解析基于EtherCAT的伺服系統(tǒng)DSP實(shí)現(xiàn)

引言

隨著當(dāng)前工業(yè)生產(chǎn)規(guī)模向著大型化方向發(fā)展，生產(chǎn)設(shè)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(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)在一些數(shù)控系統(tǒng)中得到了很廣泛的應(yīng)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(diǎn)，對(duì)推動(dòng)機(jī)電一體化設(shè)備的快速發(fā)展起到了很大的作用。隨著網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的不斷發(fā)展，目前，在一定程度上，網(wǎng)絡(luò)伺服系統(tǒng)成為當(dāng)前伺服系統(tǒng)發(fā)展的主要方向之一。在此情況下，德國(guó)BECKHOFF公司推出了Ether CAT現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)，它具有配置簡(jiǎn)單，數(shù)據(jù)傳輸高速、高效等種種優(yōu)點(diǎn)。而且，在網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)上，幾乎支持所有的拓?fù)漕愋?，包括線型、樹型、星型等，每個(gè)系統(tǒng)可以配置多達(dá)65535臺(tái)設(shè)備，這種總線類型對(duì)于大規(guī)模的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)具有很好的優(yōu)勢(shì)。特別是對(duì)于伺服系統(tǒng)的控制，更具有不可替代的優(yōu)點(diǎn)。

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(jī)，配置標(biāo)準(zhǔn)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(jìn)行相應(yīng)的分析?？梢哉f，整個(gè)以太網(wǎng)現(xiàn)場(chǎng)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(shè)計(jì)是非常重要的。因此，本文對(duì)于基于Ether CAT總線中的從站伺服控制系統(tǒng)DSP設(shè)計(jì)，進(jìn)行了一定的研究，利用DSP實(shí)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(duì)于該DSP系統(tǒng)，要解決的關(guān)鍵問題主要包含兩個(gè)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(shí)現(xiàn)，另一個(gè)方面是DSP的 PEM脈沖控制接口與伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器之間的連接，并且，為保證控制的精度，要對(duì)電機(jī)編碼器的反饋信號(hào)的連接進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)計(jì)。

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(shí)現(xiàn)

DSP系統(tǒng)與ET1100系統(tǒng)進(jìn)行連接，用于實(shí)現(xiàn)DSP與Ether CAT總線之間的通信。SPI通信的特點(diǎn)是使用主從通信模式，使用該通信方式連接的兩個(gè)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(shè)備實(shí)際需要考慮，ET1100作為從設(shè)備，而利用DSP芯片作為該接口的主設(shè)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(hào)為整個(gè)從站系統(tǒng)提供串行時(shí)鐘，該時(shí)鐘決定整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)發(fā)送和接受的傳輸速率，發(fā)送時(shí)，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(shè)備的使能引腳，當(dāng)主設(shè)備DSP要發(fā)送數(shù)據(jù)到ET1100時(shí)，要將該信號(hào)置低，從而使從設(shè)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(shè)備ET1100則處于從工作模式，當(dāng)它接收到主控制器發(fā)出的SPICLK信號(hào)的邊緣時(shí)，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(shí)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(hào)，并按照相同的時(shí)鐘將數(shù)據(jù)發(fā)送出去，當(dāng)使能信號(hào)SPISTE信號(hào)為高時(shí)，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(shè)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(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸時(shí)，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(jìn)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(bào)文頭部分，然后是每個(gè)Ether CAT從站上的DSP運(yùn)動(dòng)控制指令數(shù)據(jù)和狀態(tài)數(shù)據(jù)。其中每個(gè)數(shù)據(jù)部分由十個(gè)字節(jié)構(gòu)成，包含兩個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)模塊頭部分，兩個(gè)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(gè)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(gè)數(shù)據(jù)模塊頭占用兩個(gè)字節(jié)的空間，數(shù)據(jù)模塊頭中的內(nèi)容包括運(yùn)動(dòng)控制卡的地址(4個(gè)位)，工作方式(3位)，握手位(1位)三個(gè)方面的信息。

3 基于DSP的伺服控制

利用DSP進(jìn)行從站的伺服控制，主要從以下幾個(gè)方面進(jìn)行：

3.1硬件電路的設(shè)計(jì)

1)編碼器反饋信號(hào)的處理。編碼器作為反饋信號(hào)用來反饋電機(jī)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，一般來說，編碼器是直接輸入到伺服驅(qū)動(dòng)器的編碼器輸入端子中的，而伺服驅(qū)動(dòng)器提供三對(duì)差分信號(hào)反饋到控制端。這三對(duì)差分信號(hào)因?yàn)楦蓴_問題，出現(xiàn)了很多的毛刺，直接輸入時(shí)，可能對(duì)DSP系統(tǒng)造成很多的干擾，因此，在此利用三個(gè)差分電路將這三對(duì)差分信號(hào)轉(zhuǎn)化成單路的信號(hào)的形式。從而使DSP系統(tǒng)得到電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)。其中A與B是兩路的正交編碼脈沖，而Z信號(hào)作為電機(jī)回零位時(shí)的精確定位，用一個(gè)低電平脈沖實(shí)現(xiàn)。

2)數(shù)字量輸入輸出接口。從系統(tǒng)的可擴(kuò)展性等各個(gè)方面考慮，該系統(tǒng)在DSP系統(tǒng)上設(shè)計(jì)八路的數(shù)字量輸入輸出。對(duì)數(shù)字量輸入輸出進(jìn)行光電隔離處理，并進(jìn)行了數(shù)字濾波處理。該信號(hào)主要用于零點(diǎn)信號(hào)輸入、限位信號(hào)輸入、軸方向和脈沖信號(hào)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(kuò)展性。

3)控制信號(hào)的輸出?？刂菩盘?hào)主要用來對(duì)驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行控制，從而控制控制電機(jī)的轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)速。電機(jī)的控制信號(hào)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(jī)的轉(zhuǎn)速，而方向則利用一個(gè)IO口實(shí)現(xiàn)，輸出為高電平時(shí)，控制電機(jī)正轉(zhuǎn)，當(dāng)輸出為低電平時(shí)，控制電機(jī)反轉(zhuǎn)。而且，對(duì)該信號(hào)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(shè)計(jì)

DSP程序主要是由一個(gè)定時(shí)器構(gòu)成的，DSP主程序啟動(dòng)，首先完成一些初始化工作，對(duì)系統(tǒng)的主要參數(shù)進(jìn)行一定的配置，然后，進(jìn)入等待狀態(tài)，等待Ether CAT總線上的指令。當(dāng)接收到控制指令時(shí)，進(jìn)入中斷控制程序，在中斷程序中完成運(yùn)動(dòng)控制功能，并將電機(jī)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