廖 平,劉曉明

(中南大學(xué)，高性能復(fù)雜制造國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南長沙 410083)

0 引言

伴隨工廠工業(yè)自動(dòng)化的發(fā)展，交流伺服系統(tǒng)在網(wǎng)絡(luò)化、響應(yīng)速度、實(shí)時(shí)性等方面已經(jīng)無法滿足高精度、多軸同步控制的需求。為了達(dá)到快速的動(dòng)態(tài)響應(yīng)和高精度的位置跟蹤，工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)已被應(yīng)用于交流伺服驅(qū)動(dòng)器中[1]。EtherCAT是實(shí)時(shí)工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)，它以修改標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)的方式實(shí)現(xiàn)，具有全雙工通信，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)[2]。目前，EtherCAT通信在應(yīng)用中多采用MCU+EtherCAT控制芯片作為從站的方案，增加從站數(shù)量時(shí)，導(dǎo)致MCU的數(shù)量增加，成本增高，系統(tǒng)復(fù)雜。

文中采用將EtherCAT控制芯片集成到交流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中的方案，省去對(duì)MCU的需求。該系統(tǒng)使用TMS320F28335 DSP芯片和ET1100芯片，采用磁場定向控制算法，通過在主站上運(yùn)行TwinCAT-3軟件即可實(shí)現(xiàn)位置控制、速度控制、轉(zhuǎn)矩控制3種控制模式，同時(shí)具有伺服專用I/O接口和模擬信號(hào)采集接口。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作原理

主站為標(biāo)準(zhǔn)PC機(jī)，運(yùn)行TwinCAT-3軟件，使用8255x系列網(wǎng)卡，通信模塊采用ET1100 芯片實(shí)現(xiàn)與主站通信，驅(qū)動(dòng)模塊采用DSP 28335實(shí)現(xiàn)伺服電機(jī)的驅(qū)動(dòng)，主站和驅(qū)動(dòng)器之間采用普通網(wǎng)線連接，如圖1所示。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

1.1 系統(tǒng)EtherCAT通信原理

EtherCAT協(xié)議使用一個(gè)特殊類型的以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀，幀類型為0x88A4。其結(jié)構(gòu)如圖2和表1所示，EtherCAT以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀的數(shù)據(jù)區(qū)由多個(gè)子報(bào)文組成，每個(gè)子報(bào)文包括子報(bào)文頭、數(shù)據(jù)域和相應(yīng)的工作計(jì)數(shù)器(WKC)，每個(gè)子報(bào)文都服務(wù)于1個(gè)特定的邏輯映像區(qū)[3]。本文驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中只使用了1個(gè)子報(bào)文。PC主站發(fā)送包含數(shù)字伺服控制指令的數(shù)據(jù)幀在設(shè)備中持續(xù)傳輸，從站設(shè)備中的 FMMU在數(shù)據(jù)幀通過時(shí)讀出該數(shù)據(jù)幀中映射到此設(shè)備的邏輯地址中的數(shù)據(jù)。同時(shí)可以將數(shù)字伺服狀態(tài)數(shù)據(jù)即輸入數(shù)據(jù)，在數(shù)據(jù)幀通過時(shí)插入到相應(yīng)的邏輯地址區(qū)中，數(shù)據(jù)幀在整個(gè)過程僅有幾ns的延時(shí)。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[4]。通常每個(gè)通信周期只需要傳輸1個(gè)以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀，這個(gè)數(shù)據(jù)幀沿著邏輯環(huán)傳輸1周，完成所有的廣播式、多播式以及從站間的通信。這種通信方式極大提高了EtherCAT的通信速率和有效數(shù)據(jù)率。

圖2 EtherCAT數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)

表1 EtherCAT幀結(jié)構(gòu)定義

1.2 電機(jī)驅(qū)動(dòng)磁場定向算法原理

永磁同步電機(jī)的控制是基于對(duì)電機(jī)定子電流的幅值和相位的控制。磁場定向算法就是引入空間矢量和矢量變換的方法，將電機(jī)的定子的電流通過Clarke變換和Park變換進(jìn)行解耦，達(dá)到控制的目的，如圖3所示。

圖3 磁場定向算法結(jié)構(gòu)框圖

Clarke變換是將三相定子坐標(biāo)系變換成兩相正交坐標(biāo)系，在固定正交坐標(biāo)系中定子電流矢量的投影為

(1)

式中：ia為采集電機(jī)中的U相電流；ib為采集電機(jī)中的V相電流；ic為采集電機(jī)中的W相電流，ic等效成一個(gè)空間矢量is，然后再將is在旋轉(zhuǎn)的參考坐標(biāo)系中分解成isα和isβ。

為了完全消除轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)子的磁通位置的關(guān)系，達(dá)到解耦的目的，將兩相交流坐標(biāo)系(isα，isβ)在兩相直流坐標(biāo)系(isd，isq)投影，進(jìn)行Park變換，相應(yīng)變換方程為

(2)

式中：isα,isβ為Clarke變換結(jié)果；θe為電機(jī)角度。

2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件包括EtherCAT通信模塊和 TMS320F28335伺服驅(qū)動(dòng)模塊，如圖4和圖5所示。EtherCAT通信模塊設(shè)計(jì)2個(gè)標(biāo)準(zhǔn)RH45網(wǎng)絡(luò)接口，用于連接主站和下一從站。EtherCAT通信模塊通過 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，考慮數(shù)據(jù)傳輸速度和接口數(shù)最少，本系統(tǒng)中選用SPI接口方式與DSP連接，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。DSP使用磁場定向空間矢量完成對(duì)智能功率IPM的控制，實(shí)現(xiàn)DC-AC的逆變，驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，通過正交編碼電路接口檢測電機(jī)位置和速度信號(hào)，DSP的A/D單元檢測DC母線電壓和電流。同時(shí)，系統(tǒng)設(shè)計(jì)了外接MCU的模擬信號(hào)輸出，數(shù)字信號(hào)輸入輸出電路和485通信模塊，方便調(diào)試。

圖4 EtherCAT通信模塊

圖5 伺服驅(qū)動(dòng)模塊

2.1 EtherCAT通信模塊硬件設(shè)計(jì)

本模塊主要包括：EtherCAT從站控制芯片ET1100、以太網(wǎng)PHY芯片KS8721、以太網(wǎng)數(shù)據(jù)變壓器H1102和RJ45連接器。ET1100實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)鏈路層數(shù)據(jù)幀處理，其通過MII接口模式與物理層KS8721連接。物理層與數(shù)據(jù)變壓器組成網(wǎng)絡(luò)接口，其中數(shù)據(jù)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，主站通過讀寫ET1100的控制寄存器來讀寫EEPROM。

2.2 DSP伺服驅(qū)動(dòng)模塊硬件設(shè)計(jì)

DSP和ET1100通過SPI接口連接，啟動(dòng)時(shí)主站發(fā)送數(shù)據(jù)幀給ET1100，DSP讀取數(shù)據(jù)幀，解析數(shù)據(jù)后進(jìn)行電機(jī)伺服控制，同時(shí)將反饋數(shù)據(jù)通過ET1100發(fā)送給主站[5]。

(1)外部MCU控制電路設(shè)計(jì)。目前伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)都能實(shí)現(xiàn)位置、速度和轉(zhuǎn)矩控制和數(shù)字I/O控制。本文中轉(zhuǎn)矩和速度控制電路可以將外部MCU輸入的-10～+10 V的模擬量轉(zhuǎn)化0～3.3 V電壓信號(hào)，由DSP ADC模塊進(jìn)行采集。位置控制采用“脈沖+方向”控制，經(jīng)過光耦后發(fā)送給DSP。系統(tǒng)設(shè)計(jì)有8路數(shù)字I/O輸入使用光耦HCPL2530進(jìn)行隔離，包括伺服使能、速度指令方向等信號(hào)；5路數(shù)字I/O輸出使用TLP523進(jìn)行隔離，包括伺服準(zhǔn)備好信號(hào)、零速信號(hào)等。

(2)電流檢測定標(biāo)模塊設(shè)計(jì)。圖6為U相電流采集電路，采用2個(gè)霍爾傳感器ASC712-20分別檢測U、V相電流，將電流信息轉(zhuǎn)化為電壓信息，經(jīng)過一級(jí)運(yùn)放隔離后由DSP的A/D模塊轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，為電流環(huán)調(diào)節(jié)提供電流反饋。

圖6 U相電流檢測電路

ACS712-20輸出電壓Vout和被檢測的電流Ip間的關(guān)系為

(3)

(4)

ADC采樣電壓Vin和被檢測的電流Ip間的關(guān)系為

(5)

(3)編碼器反饋信號(hào)電路設(shè)計(jì)。電機(jī)自帶的編碼器反饋信號(hào)以 A+、A-，B+、B-，Z+、Z- 3對(duì)差分信號(hào)經(jīng)過差分接收器AM26LV32轉(zhuǎn)換成單端信號(hào)，并經(jīng)高速光耦6N137隔離后，送入DSP的EQEP單元接收。該模塊主要用于確定電機(jī)定子電氣位置和機(jī)械速度。

(4)功率逆變電路設(shè)計(jì)。該電路通過DSP發(fā)出的PWM信號(hào)通過光耦HCPL4504控制IPM內(nèi)的IGBT開關(guān)實(shí)現(xiàn)DC-AC的逆變。智能功率模塊IPM具有響應(yīng)速度快、功耗低、集成度高等優(yōu)點(diǎn)，本系統(tǒng)選用了6MBP30VAA060-51器件。

(5)強(qiáng)弱電隔離設(shè)計(jì)。電源模塊中，強(qiáng)電部分包括一路310 V直流母線電壓和一路15 V/0.5 A的IPM控制信號(hào)電壓，2組電源相互隔離；弱電部分包含2路5 V/1 A電源，1路用于芯片DSP和ET100供電，1路用于外設(shè)電路供電，2路電源共地，圖7為示意圖。弱電模塊通過DSP發(fā)出的PWM波控制強(qiáng)電模塊產(chǎn)生可控交流電，中間通過6個(gè)HCPL4505連接。進(jìn)行強(qiáng)電測量時(shí)，示波器電源應(yīng)隔離以免短路。

圖7 強(qiáng)弱電隔離示意圖

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 EtherCAT從站XML配置文件

系統(tǒng)中EtherCAT從站運(yùn)行在周期性數(shù)據(jù)模式下，采用同步模式在中斷服務(wù)處理周期性數(shù)據(jù)[6]。XML文件是從站設(shè)備描述文件，寫入在了 EEPROM里面，ET1100 上電后，會(huì)從 EEPROM 加載配置參數(shù)，完成啟動(dòng)初始化過程。主站設(shè)備掃描從站時(shí)，會(huì)讀取 EEPROM 描述信息，完成對(duì)從站的初始配置。在COE下，XML里定義的對(duì)象字典和PDO(過程數(shù)據(jù)對(duì)象)設(shè)置，需要和程序里的對(duì)象字典相對(duì)應(yīng)。RxPdo為從站接收主站數(shù)據(jù)，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了從站4組IO信號(hào)和3組模擬量信號(hào)輸入，分別為數(shù)字量伺服使能、速度方向、報(bào)警清除、中斷信號(hào)和模擬量速度控制、轉(zhuǎn)矩控制和位置控制。TxPdo為主站接收從站數(shù)據(jù)，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了從站3組IO信號(hào)和1組模擬量輸出，分別為數(shù)字量伺服準(zhǔn)備好信號(hào)，速度到達(dá)信號(hào)和電機(jī)旋轉(zhuǎn)輸出；模擬量當(dāng)前電壓值和電流值。具體索引映射配置如表2所示。

3.2 DSP軟件設(shè)計(jì)

交流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)系統(tǒng)上電或復(fù)位后，DSP先執(zhí)行初始化程序，實(shí)現(xiàn)對(duì)DSP內(nèi)部各個(gè)功能模塊、I/O口、ET1100通訊的初始設(shè)定和系統(tǒng)整體的初始狀態(tài)的檢測。上述工作完畢，打開系統(tǒng)中斷，循環(huán)等待TwinCAT3主站指令，執(zhí)行相應(yīng)程序。主程序軟件框圖，如圖8所示。

表2 索引映射配置

圖8 主程序流程框圖

初始化模塊主要功能模塊包含：對(duì)DSP系統(tǒng)控制寄存器和外設(shè)進(jìn)行配置；讀取系統(tǒng)重要的運(yùn)行參數(shù)和變量賦初值；驅(qū)動(dòng)板上電軟啟動(dòng)；外部輸入模擬信號(hào)檢測；驅(qū)動(dòng)電路母線電壓、相電流檢測和PWM控制信號(hào)輸出。檢測主電路出現(xiàn)的過流、過/欠壓和IPM電源欠壓等故障信號(hào)。

ET1100通信模塊包含：DSP通過從站實(shí)現(xiàn)與主站TwinCAT的I/O量、模擬量的傳輸。

3.3 主站軟件設(shè)計(jì)

主站使用基于VisioStudio2013的TwinCAT-3軟件，運(yùn)行在Win7 64位系統(tǒng)。在TwinCAT-3中新建Project文件，右鍵Devices選擇Scan開始掃描設(shè)備和I/O，右鍵PLC選擇“添加新項(xiàng)”雙擊POUs，點(diǎn)擊MAIN開始編程。將變量進(jìn)行聲明后，編程賦值。生成代碼并進(jìn)行編譯，在test Instance中將輸入輸出變量進(jìn)行變量連接，激活運(yùn)行程序即可控制電機(jī)。

4 實(shí)驗(yàn)及分析

實(shí)驗(yàn)電機(jī)各項(xiàng)參數(shù)分別為電阻5.83 Ω、電感12.23 mH、額定電流1.2 A和額定轉(zhuǎn)速1 000 r/min。設(shè)定電機(jī)空載轉(zhuǎn)速3 000 r/min，在TwinCAT-3中發(fā)送啟動(dòng)指令。使用Wireshark網(wǎng)絡(luò)分析器觀測EtherCAT通信情況，抓包部分情況如圖9所示，將驅(qū)動(dòng)器的RS485接口連接到PC，獲得電流數(shù)據(jù)波形如圖10。

圖9 Wireshark抓包部分?jǐn)?shù)據(jù)

圖10 U相電流波形

通過圖9中第7幀和第6 幀數(shù)據(jù)時(shí)間，計(jì)算報(bào)文延遲為2.187 ns，捕獲到的61字節(jié)循環(huán)周期為0.092 s，證明了主從站的通信性能良好。

由圖10可看出，電機(jī)啟動(dòng)后電流突然增大，經(jīng)過0.5 ms的時(shí)間達(dá)到額定電流，峰值為1.6 A，電機(jī)內(nèi)產(chǎn)生了交流電，磁場定向算法運(yùn)行穩(wěn)定。

通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了基于EtherCAT通信的伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)在EtherCAT通信和電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制方面的有效性。

5 結(jié)束語

本文對(duì)基于EtherCAT通信的交流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行了研究，著重介紹了EtherCAT通信原理和磁場定向算法，給出了軟件硬件設(shè)計(jì)方案。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該系統(tǒng)能夠通過EtherCAT通信控制電機(jī)，為EtherCAT通信在工業(yè)自動(dòng)化應(yīng)用中提供設(shè)計(jì)參考，具有一定的實(shí)用價(jià)值。