解析基于EtherCAT的伺服系統DSP實(shí)現

引言

隨著(zhù)當前工業(yè)生產(chǎn)規模向著(zhù)大型化方向發(fā)展，生產(chǎn)設備也向著(zhù)系統化、規?；姆较虬l(fā)展，在這種情況下，基于工業(yè)以太網(wǎng)的運動(dòng)控制系統在一些數控系統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，通信數據量大等種種優(yōu)點(diǎn)，對推動(dòng)機電一體化設備的快速發(fā)展起到了很大的作用。隨著(zhù)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 )伺服系統成為當前伺服系統發(fā)展的主要方向之一。在此情況下，德國B(niǎo)ECKHOFF公司推出了Ether CAT現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)，它具有配置簡(jiǎn)單，數據傳輸高速、高效等種種優(yōu)點(diǎn)。而且，在網(wǎng)絡(luò )結構上，幾乎支持所有的拓撲類(lèi)型，包括線(xiàn)型、樹(shù)型、星型等，每個(gè)系統可以配置多達65535臺設備，這種總線(xiàn)類(lèi)型對于大規模的運動(dòng)控制系統的設計具有很好的優(yōu)勢。特別是對于伺服系統的控制，更具有不可替代的優(yōu)點(diǎn)。

Ether CAT總線(xiàn)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(wǎng)卡，從站采用專(zhuān)用芯片從主站中讀取數據，并進(jìn)行相應的分析?？梢哉f(shuō)，整個(gè)以太網(wǎng)現場(chǎng)總線(xiàn)的協(xié)議處理過(guò)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(xiàn)中的從站伺服控制系統DSP設計，進(jìn)行了一定的研究，利用DSP實(shí)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(xiàn)式系統的結構原理，在本系統中，主站采用具有DMA功能的網(wǎng)卡作為Ether CAT總線(xiàn)接口，而從站DSP系統選用瑞泰公司的刑S320F28335 DSP開(kāi)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。系統的總體架構如圖1所示。

對于該DSP系統，要解決的關(guān)鍵問(wèn)題主要包含兩個(gè)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(shí)現，另一個(gè)方面是DSP的 PEM脈沖控制接口與伺服電機驅動(dòng)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(jìn)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(shí)現

DSP系統與ET1100系統進(jìn)行連接，用于實(shí)現DSP與Ether CAT總線(xiàn)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，在本系統中，從設備實(shí)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(guò)SPICLK信號為整個(gè)從站系統提供串行時(shí)鐘，該時(shí)鐘決定整個(gè)網(wǎng)絡(luò )的數據發(fā)送和接受的傳輸速率，發(fā)送時(shí)，將數據從高位到低位依次發(fā)送出來(lái)，并且，SPISTE引腳是SPI設備的使能引腳，當主設備DSP要發(fā)送數據到ET1100時(shí)，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(fā)送出來(lái)，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(shí)，如果要發(fā)送數據，則將數據寫(xiě)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，如果要接受數據，則等待 SPICLK信號，并按照相同的時(shí)鐘將數據發(fā)送出去，當使能信號SPISTE信號為高時(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)，從而使該設備處于非使能狀態(tài)。

在本系統中的Ether CAT數據總線(xiàn)上進(jìn)行數據的傳輸時(shí)，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(tài)的反饋，用于在主站和從站之間進(jìn)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(gè)Ether CAT從站上的DSP運動(dòng)控制指令數據和狀態(tài)數據。其中每個(gè)數據部分由十個(gè)字節構成，包含兩個(gè)字節的數據模塊頭部分，兩個(gè)字節的控制字/狀態(tài)字部分，用來(lái)區分該部分是狀態(tài)數據還是指令數據，最后是六個(gè)字節的指令數據區或狀態(tài)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(gè)數據模塊頭占用兩個(gè)字節的空間，數據模塊頭中的內容包括運動(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硬件電路的設計

1)編碼器反饋信號的處理。編碼器作為反饋信號用來(lái)反饋電機的運動(dòng)狀態(tài)，一般來(lái)說(shuō)，編碼器是直接輸入到伺服驅動(dòng)器的編碼器輸入端子中的，而伺服驅動(dòng)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(wèn)題，出現了很多的毛刺，直接輸入時(shí)，可能對DSP系統造成很多的干擾，因此，在此利用三個(gè)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(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(shí)的精確定位，用一個(gè)低電平脈沖實(shí)現。

2)數字量輸入輸出接口。從系統的可擴展性等各個(gè)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(jìn)行光電隔離處理，并進(jìn)行了數字濾波處理。該信號主要用于零點(diǎn)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(hù)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?lái)對驅動(dòng)器進(jìn)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(lái)控制電機的轉速，而方向則利用一個(gè)IO口實(shí)現，輸出為高電平時(shí)，控制電機正轉，當輸出為低電平時(shí)，控制電機反轉。而且，對該信號經(jīng)過(guò)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(gè)定時(shí)器構成的，DSP主程序啟動(dòng)，首先完成一些初始化工作，對系統的主要參數進(jìn)行一定的配置，然后，進(jìn)入等待狀態(tài)，等待Ether CAT總線(xiàn)上的指令。當接收到控制指令時(shí)，進(jìn)入中斷控制程序，在中斷程序中完成運動(dòng)控制功能，并將電機的狀態(tài)數據反饋到Ether CAT總線(xiàn)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