解析基于EtherCAT的伺服系統(tǒng)DSP實現(xiàn)

引言

隨著當前工業(yè)生產(chǎn)規(guī)模向著大型化方向發(fā)展，生產(chǎn)設備也向著系統(tǒng)化、規(guī)?；姆较虬l(fā)展，在這種情況下，基于工業(yè)以太網(wǎng)的運動控制系統(tǒng)在一些數(shù)控系統(tǒng)中得到了很廣泛的應用，工業(yè)以太網(wǎng)通信具有傳輸速度快，通信數(shù)據(jù)量大等種種優(yōu)點，對推動機電一體化設備的快速發(fā)展起到了很大的作用。隨著網(wǎng)絡通信技術(shù)的不斷發(fā)展，目前，在一定程度上，網(wǎng)絡伺服系統(tǒng)成為當前伺服系統(tǒng)發(fā)展的主要方向之一。在此情況下，德國BECKHOFF公司推出了Ether CAT現(xiàn)場總線技術(shù)，它具有配置簡單，數(shù)據(jù)傳輸高速、高效等種種優(yōu)點。而且，在網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)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(tǒng)可以配置多達65535臺設備，這種總線類型對于大規(guī)模的運動控制系統(tǒng)的設計具有很好的優(yōu)勢。特別是對于伺服系統(tǒng)的控制，更具有不可替代的優(yōu)點。

Ether CAT總線式系統(tǒng)一般采用主從式結(jié)構(gòu)，主站采用PC機，配置標準的以太網(wǎng)卡，從站采用專用芯片從主站中讀取數(shù)據(jù)，并進行相應的分析?？梢哉f，整個以太網(wǎng)現(xiàn)場總線的協(xié)議處理過程都是在硬件中完成的。所以，在Ether CAT控制系統(tǒng)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(tǒng)DSP設計，進行了一定的研究，利用DSP實現(xiàn)了基于Ether CAT的伺服控制系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)總體架構(gòu)

根據(jù)Ether CAT總線式系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)原理，在本系統(tǒng)中，主站采用具有DMA功能的網(wǎng)卡作為Ether CAT總線接口，而從站DSP系統(tǒng)選用瑞泰公司的刑S320F28335 DSP開發(fā)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(tǒng)的總體架構(gòu)如圖1所示。

對于該DSP系統(tǒng)，要解決的關(guān)鍵問題主要包含兩個方面，一是DSP系統(tǒng)與ET1100控制器之間的連接，該連接利用SPI接口實現(xiàn)，另一個方面是DSP的 PEM脈沖控制接口與伺服電機驅(qū)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(tǒng)總體架構(gòu)圖

2 基于Ether CAT的DSP通信實現(xiàn)

DSP系統(tǒng)與ET1100系統(tǒng)進行連接，用于實現(xiàn)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(tǒng)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(tǒng)提供串行時鐘，該時鐘決定整個網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)發(fā)送和接受的傳輸速率，發(fā)送時，將數(shù)據(jù)從高位到低位依次發(fā)送出來，并且，SPISTE引腳是SPI設備的使能引腳，當主設備DSP要發(fā)送數(shù)據(jù)到ET1100時，要將該信號置低，從而使從設備 ET1100使能，然后將數(shù)據(jù)從高位到低位依次發(fā)送出來，發(fā)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(fā)出的SPICLK信號的邊緣時，如果要發(fā)送數(shù)據(jù)，則將數(shù)據(jù)寫入移位寄存器，按照接收到的SPICLK時鐘頻率移位發(fā)送出去，如果要接受數(shù)據(jù)，則等待 SPICLK信號，并按照相同的時鐘將數(shù)據(jù)發(fā)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(tài)，從而使該設備處于非使能狀態(tài)。

在本系統(tǒng)中的Ether CAT數(shù)據(jù)總線上進行數(shù)據(jù)的傳輸時，定義了自己的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，該數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)主要包含主站控制量和從站狀態(tài)的反饋，用于在主站和從站之間進行數(shù)據(jù)的傳輸。如表1所示：

表1 系統(tǒng)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)通信數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)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(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)如表2所示：

表2 數(shù)據(jù)模塊結(jié)構(gòu)

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。

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(tài)，一般來說，編碼器是直接輸入到伺服驅(qū)動器的編碼器輸入端子中的，而伺服驅(qū)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(xiàn)了很多的毛刺，直接輸入時，可能對DSP系統(tǒng)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(zhuǎn)化成單路的信號的形式。從而使DSP系統(tǒng)得到電機的運轉(zhuǎn)狀態(tài)。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(xiàn)。

2)數(shù)字量輸入輸出接口。從系統(tǒng)的可擴展性等各個方面考慮，該系統(tǒng)在DSP系統(tǒng)上設計八路的數(shù)字量輸入輸出。對數(shù)字量輸入輸出進行光電隔離處理，并進行了數(shù)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(tǒng)的擴展性。

3)控制信號的輸出。控制信號主要用來對驅(qū)動器進行控制，從而控制控制電機的轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)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(zhuǎn)速，而方向則利用一個IO口實現(xiàn)，輸出為高電平時，控制電機正轉(zhuǎn)，當輸出為低電平時，控制電機反轉(zhuǎn)。而且，對該信號經(jīng)過光電隔離和施密特觸發(fā)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(gòu)成的，DSP主程序啟動，首先完成一些初始化工作，對系統(tǒng)的主要參數(shù)進行一定的配置，然后，進入等待狀態(tài)，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(tài)數(shù)據(jù)反饋到Ether CAT總線中，系統(tǒng)的主程序和中斷程序如圖3所示。

圖3 DSP系統(tǒng)主程序和中斷程序流程圖