EtherCAT 伺服驅動(dòng)器

EtherCAT ? 是 Beckhoff 開(kāi)發(fā)的一種基于以太網(wǎng)的高性能確定性網(wǎng)絡(luò )協(xié)議。經(jīng)行業(yè)證明，它可以通過(guò)標準 100 base-T 硬件提供高速、確定性控制，并在要求苛刻的應用中實(shí)現超快、一致的結果。EtherCAT 是一種開(kāi)放技術(shù)，這意味著(zhù)每個(gè)人都可以使用、實(shí)施并受益于該技術(shù)。因此，EtherCAT 伺服驅動(dòng)器已成為運動(dòng)控制行業(yè)的重要組成部分。

EtherCAT 可用于我們所有的 FlexPro? 系列和我們的許多 DigiFlex ? Performance? （DP 系列）數字伺服驅動(dòng)器，它們在扭矩、速度和位置模式下運行，并提供對所有伺服回路的全面調諧控制，以實(shí)現最高您的應用程序的性能。

支持 PCB 安裝的 EtherCAT 伺服驅動(dòng)器還利用 ADVANCED Motion Controls 獨特的專(zhuān)有高速多軸通信接口和 I/O 擴展功能（“DxM”? 和“DxI/O”? 技術(shù)）?，F在，單個(gè) EtherCAT ? 節點(diǎn)可以容納多達 4 個(gè)運動(dòng)軸的組合，每個(gè)軸具有 32 個(gè)數字輸入、32 個(gè)數字輸出、4 個(gè)模擬輸入和 2 個(gè)模擬輸出。結果是用于單軸或多軸應用的高度集成的高價(jià)值運動(dòng)控制解決方案。

ADVANCED Motion Controls 的插件模塊 EtherCAT 伺服驅動(dòng)器在 Design News 的年度金捕鼠器獎中被評為獲獎?wù)?，以表彰我們在產(chǎn)品設計中的工程創(chuàng )新和創(chuàng )造力！ ADVANCED Motion Controls 最新的伺服驅動(dòng)器系列 FlexPro?是第一個(gè)從一開(kāi)始就考慮到 EtherCAT ? 的伺服驅動(dòng)器系列。

EtherCAT 的基本原理是透讀。與其他主節點(diǎn)單獨輪詢(xún)每個(gè)節點(diǎn)的協(xié)議不同，EtherCAT 向一個(gè)節點(diǎn)發(fā)送一條消息，然后將該消息傳遞到下一個(gè)節點(diǎn)和后續節點(diǎn)，直到網(wǎng)絡(luò )中的所有節點(diǎn)都接收到該消息。這是有效的，因為消息包含網(wǎng)絡(luò )中所有節點(diǎn)的信息和指令。每個(gè)節點(diǎn)只讀取和響應自己的數據，每個(gè)節點(diǎn)還可以通過(guò)在消息通過(guò)時(shí)將數據插入到消息中，將信息發(fā)送回 Master。例如，它可以在消息中添加位置、速度和狀態(tài)信息。一旦消息通過(guò)所有節點(diǎn)并返回給主節點(diǎn)，主節點(diǎn)就會(huì )讀取添加的數據。

當消息返回 EtherCAT 主站時(shí)，網(wǎng)絡(luò )中的每個(gè)節點(diǎn)都從主站接收到新的輸入數據，并將新的輸出數據返回給主站?？梢詫?EtherCAT 網(wǎng)絡(luò )比作鐵路，其中每個(gè)車(chē)站都可以在火車(chē)保持行駛狀態(tài)時(shí)卸載和重新裝載火車(chē)車(chē)廂。在沒(méi)有針對特定節點(diǎn)的小負載或消息的不足的情況下，EtherCAT 伺服驅動(dòng)網(wǎng)絡(luò )可以實(shí)現最大的帶寬利用率。

所有 EtherCAT 數據包均由主站使用全雙工傳輸生成和發(fā)送。網(wǎng)絡(luò )上的所有 EtherCAT 電機控制器都可以在 EtherCAT 數據包經(jīng)過(guò)時(shí)從 EtherCAT 數據包讀取數據并將數據寫(xiě)入數據，每個(gè)從設備（與數據包的大小無(wú)關(guān)）只有很短的恒定延遲（通常小于 500 ns）。通常，僅使用一個(gè)數據包即可容納大量從設備，從而優(yōu)化帶寬使用并降低中斷率。一項研究表明，在具有 50 臺設備和每臺設備 100 字節有效負載的千兆網(wǎng)絡(luò )上，最小循環(huán)時(shí)間為 50 微秒。即使在這個(gè)節點(diǎn)數和有效負載遠高于典型伺服系統的示例中，循環(huán)時(shí)間仍然比伺服驅動(dòng)器的位置環(huán)和電流環(huán)更新速率更快。

EtherCAT 足夠快，可以通過(guò)分布式或集中式控制運行

分布式控制

通過(guò)分布式運動(dòng)控制，伺服驅動(dòng)器以速度模式或位置模式（與扭矩模式相反）運行。這允許主控制器專(zhuān)注于外部控制回路，讓伺服驅動(dòng)器擔心內部回路。結果是控制器命令和控制運動(dòng)所需的計算開(kāi)銷(xiāo)更少，因為伺服驅動(dòng)器通過(guò)關(guān)閉速度環(huán)和/或位置環(huán)來(lái)分擔一些責任。此外，伺服驅動(dòng)器和控制器之間的網(wǎng)絡(luò )流量也減少了，因為需要發(fā)送的命令更少。

如果驅動(dòng)器在 PVT 模式下運行，則可以進(jìn)一步減少網(wǎng)絡(luò )流量。在這種模式下，驅動(dòng)器會(huì )收到一系列位置、速度和時(shí)間值。每個(gè) PVT 點(diǎn)定義在給定時(shí)間，電機將處于指定位置并以指定速度移動(dòng)。PVT 點(diǎn)的“T”元素可以間隔超過(guò) 10 毫秒，從而大大減少網(wǎng)絡(luò )流量。然后驅動(dòng)器在點(diǎn)之間進(jìn)行插值?？梢詫⒍鄠€(gè) PVT 點(diǎn)發(fā)送到伺服驅動(dòng)器并存儲在緩沖區中，以便在適當的時(shí)間使用。使用 PVT，驅動(dòng)器處理所有運動(dòng)控制任務(wù)，而控制器只定義運動(dòng)路徑。CANopen 等較慢的網(wǎng)絡(luò )可以極大地受益于 PVT 控制。使用 EtherCAT，

在集中控制中，控制器向電機驅動(dòng)器發(fā)送扭矩命令并關(guān)閉所有回路。在計算要求和網(wǎng)絡(luò )流量方面，集中控制的開(kāi)銷(xiāo)比分布式控制要高得多。幸運的是，EtherCAT 的速度足夠快，可以使用集中控制方案進(jìn)行操作。那么回報是什么？為什么要集中控制運行？在高性能應用中，系統設計人員可能希望使用專(zhuān)門(mén)的控制算法、過(guò)濾器、前饋，或者希望比插補移動(dòng)更緊密地遵循運動(dòng)路徑。集中控制使系統設計人員可以完全控制系統中的運動(dòng)控制。

在運動(dòng)控制中的高速網(wǎng)絡(luò )之前，來(lái)自電機和其他設備的反饋和信號線(xiàn)必須一路回到控制器。如果您查看傳統的集中式多軸控制器，您不會(huì )驚訝地發(fā)現所有信號線(xiàn)都有 50 到 100 個(gè)端子。在傳統系統中，每個(gè)伺服軸至少需要 11 根電線(xiàn)才能返回到控制器：

帶差分信號的編碼器 – A、B、I、電源 = 8 線(xiàn)

命令信號 = 2 線(xiàn)

禁止線(xiàn) = 1 線(xiàn)

例如：具有 3 軸運動(dòng)控制的機械臂很容易成為布線(xiàn)和可靠性的噩夢(mèng)。使用嵌入在每個(gè)關(guān)節中的集成伺服電機和驅動(dòng)器，您必須將至少 33 根電線(xiàn)從手臂向下饋入控制器。當線(xiàn)束到達肩關(guān)節時(shí)，它將最大并且擁有最多的電線(xiàn)。整個(gè)捆綁仍然需要可靠并承受手臂的所有彎曲和扭曲。在一個(gè)真正的機械臂中，考慮到制動(dòng)繼電器、傳感器、伺服驅動(dòng)電源和其他組件，這個(gè)數字實(shí)際上更接近 50-75。每增加一根電線(xiàn)都會(huì )降低可靠性并使安裝更加困難。

幸運的是，對于 EtherCAT 等高速網(wǎng)絡(luò )，這不再是問(wèn)題。如果需要，可以將 EtherCAT 信號加上邏輯電源的信號線(xiàn)數量減少到 6 根。通過(guò)位于每個(gè)臂關(guān)節處的集成伺服電機和伺服驅動(dòng)器，EtherCAT 伺服驅動(dòng)器可以充當所有外圍設備和控制器之間的接口。這些設備甚至不需要與 EtherCAT 兼容，只要它們與伺服驅動(dòng)器兼容即可。伺服驅動(dòng)器看到的任何信號都可以被解釋并發(fā)送到控制器。包括電機位置、速度、電機電流和 I/O 狀態(tài)。通過(guò)使用伺服驅動(dòng)器上的模擬輸入，甚至模擬傳感器也可以用作網(wǎng)絡(luò ) I/O。驅動(dòng)器的 A/D 轉換器可以將模擬信號轉換為數字信號，然后通過(guò) EtherCAT 將值發(fā)送到控制器。

• 基于 100baseT 的標準以太網(wǎng)

• 實(shí)時(shí)到 I/O 級別

• 可能的多種拓撲結構 - 線(xiàn)型、星型、樹(shù)型、菊花鏈、分支線(xiàn) - 可以任意組合使用

• 不需要特殊的以太網(wǎng)硬件 - 可以使用標準網(wǎng)絡(luò )接口卡 (NIC)

• CANopen over EtherCAT (CoE) 允許通過(guò) EtherCAT 使用 CANopen 協(xié)議和功能集

• Ethernet over EtherCAT (EoE) 允許在同一物理網(wǎng)絡(luò )上使用其他基于以太網(wǎng)的服務(wù)和協(xié)議

• 2x100 Mbit/sec 最大速度

• 10 kHz 更新率

• < 1 毫秒抖動(dòng)

由于其快速的循環(huán)速率，EtherCAT 可用于實(shí)時(shí)運動(dòng)控制系統中的集中式和分布式控制方案。EtherCAT 的速度足夠快，不僅可以進(jìn)行運動(dòng)控制，還可以傳輸來(lái)自外圍設備的數據。通過(guò) EtherCAT 傳輸所有數據需求可以顯著(zhù)減少易受故障影響的電線(xiàn)數量，從而提高可靠性。EtherCAT 是一種所有人都可以使用的開(kāi)放技術(shù)。