一种基于DSP的EtherCAT分布式伺服运动控制系统的制作方法

本发明涉及一种基于DSP的EtherCAT分布式伺服运动控制系统，适用于机械领域。

背景技术：

随着现代工业生产规模趋向大型化，生产设备系统化、规模化，开发设计网络化的运动控制系统成为当今的研究热点。工业以太网技术不断成熟、成本迅速降低，为大规模工业控制系统提供首选方案。EtherCAT是工业以太网家族的新成员，是Beckhoff公司提出的实时工业以太网技术，它基于标准以太网技术，具有全双工通信，系统配置简单，数据传输具有高速、高效的特点，总线利用率高，其数据有效率可达90%以上，并支持线型、树型、星型网络拓扑结构，每个系统可连接多达65535个节点。

技术实现要素：

本发明提出了一种基于DSP的EtherCAT分布式伺服运动控制系统，充分利用EtherCAT拓扑结构灵活，配置简单，数据传输高速高效，实时性、同步性好等优点，以及TMS320F28335 DSP芯片丰富的外设功能，具有EtherCAT网络接口功能的从站设备，构建EtherCAT分布式伺服运动控制系统，并提供了系统硬件及软件的设计方案，可实现位置控制、速度控制、转矩控制3种伺服系统控制模式和实时数据传输。

本发明所采用的技术方案是：所述控制系统采用一主多从的结构，主站采用具有标准100 Base-TX以太网卡的PC机，从站为采用TMS320 F28335自主研发的具有EtherCAT网络接口的伺服运动控制卡，利用DSP芯片TM 5320 F28335的运动控制模块实现伺服电机控制。主站与从站之间、从站与从站之间采用标准100BaseTX电缆连接。

所述EtherCAT分布式伺服运动控制系统由PC机主站和若干具有EtherCAT接口的DSP从站组成，使用主从模式介质访问控制(MAC )，主站发送标准的ISO/IEC8802-3以太网数据帧至各个从站，数据帧经过EtherCAT从站节点时，EtherCAT从站识别出相关的命令并做出相应的处理，并从数据帧内部子报文中提取或插入相关的运动控制数据，然后将该数据帧传输到下一个EtherCAT从站。最后一个EtherCAT从站发回经过完全处理的数据帧，并由第一个EtherCAT从站作为响应数据帧将其发送给控制单元。整个过程利用了以太网设备独立处理双向传输(TX和RX)的特点，并运行在全双工模式下，发出的数据帧又通过RX线返回到控制单元。EtherCAT具有精准的时钟同步系统及高精度设备同步，采用EtherCAT，系统的数据交换就完全基于纯硬件机制。

所述EtherCAT从站单元主要包括EtherCAT通信模块和TMS320F28335伺服运动控制模块。EtherCAT通信模块采用标准RJ45网线实现主站与从站之间或从站与从站之间的连接。根据该分布式伺服运动控制系统EtherCAT从站控制器的需求，此设计中EtherCAT通信模块设计2个网络接口：一个网络接口连接上位机或上一从站，另一个网络接口连接下一从站。EtherCAT通信模块通过的PDI Selector选择通过何种接口(8位或16位并行接口、SPI接口、SSI接口)和DSP微处理器相连，在该系统中研究选用SPI接口方式与DSP微处理器连接，实现运动控制数据的交互。

所述EtherCAT通信模块硬件主要包括从站协议控制器芯片ET1100, EEPROM、物理层PHY芯片KS8721、网络数据变压器H1102、网络接口RJ45等部分。通信接口模块中最重要的部分是EtherCAT协议控制器ETl 100，它实现EtherCAT的物理层与数据链路层的协议，ET1100的两个MII接口在硬件上实现EtherCAT协议的数据链路层，外扩的两个物理层芯片KS8721实现工业以太网的物理层。物理层PHY与网络变压器组成网络接口，其中网络变压器主要是实现隔离和阻抗匹配。从站配置数据和从站描述数据保存于EEPROM中，EEPROM通过I²C方式连接ET1100。

所述DSP伺服控制模块主要实现EtherCAT对现场任务的具体控制与数据反馈，通过PDI接口采用SPI方式与ET1100连接;DSP读取从站控制器ET1100内部存储区指令数据，进行数据解析，实现伺服运动控制，并将反馈数据写入到从站控制器内部存储区，ET1100将数据打包发送到EtherCAT总线。

所述从站DSP的软件控制主要包括两部分内容：一部分是系统的通信功能，DSP与ET1100进行串行通信连接，完成与上位机的通信过程；另一部分是用于对伺服系统的控制和伺服系统反馈数的采集，以及外部模拟信号输入的采集。设计的DSP控制程序采用中断方式进行。

所述EtherCAT主站的作用就是发起通信，包括主站与从站之间、从站与从站之间的通信，而且主站的功能基本上是靠软件来实现。该设计系统中，EtherCAT主站采用具有两个标准以太网接口的PC机，并通过Beckhoff公司提供的组态软件TwinCAT来实现EtherCAT系统的主站功能和人机界面。TwinCAT软件主要包括系统管理器、TwinCAT PLC及系统配置文件等。其中，EtherCAT系统配置通过编写XML文件进行配置，该文件用来贮存EtherCAT系统配置信息，包括主站、从站的配置信息，循环命令以及输人输出映射。通过配置TwinCAT组态软件将其运行在WindowsXP环境的计算机中，实现主站功能。

本发明的有益效果是：该系统为伺服运动控制系统中高密度实时数据的传输问题提供了解决方案，提高了多电机伺服系统的实时通信性能。该系统可直接运用到实际的生产线设备上，以提高生产设备各方面的性能，充分体现EtherCAT现场总线在工业应用中的优势。

附图说明

图1是本发明的从站软件程序流程图。

图2是本发明的中断服务程序流程图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

如图1、图2，控制系统采用一主多从的结构，主站采用具有标准100 Base-TX以太网卡的PC机，从站为采用TMS320 F28335自主研发的具有EtherCAT网络接口的伺服运动控制卡，利用DSP芯片TM 5320 F28335的运动控制模块实现伺服电机控制。主站与从站之间、从站与从站之间采用标准100BaseTX电缆连接。

EtherCAT分布式伺服运动控制系统由PC机主站和若干具有EtherCAT接口的DSP从站组成，使用主从模式介质访问控制(MAC )，主站发送标准的ISO/IEC8802-3以太网数据帧至各个从站，数据帧经过EtherCAT从站节点时，EtherCAT从站识别出相关的命令并做出相应的处理，并从数据帧内部子报文中提取或插入相关的运动控制数据，然后将该数据帧传输到下一个EtherCAT从站。最后一个EtherCAT从站发回经过完全处理的数据帧，并由第一个EtherCAT从站作为响应数据帧将其发送给控制单元。整个过程利用了以太网设备独立处理双向传输(TX和RX)的特点，并运行在全双工模式下，发出的数据帧又通过RX线返回到控制单元。EtherCAT具有精准的时钟同步系统及高精度设备同步，采用EtherCAT，系统的数据交换就完全基于纯硬件机制。

EtherCAT从站单元主要包括EtherCAT通信模块和TMS320F28335伺服运动控制模块。EtherCAT通信模块采用标准RJ45网线实现主站与从站之间或从站与从站之间的连接。根据该分布式伺服运动控制系统EtherCAT从站控制器的需求，此设计中EtherCAT通信模块设计2个网络接口：一个网络接口连接上位机或上一从站，另一个网络接口连接下一从站。EtherCAT通信模块通过的PDI Selector选择通过何种接口(8位或16位并行接口、SPI接口、SSI接口)和DSP微处理器相连，在该系统中研究选用SPI接口方式与DSP微处理器连接，实现运动控制数据的交互。

EtherCAT通信模块硬件主要包括从站协议控制器芯片ET1100, EEPROM、物理层PHY芯片KS8721、网络数据变压器H1102、网络接口RJ45等部分。通信接口模块中最重要的部分是EtherCAT协议控制器ETl 100，它实现EtherCAT的物理层与数据链路层的协议，ET1100的两个MII接口在硬件上实现EtherCAT协议的数据链路层，外扩的两个物理层芯片KS8721实现工业以太网的物理层。物理层PHY与网络变压器组成网络接口，其中网络变压器主要是实现隔离和阻抗匹配。从站配置数据和从站描述数据保存于EEPROM中，EEPROM通过I²C方式连接ET1100。

DSP伺服控制模块主要实现EtherCAT对现场任务的具体控制与数据反馈，通过PDI接口采用SPI方式与ET1100连接;DSP读取从站控制器ET1100内部存储区指令数据，进行数据解析，实现伺服运动控制，并将反馈数据写入到从站控制器内部存储区，ET1100将数据打包发送到EtherCAT总线。

从站DSP的软件控制主要包括两部分内容：一部分是系统的通信功能，DSP与ET1100进行串行通信连接，完成与上位机的通信过程；另一部分是用于对伺服系统的控制和伺服系统反馈数的采集，以及外部模拟信号输入的采集。设计的DSP控制程序采用中断方式进行。

EtherCAT主站的作用就是发起通信，包括主站与从站之间、从站与从站之间的通信，而且主站的功能基本上是靠软件来实现。该设计系统中，EtherCAT主站采用具有两个标准以太网接口的PC机，并通过Beckhoff公司提供的组态软件TwinCAT来实现EtherCAT系统的主站功能和人机界面。TwinCAT软件主要包括系统管理器、TwinCAT PLC及系统配置文件等。其中，EtherCAT系统配置通过编写XML文件进行配置，该文件用来贮存EtherCAT系统配置信息，包括主站、从站的配置信息，循环命令以及输人输出映射。通过配置TwinCAT组态软件将其运行在WindowsXP环境的计算机中，实现主站功能。