the communication speed and reliability are greatly improved compared with the traditional bus communication technology,which can better meet the development needs of intelligent and flexi
6、ble production.Keywords:EtherCAT protocol;TwinCAT 3;motion control system;industrial communication system0 引 言近年来，各国都兴起了制造业的技术变革。一个国家的制造业技术水平与国家的经济发展息息相关，制造业就是国家经济的命脉，强大的制造业技术可以带动国内经济的高速发展。因此，发展制造业技术具有重要实际意义。为了推动我国制造业技术的发展，国家机关部门提出了“中国制造2025”的技术发展目标，为发展高集成化、柔性化、网络化的制造业提供了有力的保障1。运动控制系统是制造业技术的核心，制造业的智
7、能化发展，要求其中的运动控制系统必须网络化、模块化。传统的运动控制系统往往比较局限，并且在运动控制精度及自动化程度方面比较落后。随着计算机测控技术的发展，运动控制系统正向开放的体系结构发展，但在网络实时性方面，运动控制系统仍存在一定短板。传统的现场总线技术通信速率低，兼容性差。而实时工业以太网技术则完全克服了传统现场总线的缺点，正逐步取代现场总线技术并应用在工业应用控制领域。EtherCAT 技术是在以太网基础上进行修改，以适应工业控制系统需求的工业以太网技术。目前是工业控制领域较为流行的通信网络技术。本文将对 EtherCAT 网络技术进DOI:10.19850/ki.2096-4706.2
8、023.04.017行研究，结合多轴运动控制系统的特点，分析 EtherCAT 的工作原理，并对 EtherCAT 的从站控制器进行开发，完成EtherCAT 的主站和从站通信。然后将 EtherCAT 技术应用在多轴运动控制系统中，实现对设备实时、高速控制的目标2。1 EtherCAT 总线技术EtherCAT 最早是由德国 BECKHOFF 自动化公司开发出来的，是在以太网技术基础上修改开发出来的适用于工业网络技术的新型工业以太网总线，充分继承了以太网全双工特性3。EhterCAT 在传输数据过程中，无需对数据进行加密和解码，EtherCAT 从站接收在 EtherCAT 报文通过该从站时
9、，直接进行数据的交换，将接收数据读取下来，并将要发送的数据传送的报文中，报文中数据的获取和发送，仅需数纳秒，能够极大的提个数据传输的实时性。EtherCAT主站一般可直接选PC，利用以太网网卡实现，从站选用 EtherCAT 从站控制器，从站主要完成报文中数据的接收，并实现对设备层设备的控制。EtherCAT 主站发送数据到从站，从站从报文中获取数据后，将发送给本从站的数据接收进来，同时将需要发送给主站的数据嵌入报文中。接下来，从站将修改后的报文传送至下一个从站，执行同样的操作。如此重复，最终末位的 EtherCAT 将完成数据交换的报文，由逐个从站返回至第一个从站，并最终发送给主站4。Eth
10、erCAT 工作原理如图 1 所示。65652023.022023.02第 4 期2 运动控制系统的设计运动控制系统硬件总体分为主站和从站两部分。主站一般按照需求，使用配置有以太网网卡的 PC。从站需使用兼容 EtherCAT 协议的控制器，控制器一般由通信接口电路，控制电路和伺服驱动电路三部分组成。EtherCAT 运动控制系统框图如图 2 所示。EtherCAT运动控制系统TwinCAT3主站从站运动控制系统HMI界面PLC电机运动控制程序AX58100数据通信部分电机驱动部分STM32微控制器部分图 2 EtherCAT 运动控制系统方案框图2.1 主站选择使用的 EtherCAT 主站
11、为普通的个人 PC，主机使用英特尔 I3 处理器，配置 4 GB 内存，500 GB 硬盘，配置千兆以太网网卡，完全可以支持 EtherCAT 通信。除了硬件支持，PC 主机作为主站，还需要安装相关的软件。EtherCAT 主站软件部分直接采用 TwinCAT 3，首先需要安装网卡，将网卡添加到 TwinCAT 3 的设备当中；然后需要对 TwinCAT 3 进行激活，由于在实验室中使用的是 DEMO 版本，需要激活才能有七天的使用，找到 TwinCAT 3 的验证码，输入即可激活；最后，需要建立项目文件，添加软件自带的 PLC 电机运动控制 TC2_MC2 库文件，实现对电机的控制5。由于使
12、用的软件自带的库文件，可以缩短开发周期，降低开发难度。本项目主要实现对主站对电动机的基本控制功能，包括点动、连续转动、停止、反转等功能。主站 TwinCAT 3 上还绘制了HMI界面，用来反映电动机的运行情况，并用曲线进行显示。2.2 EtherCAT 从站设计2.2.1 从站控制器方案目前，全球多家公司均可以提供 ESC 控制芯片，但这些芯片的内部 IP 内核均由德国倍福公司授权。市场上常用的有 ASIX 的 AX58100、BECKHOFF 公司的 ET1100 和MICROCHIP 公司的 LAN9252 芯片。ET1100 芯片价格昂贵，芯片内资源较少，性价比较低，并且其芯片上不含物理
13、层端口，需要自行扩展。LAN9252则主要因其芯片自身不含电机驱动，在开发过程中，会增加开发难度。因此，本系统从站选用 ASIX 公司的 AX58100作为 EtherCAT 从站控制的 ESC。AX58100 是专为 EtherCAT通信设计的 ESC 芯片，内部直接附带两个物理层接口，在使用的时候，无需额外增加外围的 PHY，因此可以更加方便设计使用。此外，AX58100 的内部还集成了 PWM 输出接口和霍尔编码器，可以和伺服电机组成伺服电机闭环控制系统，直接对伺服电机进行精准控制，实现 EtherCAT 主站对从站设备的精确控制3。EtherCAT 从站采用微控制与 ESC 组合形式。
14、微控制器使用 32 位的处理器 STM32F427，其采用 ARM-Cotex4 内核，处理速度快，且具有丰富的接口资源；搭配 ESC 控制芯片AX58100，组成 EtherCAT 的复杂从站结构。从站组成结构图如图 3 所示。以太网网卡主站TwinCAT3AX58100从站1TXTXRXRXPHY 0PHY 1STM32F427RJ45RJ45EEPROMIIC从站nFSMC复位电路通信验证模块振荡电路JY02电机驱动板编码器PWM霍尔电源M通信模块微处理器模块驱动模块电源电路图 3 从站组成结构图根据从站的功能，硬件部分可分为以下三部分：（1）EtherCAT 数据通信部分。从站 Eth
15、erCAT 数据通信主要由 AX58100 完成，其功能是负责主站 TwinCAT 3 和微控制器 STM32F427 之间数据交换。在和上位机主站进行通信时，AX58100 完成物理层和数据链路层进行数据交换时的相关功能。AX58100 在和微控制器 STM32F427 进行数据交换时，可使用其芯片自带的 SPI Slave 总线和 Local Bus总线，但由于在进行运动控制时，数据量较大，要求的实时速度较快，因此，采用 AX58100 的 Local Bus 总线与微控制连接，将 STM32 芯片上的 FSMC 外设与 AX58100 的本地总线相连，采用16位异步通信模式，保证两者之间
16、的通信速率。此外，为了主站可以识别从站设备的信息，采用了存储容量大小为 32 KB 的 AT24C32 存储芯片和 AX58100 连接，并在其中保存了从站的设备描述信息。图 1 EtherCAT 通信系统示意图主站从站1从站2从站n下行数据帧上行数据帧从站1输出数据从站1输入数据从站2输出数据从站2输入数据从站n输出数据从站n输入数据I/O端子伺服设备运动控制器薛迪杰，等：基于 EtherCAT 协议的从站运动控制系统设计66662023.022023.02第 4 期现代信息科技（2）微控制器数据处理部分。微控制器数据处理部分主要由 STM32F427 构成，用来处理和 EtherCAT 主站通信的相关数据。本方案中 STM32F427 采用了 EtherCAT 协议进行通信。在进行电机控制时，为了读写 AX58100 内部数据，并将数据发送给主站，供主站在 TwinCAT 3 显示控制电机的状态和设置电机的参数，STM32F427 使用了为其配置的CoE 协议及 CiA 401 运动控制的子协议。STM32F427 通过从协议上获取的数据，转换成 PWM 通过驱动板对电机进行控制，
