解析基于EtherCAT的伺服系統DSP實現

引言

隨著當前工業生產規模向著大型化方向發展，生產設備也向著系統化、規?；姆较虬l展，在這種情況下，基于工業以太網的運動控制系統在一些數控系統中得到了很廣泛的應用，工業以太網通信具有傳輸速度快，通信數據量大等種種優點，對推動機電一體化設備的快速發展起到了很大的作用。隨著網絡通信技術的不斷發展，目前，在一定程度上，網絡伺服系統成為當前伺服系統發展的主要方向之一。在此情況下，德國BECKHOFF公司推出了Ether CAT現場總線技術，它具有配置簡單，數據傳輸高速、高效等種種優點。而且，在網絡結構上，幾乎支持所有的拓撲類型，包括線型、樹型、星型等，每個系統可以配置多達65535臺設備，這種總線類型對于大規模的運動控制系統的設計具有很好的優勢。特別是對于伺服系統的控制，更具有不可替代的優點。

Ether CAT總線式系統一般采用主從式結構，主站采用PC機，配置標準的以太網卡，從站采用專用芯片從主站中讀取數據，并進行相應的分析?？梢哉f，整個以太網現場總線的協議處理過程都是在硬件中完成的。所以，在Ether CAT控制系統中，從站的硬件及軟件的設計是非常重要的。因此，本文對于基于Ether CAT總線中的從站伺服控制系統DSP設計，進行了一定的研究，利用DSP實現了基于Ether CAT的伺服控制系統。

1 系統總體架構

根據Ether CAT總線式系統的結構原理，在本系統中，主站采用具有DMA功能的網卡作為Ether CAT總線接口，而從站DSP系統選用瑞泰公司的刑S320F28335 DSP開發板，配合倍福公司的ET1100從站控制器，作為從站的Ether CA=r接口。連接方式利用SPI連接方式。系統的總體架構如圖1所示。

對于該DSP系統，要解決的關鍵問題主要包含兩個方面，一是DSP系統與ET1100控制器之間的連接，該連接利用SPI接口實現，另一個方面是DSP的 PEM脈沖控制接口與伺服電機驅動器之間的連接，并且，為保證控制的精度，要對電機編碼器的反饋信號的連接進行相應的設計。

圖1 基于Ether CAT的DSP系統總體架構圖

2 基于Ether CAT的DSP通信實現

DSP系統與ET1100系統進行連接，用于實現DSP與Ether CAT總線之間的通信。SPI通信的特點是使用主從通信模式，使用該通信方式連接的兩個控制器在通訊前，必須配置好主控制器和從控制器，在本系統中，從設備實際需要考慮，ET1100作為從設備，而利用DSP芯片作為該接口的主設備。

圖2 ET1100與DSP間SPI主從連接示意圖

該SPI連接方式中，主控制器DSP芯片通過SPICLK信號為整個從站系統提供串行時鐘，該時鐘決定整個網絡的數據發送和接受的傳輸速率，發送時，將數據從高位到低位依次發送出來，并且，SPISTE引腳是SPI設備的使能引腳，當主設備DSP要發送數據到ET1100時，要將該信號置低，從而使從設備 ET1100使能，然后將數據從高位到低位依次發送出來，發送完成后，要將該引腳重新置高。而從設備ET1100則處于從工作模式，當它接收到主控制器發出的SPICLK信號的邊緣時，如果要發送數據，則將數據寫入移位寄存器，按照接收到的SPICLK時鐘頻率移位發送出去，如果要接受數據，則等待 SPICLK信號，并按照相同的時鐘將數據發送出去，當使能信號SPISTE信號為高時，則禁止ET1100的移位串行寄存器，將串行通信口的引腳置于高阻狀態，從而使該設備處于非使能狀態。

在本系統中的Ether CAT數據總線上進行數據的傳輸時，定義了自己的數據結構，該數據結構主要包含主站控制量和從站狀態的反饋，用于在主站和從站之間進行數據的傳輸。如表1所示：

表1 系統數據結構

系統通信數據結構中，首先是固定的報文頭部分，然后是每個Ether CAT從站上的DSP運動控制指令數據和狀態數據。其中每個數據部分由十個字節構成，包含兩個字節的數據模塊頭部分，兩個字節的控制字/狀態字部分，用來區分該部分是狀態數據還是指令數據，最后是六個字節的指令數據區或狀態數據區。數據模塊的結構如表2所示：

表2 數據模塊結構

在以上數據模塊結構中，每個數據模塊頭占用兩個字節的空間，數據模塊頭中的內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。

3 基于DSP的伺服控制

利用DSP進行從站的伺服控制，主要從以下幾個方面進行：

3.1硬件電路的設計

1)編碼器反饋信號的處理。編碼器作為反饋信號用來反饋電機的運動狀態，一般來說，編碼器是直接輸入到伺服驅動器的編碼器輸入端子中的，而伺服驅動器提供三對差分信號反饋到控制端。這三對差分信號因為干擾問題，出現了很多的毛刺，直接輸入時，可能對DSP系統造成很多的干擾，因此，在此利用三個差分電路將這三對差分信號轉化成單路的信號的形式。從而使DSP系統得到電機的運轉狀態。其中A與B是兩路的正交編碼脈沖，而Z信號作為電機回零位時的精確定位，用一個低電平脈沖實現。

2)數字量輸入輸出接口。從系統的可擴展性等各個方面考慮，該系統在DSP系統上設計八路的數字量輸入輸出。對數字量輸入輸出進行光電隔離處理，并進行了數字濾波處理。該信號主要用于零點信號輸入、限位信號輸入、軸方向和脈沖信號的輸出或者其他用戶定義的控制端子，在很大程度上提高了系統的擴展性。

3)控制信號的輸出?？刂菩盘栔饕脕韺︱寗悠鬟M行控制，從而控制控制電機的轉向和轉速。電機的控制信號可以利用“脈沖+脈沖”方式，也可以利用“脈沖+ 方向”的方式，其中脈沖頻率用來控制電機的轉速，而方向則利用一個IO口實現，輸出為高電平時，控制電機正轉，當輸出為低電平時，控制電機反轉。而且，對該信號經過光電隔離和施密特觸發器整形后輸出。

3.2 DSP軟件部分設計

DSP程序主要是由一個定時器構成的，DSP主程序啟動，首先完成一些初始化工作，對系統的主要參數進行一定的配置，然后，進入等待狀態，等待Ether CAT總線上的指令。當接收到控制指令時，進入中斷控制程序，在中斷程序中完成運動控制功能，并將電機的狀態數據反饋到Ether CAT總線中，系統的主程序和中斷程序如圖3所示。

圖3 DSP系統主程序和中斷程序流程圖