EtherCAT系統(tǒng)簡介

　　EtherCAT(以太網(wǎng)控制自動化技術)是一個以以太網(wǎng)為基礎的開放架構(gòu)的現(xiàn)場總線系統(tǒng)，EtherCAT名稱中的CAT為Control Automation Technology(控制自動化技術)首字母的縮寫。最初由德國倍福自動化有限公司(Beckhoff Automation GmbH)研發(fā)。EtherCAT為系統(tǒng)的實時性能和拓撲的靈活性樹立了新的標準，同時，它還符合甚至降低了現(xiàn)場總線的使用成本。

　　Ethercat主張'以太網(wǎng)控制自動化技術'。它是一個開放源代碼，高性能的系統(tǒng)，目的是利用以太網(wǎng)協(xié)議，在工業(yè)環(huán)境，控制機器人和其他裝備線上的技術。

　　EtherCAT的特點還包括高精度設備同步，可選線纜冗余，和功能性安全協(xié)議(SIL3)。EtherCAT在網(wǎng)絡性能上達到了一個新的高度。1000個分布式I/O數(shù)據(jù)的刷新周期僅為30μs，其中包括端子循環(huán)時間。通過一個以太網(wǎng)幀，可以交換高達1486字節(jié)的過程數(shù)據(jù)，幾乎相當于12000個數(shù)字量I/O。而這一數(shù)據(jù)量的傳輸僅用300μs。與100個伺服軸的通訊只需100μs。在此期間，可以向所有軸提供設置值和控制數(shù)據(jù)，并報告它們的實際位置和狀態(tài)。分布式時鐘技術保證了這些軸之間的同步時間偏差小于1微秒。利用EtherCAT技術的優(yōu)異性能，可以實現(xiàn)用傳統(tǒng)現(xiàn)場總線系統(tǒng)所無法實現(xiàn)的控制方法。這樣，通過總線也可以形成超高速控制回路。以前需要本地專用硬件支持的功能現(xiàn)在可在軟件中加以映射。巨大的帶寬資源使狀態(tài)數(shù)據(jù)與任何數(shù)據(jù)可并行傳輸。EtherCAT技術使得通訊技術與現(xiàn)代高性能的工業(yè)PC相匹配?？偩€系統(tǒng)不再是控制理念的瓶頸。

EtherCAT系統(tǒng)特點

　　EtherCAT技術的領先性

　　EtherCAT協(xié)議處理完全在硬件中進行,協(xié)議ASIC可靈活組態(tài),使得工作效率大大提高。1000個分布式I/O數(shù)據(jù)的刷新周期僅為30μs，其中包括端子循環(huán)時間。與100個伺服軸的通訊只需100μs。在此期間，可以向所有軸提供設置值和控制數(shù)據(jù)，并報告它們的實際位置和狀態(tài)。利用EtherCAT技術的優(yōu)異性能，可以實現(xiàn)用傳統(tǒng)現(xiàn)場總線系統(tǒng)所無法實現(xiàn)的控制方法。

　　EtherCAT技術的開放性

　　EtherCAT（以太網(wǎng)控制自動化技術）是一個以以太網(wǎng)為基礎的開放架構(gòu)的現(xiàn)場總線系統(tǒng)，符合IEC規(guī)范(IEC/PAS62407)，也是國家標準。

　　在市場上，有大量的EtherCAT主站與EtherCAT從站的設備與產(chǎn)品。

　　國內(nèi)外有很多專業(yè)的第三方公司做EtherCAT方面的技術咨詢與技術服務。

　　EtherCAT芯片方面，主流的fpga廠家altera，xilinx都支持EtherCAT主從方案。大的半導體廠家也都支持EtherCAT協(xié)議，例如TI，infineon，microchip等半導體廠商均支持EtherCAT從站芯片。當然倍福公司也提供ET1100,ET1200等EtherCAT接口芯片。

　　ETG全球組織與ETG中國組織的推動

　　ETG全球組織在全球有5個區(qū)域性組織，截至2018年就有5205個會員單位。

　　國產(chǎn)伺服驅(qū)動器廠商以及步進驅(qū)動器廠商，工業(yè)以太網(wǎng)通訊接口首選就是EtherCAT，國內(nèi)已有幾百家廠家支持EtherCAT伺服驅(qū)動器以及EtherCATIO模塊。

　　結(jié)合到現(xiàn)場實際應用EtherCAT總線的運動控制優(yōu)勢

　　a、節(jié)點與節(jié)點之間只要網(wǎng)線連接，系統(tǒng)電氣柜配線非常方便;

　　b、系統(tǒng)抗干擾能力強，網(wǎng)口就是隔離的，整個電氣系統(tǒng)的EMC特性好;

　　c、EtherCAT初始化完成就可以直接讀取所有軸的多圈絕對值編碼器位置;

　　d、SDO可以在線讀取與修改各軸的參數(shù)與增益，軸參數(shù)調(diào)試更方便；

　　e、通過選擇不同的PDO數(shù)據(jù)內(nèi)容，可以實現(xiàn)位置控制下轉(zhuǎn)矩限幅，轉(zhuǎn)矩控制下速度限制，CSP(周期位置)/CSV(周期速度)/CST(周期轉(zhuǎn)矩)可以自由切換;

　　f、方便上位機遠程診斷與遠程維護電氣系統(tǒng)，預測性維護也更方便。

　　沒有實際的運動控制器也能仿真與調(diào)試運動控制系統(tǒng)

　　虛擬仿真與調(diào)試日漸成為工業(yè)自動化行業(yè)的剛需，一是可以在設備未準備就緒之前就把軟件基本調(diào)試完成，二是進一步提高開發(fā)與調(diào)試的效率。

CANopen系統(tǒng)簡介

　　CANopen是建立在CAN數(shù)據(jù)鏈路層之上的一個開放的標準應用層。CAN最初為汽車應用領域而開發(fā)設計，到目前已經(jīng)被證明是堅固、可靠、經(jīng)濟的通信網(wǎng)絡。可以進行主/從和點對點的通信，消息沖突不是毀滅性的。

　　從軸通過被鎖定時間標記的分布式時鐘進行同步。參數(shù)與實時數(shù)據(jù)分別由SDOs與PDOs進行處理，以達到最優(yōu)效率。對于一個完整的系統(tǒng)解決方案，可支持第三方的I/O與控制軟件。

　　網(wǎng)絡拓撲與總線仲裁

　　CAN是一個使用簡單雙絞線連接的多點網(wǎng)絡。最大速率可達1Mb/s、線長可達40米。網(wǎng)絡首尾兩端須接終端電阻，且端線應盡量的短。一個CAN網(wǎng)絡最多可支持127個節(jié)點。

　　當總線空閑時，任何一個節(jié)點都可以發(fā)送數(shù)據(jù)。消息幀以幀有效低起始位開始發(fā)送這消息的標識符。越低的標識符，它的優(yōu)先級越高。如果兩臺設備在同一時間向網(wǎng)絡發(fā)送數(shù)據(jù)，有高優(yōu)先級標識符的設備將會強制性把總線電平拉低，而低優(yōu)先級的節(jié)點設備將識別到這個情況且將放棄使用總線。

　　CANopen與EtherCAT是國際上網(wǎng)絡運動控制的開放標準協(xié)議。它們可以簡化連線、降低成本、增強診斷功能等。CANopen主要應用于分布式控制系統(tǒng)，而EtherCAT可以應用在集中式與分布式2種控制結(jié)構(gòu)中。每種網(wǎng)絡都有其自身的優(yōu)點。

　　集中式與分布式運動控制

　　系統(tǒng)任務的等級與分配如下圖所示。綠色表示控制器，藍色表示驅(qū)動器。在集中式結(jié)構(gòu)中，除了電流環(huán)以外，所有的任務都由控制器完成。電流環(huán)應該至少每100us更新一次，這會把很高的計算負擔放在控制器上，且必須使用高速數(shù)據(jù)通訊鏈路。

　　在分布式控制系統(tǒng)中，所有的伺服環(huán)都在驅(qū)動器內(nèi)完成。在輪廓模式（下載運動參數(shù)并啟動運行）下，驅(qū)動器內(nèi)部也執(zhí)行路徑規(guī)劃。驅(qū)動器無需增加附加的成本，而且能省去運動控制卡。由于位置環(huán)的刷新率遠低于電流環(huán)，因此只需使用一個低速的網(wǎng)絡即可。

　　集中式

●更適合軸間高度耦合的情況如機器手

●更高效的實時伺服環(huán)調(diào)整

●要求更高帶寬網(wǎng)

　　分布式

●點到點及多數(shù)輪廓曲線的理想選擇

●低成本解決方案、最小化驅(qū)動器尺寸

●只要求低帶寬網(wǎng)絡

●易擴展、無增加控制器負擔

　　PVT路徑規(guī)劃

　　在分布式控制協(xié)同運動系統(tǒng)中，EtherCAT和CANopen都使用PVT做路徑規(guī)劃：控制器生成一系列的點，來定義在指定的時間點上，每個軸的位置與速度值。PVT路徑規(guī)劃是定義運動軌跡的一種非常高效的方法。

　　一般來說，軌跡點每隔10ms被發(fā)送到驅(qū)動器的緩沖區(qū)中。驅(qū)動器實行三階插補來生成最優(yōu)的曲線。插補之后，每個驅(qū)動器上的位置環(huán)以幾千赫茲的速率同步更新。

　　網(wǎng)絡的速度與效率

　　對運動控制系統(tǒng)網(wǎng)絡而言，效率、決定性與同步性遠比速度重要。標準以太網(wǎng)的傳輸速度超過CANopen速度100倍，但主要被設計用于異步傳輸大數(shù)據(jù)文件。網(wǎng)絡上的消息沖突是毀滅性的，必須重新發(fā)送。CANopen主要被創(chuàng)建用于低成本傳送實時小數(shù)據(jù)包，對于分布式控制而言，完全可滿足其實時性要求。

　　EtherCAT給以太網(wǎng)帶來了同步性與決定性，相對于許多被實時修改過的標準以太網(wǎng)，EtherCAT顯然是有效的。對于分布式控制系統(tǒng)，它滿足刷新驅(qū)動器電流環(huán)的速度的要求，且能靈活地傳輸PVT點。相對來說，價位也會更高一些。