謝 鍇，顏鋼鋒

基于EtherCAT的多軸運動控制系統(tǒng)設計*

謝 鍇，顏鋼鋒

(浙江大學 電氣工程學院，杭州 310027)

針對多軸控制系統(tǒng)中的同步性問題，設計了一款基于EtherCAT的多軸運動控制系統(tǒng)，并提出了對主站和從站均采用實時操作系統(tǒng)的解決方案。對于EtherCAT主站，在嵌入式平臺上，構(gòu)建了基于Xenomai-Linux和Etherlab的主站方案，人機界面使用Qt來編寫，EtherCAT從站采用的是uC/OS-III實時操作系統(tǒng)，通過搶占式內(nèi)核保證了從站之間的數(shù)據(jù)實時性。通過主從站的雙實時設計方案，保證了系統(tǒng)中多軸之間的同步性。實驗結(jié)果表明，基于雙實時操作系統(tǒng)的EtherCAT運動控制系統(tǒng)，連接便利，同步時間在微秒級別，具有很好的實時性。

實時以太網(wǎng)EtherCAT；ARM；Xenomai-Linux；uC/OS-III；Qt；多軸運動控制系統(tǒng)

0 前言

在傳統(tǒng)的數(shù)控加工設備，工業(yè)機器人和機電一體化中，信號傳輸主要使用的是電纜或者光纖，由于傳輸介質(zhì)的特點，使得多軸在進行協(xié)調(diào)工作時，存在一定的不同步性，從而影響工業(yè)加工的精度，并且傳統(tǒng)系統(tǒng)構(gòu)成比較復雜，成本比較高，維護比較困難。傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)主要是“PC機+控制卡”或者是“DSP+FPGA”的方案，系統(tǒng)性能受到很大的限制，同時，軸的控制數(shù)量不會超過6個，在需要控制的軸數(shù)目增多時，控制系統(tǒng)的成本會大大的增加[1]。新時期的發(fā)展對多軸之間的實時性和協(xié)調(diào)性提出了很高的要求，傳統(tǒng)的技術(shù)已經(jīng)難以解決新時期的問題。

隨著計算機技術(shù)和工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展與融合，工業(yè)以太網(wǎng)由于其速度快，成本低，擴展性好，抗干擾性強等特點得到了廣泛的應用[2]。目前國際上有很多種實時以太網(wǎng)，EtherCAT(Ethernet for Control Automation Technology)技術(shù)是由德國Beckhoff公司提出的一種解決方案，此方案是基于標準的以太網(wǎng)技術(shù)，使用特殊的以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀類型(0x88A4)[3]，系統(tǒng)配置簡單，數(shù)據(jù)傳輸全雙工，高速，高效，總線利用率較高，數(shù)據(jù)有效率達到90%以上[4]，支持多種網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)，每個系統(tǒng)從站數(shù)量可以擴展到65535個。

為適應生產(chǎn)設備的系統(tǒng)化、規(guī)模化的發(fā)展需求，本多軸控制系統(tǒng)引入EtherCAT技術(shù)，針對目前EtherCAT主站復雜等缺點，在嵌入式微處理器上實現(xiàn)EtherCAT主站，在uC/OS-III實時操作系統(tǒng)上實現(xiàn)EtherCAT從站，從而利用雙實時操作系統(tǒng)實現(xiàn)了多軸控制，具有實時性好，可擴展性好，易于維護，成本低等多方面優(yōu)點。

1 系統(tǒng)總體框架

本系統(tǒng)采用實時以太網(wǎng)EtherCAT協(xié)議作為多軸控制器系統(tǒng)的底層協(xié)議，在主從站均使用實時操作系統(tǒng)，根據(jù)EtherCAT協(xié)議，系統(tǒng)采用一主多從的結(jié)構(gòu)，拓撲結(jié)構(gòu)上，EtherCAT可以有很多種，其中為了通信的最穩(wěn)定，這里采用了最簡單，應用最為普遍的線性串行結(jié)構(gòu)。主站采用標準的100Base-TX以太網(wǎng)卡[5]，將開源的主站軟件移植到嵌入式Linux系統(tǒng)上，由于Linux的非實時性，需要對其進行改造，本系統(tǒng)在Linux上移植Xenomai，實現(xiàn)了基于Beaglebone Black的嵌入式實時系統(tǒng)。Xenomai是linux內(nèi)核的一個實時開發(fā)框架，它通過無縫地集成到linux環(huán)境中來給用戶空間應用程序提供全面的，與接口無關(guān)的硬實時性能[6]。系統(tǒng)利用Qt編寫上位機程序，對系統(tǒng)進行配置操作。

從站采用自主研發(fā)的以STM32為核心的具有EtherCAT網(wǎng)絡接口的伺服驅(qū)動器，在STM32上運行uC/OS-III實時操作系統(tǒng)，uC/OS-III是一個可固化的，可擴展的，搶占式的實時內(nèi)核，它管理的任務個數(shù)不受限制，優(yōu)先級數(shù)不受限制，具有時間片輪轉(zhuǎn)的功能，是第三代內(nèi)核，提供了現(xiàn)代實時內(nèi)核所期待的所有功能包括資源管理，同步，內(nèi)部任務交流等，比uC/OS-II有很大的進步[7]，本系統(tǒng)采用最新的實時性內(nèi)核，進一步保證了從站代碼解析的實時性。主站從站之間采用標準網(wǎng)線進行連接，為了保證實時性和抗干擾性，使用標準在CAT-5e上的電纜進行連接，同時，為了測試多軸系統(tǒng)的兼容性，將Estun公司和Beckhoff公司的伺服進行混合測試，系統(tǒng)總體框架如圖1所示。

2 系統(tǒng)硬件設計

2.1 主站硬件選取

傳統(tǒng)的EtherCAT主站是在PC機上實現(xiàn)，便攜性不夠，成本較高。本系統(tǒng)主站在嵌入式Linux上實現(xiàn)，硬件采用Beaglebone Black開發(fā)板，便攜性與成本均有較大的改善。

2.2 從站硬件設計

EtherCAT從站控制器ESC是由專門的硬件來實現(xiàn)的，主要負責數(shù)據(jù)鏈路層和物理層的協(xié)議。ESC與主機設備之間的連接結(jié)構(gòu)方式根據(jù)過程數(shù)據(jù)接口PDI的形式確定[8]。

本系統(tǒng)使用微處理器方式，總體框圖如圖2所示，圖中，STM32負責通訊的應用層部分和伺服電機驅(qū)動控制部分。本文重點對通訊的應用層部分進行闡述。

為了對ET1100中的數(shù)據(jù)進行高速，大批量的讀寫，這里使用STM32的特殊解決方案——FSMC(靈活靜態(tài)存儲器控制器)，如圖3所示。

FSMC主要負責將系統(tǒng)總線AHB轉(zhuǎn)化為可以讀寫相應存儲器的形式，可以通過程序來方便的改寫讀取的速度，位數(shù)等，和傳統(tǒng)的通過SPI與ET1100進行串行數(shù)據(jù)交換相比，F(xiàn)SMC屏蔽了對ET1100的具體操作，只要在對應的映射地址空間寫入數(shù)據(jù)即可自動翻譯到ET1100，同時數(shù)據(jù)是并行的，讀寫速度更快。

這里將ET1100存儲器部分映射到STM32的FSMC的第1個BANK的第1個內(nèi)存區(qū)，由于采用的是STM32F103VE只有16位的數(shù)據(jù)線，需要數(shù)據(jù)線和地址線復用。在解析出報文之后，將相應的數(shù)據(jù)解析，發(fā)送到驅(qū)動部分，然后產(chǎn)生相應的PWM波和數(shù)字信號經(jīng)過高速光耦，經(jīng)過相應的芯片(PS21A79)處理，產(chǎn)生伺服電機的動力信號。同時，電機的編碼器數(shù)值經(jīng)過定時捕捉，在CPLD中進行解算，傳到STM32中，構(gòu)成閉環(huán)控制。

3 系統(tǒng)軟件設計

3.1 主站軟件設計

EtherCAT主站使用的是IgH公司的開源主站代碼，在實時Linux框架Xenomai-Linux上實現(xiàn)，軟件系統(tǒng)架構(gòu)如圖4所示。

圖4 主站軟件架構(gòu)圖

從圖4中可以看出，主站軟件框架有兩層需要進行設計，EtherCAT Master和Xenomai-Linux，其中EtherCAT Master為Etherlab代碼，API層為用戶接口，Master Core為軟件系統(tǒng)提供協(xié)議解析等，Xenomai-Linux為主站系統(tǒng)實時解決方案，通過Adeos提供實時性的保證。

首先需要進行Xenomai-Linux的移植，設計難點在于修改內(nèi)核選項，使得內(nèi)核編譯符合硬件配置，然后下載解壓Etherlab的主站代碼之后，配置源代碼，需要使能RTDM，使能周期定時器hrttimer，然后進行編譯，編譯內(nèi)核模塊，加載到內(nèi)核部分。這里使能RTDM主要是為了編譯出API。

由于硬件采用的是Beaglebone Black開發(fā)板，運行的是linux-3.8內(nèi)核，使用Xenomai版本為2.6.3，在修改內(nèi)核選項時，需要disable CPU Frequency scaling，同時需要使能Real-time sub-system下的Driver，Testing Driver選項，然后使用arm-linux-gnueabi- 作為交叉編譯器，編譯內(nèi)核。

本系統(tǒng)使用Qt來編寫應用程序界面，調(diào)用生成的API來對設備節(jié)點進行操作。

主站軟件系統(tǒng)將EtherCAT主站通訊操作封裝為ethercat_master類，涉及的主要成員函數(shù)為check_domain1_state,check_master_state,check_config_states,write_process_data,cyclic_task等，負責EtherCAT通訊。軟件系統(tǒng)將多軸控制算法封裝為控制庫，主要包括正逆運動算法解算，運動插補等。

圖5 主站通訊流程圖

主站程序總流程如圖5所示，將UI線程與EtherCAT通訊線程分開，開啟UI線程，將UI控件信號與處理函數(shù)連接，然后開啟EtherCAT通訊線程，線程循環(huán)等待，處理UI傳過來的數(shù)據(jù)。

3.2 從站軟件設計

軟件設計講究分層化和模塊化，為了統(tǒng)一化嵌入式微處理器的硬件資源，專注應用層的開發(fā)，本設計通過移植操作系統(tǒng)，將硬件進行抽象化。

操作系統(tǒng)內(nèi)核有搶占式和非搶占式之分。由于使用同一個處理器(STM32)作為伺服控制和通訊應用層的芯片，需要同時處理多個任務，如何將多個任務進行調(diào)度和切換是從站軟件設計的難點。非搶占式內(nèi)核是任務主動放棄CPU的使用權(quán)，異步事件是由中斷來處理的，但是中斷服務之后，回到原來被中斷的任務，直到任務主動放棄CPU的使用權(quán)，高優(yōu)先級的任務無法主動去獲取使用權(quán)，導致任務響應時間較慢，響應時間不確定。搶占式內(nèi)核保證了任務的響應時間，高優(yōu)先級的任務總是能夠獲取CPU的使用權(quán)，能夠最大限度的減少任務調(diào)度的時間消耗，保證高優(yōu)先級任務的實時性[9]。

綜上所述，為了更好的發(fā)揮EtherCAT的實時性，在從站STM32中移植了uC/OS-III實時操作系統(tǒng)，利用uC/OS-III的搶占式內(nèi)核特性，保證了通訊的實時性，搶占式內(nèi)核工作原理如圖6所示。

圖6 uC/OS-III搶占式內(nèi)核

軟件系統(tǒng)設計分為兩個部分，伺服驅(qū)動部分和通訊部分。伺服驅(qū)動部分主程序流程圖如圖7所示。

先對控制器的外設寄存器進行初始化，包括PWM定時器TIM1，電流電壓采樣ADC，通訊口USART等，然后建立與CPLD的通訊，故障自檢，進行IPM控制電路自舉電容充電，最后母線上電，完成伺服部分的初始化[10]。

再對EtherCAT通訊部分進行初始化。先是初始化STM32內(nèi)部的IO引腳，外部中斷，串口，總線等等，然后對EtherCAT協(xié)議相關(guān)變量進行初始化，包括清除事件屏蔽器，事件請求寄存器，讀取SM通道，改變狀態(tài)機等。

圖7 伺服系統(tǒng)程序流程圖

通訊部分為EtherCAT通信，總共創(chuàng)建三個任務，Task_Start，Task_ControlSWScan，Task_RemoteControl，優(yōu)先級分別為28，32和30。Task_Start任務為工作LED的閃爍指示，Task_ControlSWScan為掃描外接按鍵的輸入，Task_RemoteControl為EtherCAT的工作狀態(tài)轉(zhuǎn)換，解析得到的數(shù)據(jù)等。

其中，EtherCAT狀態(tài)機有四個狀態(tài)，初始化(Init)，預運行(Pre-Operational)，安全運行(Safe-Operational)和運行(Operational)。不同的階段進行不同的工作，按照各個階段的狀態(tài)進行各個狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)化，轉(zhuǎn)化關(guān)系圖如圖8所示。

圖8 從站狀態(tài)機轉(zhuǎn)化示意圖

正如前面所述，STM32通過FSMC機制對ESC的DPRAM讀寫，首先映射ESC的DPRAM內(nèi)存，起始地址為0x60000000，根據(jù)ET1100的時序，在STM32中設置FSMC的時序，如圖9所示。對于數(shù)據(jù)的讀寫，直接通過讀取FSMC中對應的地址空間即可，這是通訊實現(xiàn)的基礎核心部分。

圖9 FSMC時序設置

為了保證通訊的實時性，這里將通訊的三個任務等級設為高優(yōu)先級，在執(zhí)行伺服控制的時候，CPU可以被通訊任務搶占。

和傳統(tǒng)軟件設計相比，此次軟件設計將實時操作系統(tǒng)uC/OS-III應用在EtherCAT從站設計中，一方面，將EtherCAT通訊任務設為高優(yōu)先級任務，在數(shù)據(jù)到來時，能夠搶占CPU資源，最大限度的保證了通訊實時。另一方面，方便對嵌入式資源進行統(tǒng)一化管理。

4 系統(tǒng)調(diào)試分析

基于圖1所搭建的多軸運動控制平臺，進行了控制系統(tǒng)測試分析。

4.1 Xenomai Latency測試

安裝好Xenomai實時框架之后，進行l(wèi)atency測試，在/usr/xenomai/bin下，latency可以通過設置參數(shù)測試內(nèi)核層，用戶層的實時任務調(diào)度延遲時間和定時器中斷實時性測試，使用命令latency-tX-s-TXX-pXXX，X數(shù)值可以為0，1，2，分別表示用戶態(tài)，內(nèi)核態(tài)和定時器中斷[11]。

用戶態(tài)測試如表1，執(zhí)行命令為latency-t0-s-T10-p1000，測試時間為10s，采樣周期為1000μs。

表1 用戶態(tài)延時測試

由于篇幅的限制，這里只是截取其中的一部分，在表中可以看出，用戶態(tài)下，最大延遲有44μs，最小為1μs，平均在5μs左右。

內(nèi)核態(tài)測試如表2，執(zhí)行命令為latency-t1-s-T10-p1000，測試時間為10s，采樣周期為1000μs。

表2 內(nèi)核態(tài)延時測試

從表中可以看出，內(nèi)核態(tài)下最大延遲小于10μs，最小延遲小于1μs，平均延遲小于1μs，在內(nèi)核態(tài)下有較好的調(diào)度延遲。

定時器中斷實時性測試數(shù)據(jù)如表3，執(zhí)行命令為latency-t2-s-T10-p1000，測試時間為10s，采樣周期為1000μs。

表3 定時中斷延時測試

從上表中看出，定時器中斷最大延遲在6μs，最小延遲小于3μs，平均延遲小于3μs。以上的測試結(jié)果表明基于Xenomai-Linux的系統(tǒng)在內(nèi)核態(tài)和用戶態(tài)有很好的實時性，能夠滿足EtherCAT主站實時性要求。

4.2 多軸系統(tǒng)功能測試

硬件連接框圖如圖1所示，主站為Beaglebone Black嵌入式控制器，從站由三個部分組成，自制具有EtherCAT通訊功能的伺服控制器，Estun伺服和Beckhoff伺服。系統(tǒng)通訊拓撲采用傳統(tǒng)菊花鏈的結(jié)構(gòu)，每個設備上有EtherCAT通訊的IN和OUT，IN接口連接上一設備，OUT連接下一設備，通過網(wǎng)線相連，連接硬件如圖10所示。

圖10 總體硬件連接圖 圖11 帶有EtherCAT通訊 功能的控制板

本系統(tǒng)首先設計了具有EtherCAT通訊功能的伺服驅(qū)動器(圖11)，然后在Beaglebone Black上實現(xiàn)Xenomai-Linux實時Linux系統(tǒng)，并實現(xiàn)EtherCAT主站，最后使用Qt實現(xiàn)上位機，實現(xiàn)了伺服電機的轉(zhuǎn)動，在功能上實現(xiàn)多軸控制器系統(tǒng)。

4.3 性能測試分析

就搭建的運動控制系統(tǒng)進行測試，在Beaglebone Black上直接使用wireshark進行包的抓取。在Xenomai-Linux的主站控制下，數(shù)據(jù)負載較小時候，截取部分數(shù)據(jù)，分析如表4。

表4 低負荷情況下時間統(tǒng)計 單位ms

報文2ms循環(huán)一次，延時在70μs，延時局限在Beaglebone Black網(wǎng)卡的能力和處理器的處理能力上，現(xiàn)在實時性保證在μs級別，這樣的實時性能和通訊速度已經(jīng)非常出色。

5 結(jié)束語

EtherCAT實時以太網(wǎng)技術(shù)是未來工業(yè)以太網(wǎng)的發(fā)展趨勢，將其應用在多軸運動控制系統(tǒng)更是大勢所趨。筆者利用Xenomai-Linux實時系統(tǒng)，采用了開源主站，在嵌入式上實現(xiàn)了EtherCAT主站，在STM32上移植uC/OS-III實時操作系統(tǒng)，并采用分時多任務實現(xiàn)了從站通訊，同時將從站和驅(qū)動器相連，實現(xiàn)了具有EtherCAT通訊功能的伺服驅(qū)動器，最后完成了多軸運動控制系統(tǒng)的設計。實驗表明，在有三個從站的情況下，同步時間在微秒級。從而說明，基于Xenomai-Linux實時系統(tǒng)的嵌入式主站和uC/OS-III的嵌入式從站構(gòu)成的雙實時多軸控制系統(tǒng)具有良好的實時性和精確的多軸同步控制性能。

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(編輯 李秀敏)

Design of Motion Control System Based on EtherCAT

XIE Kai，YAN Gang-feng

(College of Electrical Engineer, Zhejiang University, Hangzhou 310027, China)

For the shortages of current multi-axis motion control system in synchronization and the control ability, a multi-axis motion control system based on EtherCAT is designed. The master station and slave station are constructed using real-time operating system. A solution of building embedded EtherCAT master is presented, which uses IgH EtherCAT Master open source components for RT-Linux, and Qt for GUI. The slave of this system is based on uC/OS-III operating system, which uses preemptive kernel to guarantee the real-time data among slaves. Thus, this system can ensure the synchronization among multi-axis. The results shows that, the multi-axis motion control system based on EtherCAT has a facilitate connection and the synchronization time is at microsecond level, which can meet the requirement of real-time and synchronization.

EtherCAT; ARM; Xenomai-Linux; uC/OS-III; Qt; servo motion control system

1001-2265(2017)02-0068-05

10.13462/j.cnki.mmtamt.2017.02.017

2016-05-31；

2016-06-27

國家自然基金(61175106)

謝鍇(1991—)，男，河南商丘人，浙江大學碩士研究生，研究方向為工業(yè)以太網(wǎng)和機器人技術(shù)，(E-mail)xk2010@163.com；通信作者：顏鋼鋒(1959—)，男，浙江大學教授，博士生導師，研究方向為大系統(tǒng)以及混雜系統(tǒng)的建模和控制、數(shù)碼紡織系統(tǒng)工程、電氣傳動及其控制、企業(yè)綜合自動化，(E-mail) ygf@zju.edu.cn。

TH166;TG659

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