施大發(fā)

SHI Da-fa

（湖南機電職業(yè)技術(shù)學院，長沙 410151）

基于Ether CAT的永磁伺服電機控制器研究

Based on the Ether CAT permanent magnet servo motor controller research

施大發(fā)

SHI Da-fa

（湖南機電職業(yè)技術(shù)學院，長沙 410151）

永磁式伺服電機已經(jīng)成為當前數(shù)控設備的主要動力裝置之一，隨著生產(chǎn)現(xiàn)場設備不斷增多，電機數(shù)量繁多，組網(wǎng)困難，實時性要求高等問題逐漸顯現(xiàn)出來，對于總控系統(tǒng)的控制性能提出了更高的要求。在此情況下，基于工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)的Ether CAT是解決當前數(shù)據(jù)傳輸問題的一種很好的途徑，本文對于基于Ether CAT的永磁式伺服電機的控制器進行了一定的研究，重點針對傳輸過程中的子報文結(jié)構(gòu)進行了設計。

伺服電機；Ether；CAT；控制器

0 引言

數(shù)控技術(shù)和數(shù)控裝備是工業(yè)現(xiàn)代化的基礎，它直接影響著一個國家的經(jīng)濟實力和綜合國力，近年來，隨著數(shù)控技術(shù)的不斷發(fā)展，基于工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)的運動控制技術(shù)在一些機電一體化設備中得到了很廣泛的應用。Ether CAT（Ethernet for Control Automation Technology）技術(shù)，也就是以太網(wǎng)現(xiàn)場總線技術(shù)，是德國BECKHOFF公司提出的實時工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)，它具有通信速度快，數(shù)據(jù)量大，配置簡單等眾多優(yōu)點，在當前很多工業(yè)控制領(lǐng)域得到了很廣泛的應用。本文基于Ether CAT技術(shù)，對永磁伺服電機的控制器進行了一定的研究。

當前，隨著生產(chǎn)現(xiàn)場的各運動設備的輸入和輸出節(jié)點不斷增多，并且，各個設備的運動都要有生產(chǎn)現(xiàn)場總控計算機來控制管理，生產(chǎn)設備上電機數(shù)量不斷增多，控制要求不但提高，當前普遍采用的方法是通過計算機進行遠程控制，而對于一些局部的或者是固定的運動參數(shù)，則由現(xiàn)場的設備進行獨立的控制，因此，該系統(tǒng)利用Ether CAT進行設計，可以很好的滿足系統(tǒng)整體上的穩(wěn)定性和局部的實時性要求。

1 系統(tǒng)總體架構(gòu)

基于Ether CAT的永磁伺服電機控制器系統(tǒng)采用主從式的結(jié)構(gòu)，其總體結(jié)構(gòu)如圖1所示：

圖1 基于Ether CAT的永磁伺服電機控制器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

如圖1所示，該系統(tǒng)由一個Ether CAT通信主站和若干個Ether CAT伺服控制從站組成，主站與各個從站之間通過Ether CAT進行連接，Ether CAT伺服控制從站的基礎是一塊控制地板，在控制底板上安裝有Ether CAT通信接口模塊，用于與主站和各個從站之間進行通信，另外，底板上還有兩個運動控制卡，而且，根據(jù)需要，可以在該底板上擴展更多的運動控制卡，通過每個運動控制卡控制一個伺服電機的運動。Ether CAT的控制底板采用Atmega128芯片作為它的控制芯片，而運動控制卡采用的是多功能的位置控制卡，可以很好的完成速度閉環(huán)控制、位置閉環(huán)控制等多個方面的工作。很好的滿足了本系統(tǒng)的要求。

2 系統(tǒng)通信

Ether CAT的通信方式相對于其他以太網(wǎng)和現(xiàn)場總線有了很大的區(qū)別，在幀的處理方式上，它突破了其他以太網(wǎng)解決方案的限制，為了滿足系統(tǒng)的需求，本系統(tǒng)在設計過程中，在應用層對Ether CAT的數(shù)據(jù)模塊結(jié)構(gòu)進行了重新定義的過程。一般來說，數(shù)據(jù)模塊從總體上可以分成兩類，包括指令數(shù)據(jù)和狀態(tài)數(shù)據(jù)。這兩種數(shù)據(jù)模塊各有其不同的功能，在傳輸方式上也有一定的區(qū)別，指令數(shù)據(jù)的傳送方向是從Ether CAT通信主站到Ether CAT伺服控制器從站，用來通過控制器從站對伺服電機的運動進行控制，而狀態(tài)數(shù)據(jù)的傳送方向是從Ether CAT伺服控制器從站到Ether CAT通信主站，首先，主站通過Ether CAT對從站發(fā)送一定的命令，由從站發(fā)出相應的狀態(tài)數(shù)據(jù)，然后，由通信主站進行讀取，從而主站可以得到相應的伺服電機的狀態(tài)反饋。本系統(tǒng)中，每個運動控制卡都使用一個指令數(shù)據(jù)模塊和一個狀態(tài)數(shù)據(jù)模塊。而在指令數(shù)據(jù)和狀態(tài)數(shù)據(jù)傳送的過程中，處于Ether CAT網(wǎng)絡上的每個子報文都由各個Ether CAT從站上的所有的運動控制卡上的數(shù)據(jù)組成。通信子報文的結(jié)構(gòu)如表1所示：

表1 通信子報文結(jié)構(gòu)

通信子報文中，首先是固定的報文頭部分，然后是每個Ether CAT從站上的每個運動控制卡上的指令數(shù)據(jù)和狀態(tài)數(shù)據(jù)。其中每個數(shù)據(jù)部分由十個字節(jié)構(gòu)成，包含兩個字節(jié)的數(shù)據(jù)模塊頭部分，兩個字節(jié)的控制字/狀態(tài)字部分，用來區(qū)分該部分是狀態(tài)數(shù)據(jù)還是指令數(shù)據(jù)，最后是六個字節(jié)的指令數(shù)據(jù)區(qū)或狀態(tài)數(shù)據(jù)區(qū)。數(shù)據(jù)模塊的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 數(shù)據(jù)模塊結(jié)構(gòu)示意圖

在以上數(shù)據(jù)模塊結(jié)構(gòu)中，每個數(shù)據(jù)模塊頭占用兩個字節(jié)的空間，數(shù)據(jù)模塊頭中的內(nèi)容包括運動控制卡的地址（4個位），工作方式（3位），握手位（1位）三個方面的信息。

利用以上通信報文結(jié)構(gòu)，Ether CAT通信主站和從站之間通過進行周期性的通信過程來完成永磁伺服電機的控制過程。在通信過程中，通訊都是由主站發(fā)起的，兩個從站之間要進行通信，必須要通過主站進行，把主站當做一個路由器。主站和伺服電機控制從站之間的通信時序如圖3所示：首先，Ether CAT通信主站根據(jù)相應的設置和命令發(fā)出數(shù)據(jù)幀，然后，伺服控制從站在T1之前讀取指令數(shù)據(jù)的內(nèi)容，并從報文中分析尋址到本機的報文，讀取相應的控制命令，經(jīng)過一定的運算之后，傳送到對應的運動控制卡模塊中從而對永磁式伺服電機進行相應的控制。

圖3 基于Ether CAT的伺服電機控制器通信時序圖

3 結(jié)束語

當前，基于現(xiàn)場總線網(wǎng)絡的伺服運動控制系統(tǒng)因為它的可靠性、快速性和穩(wěn)定性等種種優(yōu)點成為當前伺服控制系統(tǒng)的發(fā)展趨勢。本文針對基于Ether CAT的永磁伺服電機控制器進行了一定程度研究。在應用層對數(shù)據(jù)傳輸?shù)淖訄笪慕Y(jié)構(gòu)進行了相關(guān)的設計，經(jīng)過實際驗證，能夠很好的滿足系統(tǒng)的要求。本文僅僅對系統(tǒng)的主要部件進行了一定的研究，對于該控制器運動控制方法上的多控制器以及大型運動控制系統(tǒng)的構(gòu)成還需要更進一步的研究。

[1] 杜品圣,工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)的介紹和比較,儀器儀表標準化與計算,2005.

[2] 云利軍,基于SYNQNET的網(wǎng)絡化運動控制器研究[J].制造技術(shù)與機床,2006.

[3] 張杰,益群.基于PC的多軸運動控制系統(tǒng)的開發(fā)[J].伺服控制,2007.

[4] 劉曦,劉俊峰,付少波.工業(yè)以太網(wǎng)傳輸延時特性分析[J].計算機與信息技術(shù),2007.

TP273

B

1009-0134(2010)12(上)-0043-02

10.3969/j.issn.1009-0134.2010.12(上).15

2010-08-20

湖南省科技計劃資助項目（2010FJ3119）；湖南省教育廳資助科研項目 （09C1160）

施大發(fā)（1965 -），男，研究生。