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EtherCAT_2009_09_CN_MotionController

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EtherCAT_2009_09_CN_MotionController · !""## · 基于 !"#$%&’(的多轴运动控制器研究 刘艳强! 王 健" 单春荣! (!北京航空航天大学机械工程及自动化学院,北京 !"""$%; "北京和利时电机技术有限公司,北京 !"""$&) 摘 要:研究了 !"#$%&’(技术的原理、技术特点、性能以及 !"#$%&’( 主站和从站的实现方法。并在此基 础上实现了一种基于 !"#$%&’(的多轴运动控制器,用于数控设备和工业机器人的控制。 关键词:实时工业以太网 现场总线 !"#$%&’( 多轴运动控制器 !"#$% &’ "() *...

EtherCAT_2009_09_CN_MotionController
· !""## · 基于 !"#$%&’(的多轴运动控制器研究 刘艳强! 王 健" 单春荣! (!北京航空航天大学机械 工程 路基工程安全技术交底工程项目施工成本控制工程量增项单年度零星工程技术标正投影法基本原理 及自动化学院,北京 !"""$%; "北京和利时电机技术有限公司,北京 !"""$&) 摘 要:研究了 !"#$%&’(技术的原理、技术特点、性能以及 !"#$%&’( 主站和从站的实现方法。并在此基 础上实现了一种基于 !"#$%&’(的多轴运动控制器,用于数控设备和工业机器人的控制。 关键词:实时工业以太网 现场总线 !"#$%&’( 多轴运动控制器 !"#$% &’ "() *#+", ’ -.,/ *&",&’ 0&’"1&++)1 2-/)$ &’ 3"()1045 ()* +,-./,-0!,1234 5/,-",6723 89:-;<-0! (!6=9<<> B-0/-AA;/-0 ,-C 2:D>IHIH B>A=D;/= KA=9-<><0I 8 2:D<0I)技术(也称为以太网现 场总线)是德国 FB8M7NOO公司提出的实时工业以太 网技术,它基于 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 的以太网技术,具备灵活的网络拓 扑结构。系统配置简单,具有高速、高有效数据率等特 点,其有效数据率可达 P"Q以上,全双工特性完全得 以利用。本文 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 和实现了基于 BD9A;82K 的伺服控 制器从站,每个从站可以最多控制 $ 个伺服轴。 ) !"#$%&’(技术介绍 )* ) !"#$%&’(系统组成和工作原理 BD9A;82K采用主从式结构,主站 R8 机采用标准 的 !""F,HA ’ KS以太网卡,从站采用专用芯片。系统 控制周期由主站发起,主站发出下行电报,电报的最大 有效数据长度为 ! TP$ 字节。数据帧遍历所有从站设 备,每个设备在数据帧经过时 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 寻址到本机的报文, 根据报文头中的命令读入数据或写入数据到报文中指 定位置,并且从站硬件把该报文的工作计数器(1M8) 加 !,表示该数据被处理。整个过程大约有 !" -H的时 间延迟。数据帧在访问位于整个系统逻辑位置的最后 一个从站后,该从站把经过处理的数据帧做为上行电 报直接发送给主站。主站收到此上行电报后,处理返 回数据,一次通信结束。系统结构原理如图 ! 所示。 BD9A;82K支持几乎所有的拓扑类型,包括线型、 树型、星型等,其在物理层可使用 !""F26B ’ KS 双绞 线、!""F26B ’ OS光纤或者 (UV6((D,0A V/??A;X A-D/,> 6/0-,>/-0,即低压差分信号传输),还可以通过交 换机或介质转换器实现不同以太网布线的结合。快速 以太网的物理层(!""F,HA ’ KS)允许两个设备之间的 最大电缆长度为 !"" E,而 (UV6 的物理层只能保障 !" E的传输间距,适合于近距离站点的连接。整个网 络最多可以连接 Y& &%& 台设备。 借助于从站中的 BD9A;82K 专用芯片和主站中读 取网卡数据的 V@2 技术,整个 协议 离婚协议模板下载合伙人协议 下载渠道分销协议免费下载敬业协议下载授课协议下载 处理过程都在硬 件中进行。BD9A;82K系统可以在 %" #H 内刷新 ! """ 个 ) Z N点,可以在 %"" #H内交换一帧多达 ! T$Y 个字 节的协议数据,这几乎相当于 ![ """ 个数字量输入 Z 输出。控制 !"" 个输入 Z输出数据均为 $ 字节的伺服 轴只需用 !"" #H。BD9A;82K 的高性能使它还可以处 理分布式驱动器的电流(转矩)控制。 )* + !"#$%&’(数据帧结构 BD9A;82K以标准以太网技术为基础,在 @28(媒 体访问层)增加了一个确定性调度的软件层,实现了 通信周期内的数据帧的传输。BD9A;82K 采用标准的 · !"!## · $%%%&"’( ) 以太网帧,帧结构如图 ’,各部分含义见表 !。 表 ! 帧结构含义 名称 含义 目的地址 接收方 *+,地址 源地址 发送方 *+,地址 以太类型 "-&&+. %/012,+3头:长度 数据区长度,即子报文长度加和 %/012,+3头:类型 !,代表与从站通信,其余保留 ,4, 循环冗余校验和 表 " 子报文结构含义 名称 含义 命令 寻址方式及读写方式 索引号 帧编码代号 子报文地址 从站地址 长度 报文数据区长度 * 此报文后是否还有报文 状态位 中断到来标志 数据区 子报文数据结构,用户定义 56, 57289:; ,7<:/,工作计数器,报文寻址次数 %/012,+3没有重新定义新的以太网帧结构,而是 在标准以太网帧结构中使用了一个特殊的以太网帧类 型 "-&&+.。采用这种方式可以使控制数据直接写入 以太网帧内,并且可以与遵守其它协议的以太网帧在 同一网络中并行。一个 %/012,+3 帧中可以包含若干 个 %/012,+3 子报文,报文结构如图 ),各部分含义见 表 ’。每个报文都服务于一块逻辑过程映像区的特定 内存区域,由 =**>(=91?@AF :9/,负责逻辑地址与物理地址的映射)寄存器和 G* (GD:H *E:E;12,负责对通信数据内存的读写)寄存器 定义,该区域最大可达 .IJ字节。%/012,+3报文由一 个 !K 位的56,结束,其数据区最大长度可达 !.&K 个 字节。在报文头中由 & 位命令区数据决定主站对从站 的寻址方式,由于数据链独立于物理顺序,因此可以对 %/012,+3从站进行任意地编址。 " #$%&’()*技术的实现 "+ ! #$%&’()*主站的实现 %/012,+3技术在主站方面只需在一块标准的 L$, 网卡,主站功能完全由软件实现。%/012,+3 可以用一 个以太网帧发送 ! .&K 字节的有效数据,所以在通常 情况下,每个通信周期只需要一个或两个帧就能完成 所有结点的全部通信。%/012,+3 主站程序应该包含 以下几个方面: (!)读取 M*N 配置文件,根据配置文件信息构造 主站与从站设备; (’)管理 %/012,+3从站,发送配置文件中定义的 初始化帧,初始化从站,为通信做准备; ())使用邮箱操作实现非周期性数据传输,配置 系统参数,处理通信过程中某些偶然性事件; (.)实现过程数据通信,完成主站与从站之间的 实时数据交换,达到主站控制从站运行,并处理从站实 时状态的功能。 主站代码结构图如图 .。应用程序开发环境是 O, P PK( ",通信周期由多媒体定时器控制,其控制精 度可达到 ! CB,可根据控制需要设定通信周期,实现 控制要求。 "+ " #$%&’()*从站的实现 可以利用 J%,6QR== 公司开发的从站控制器 %G,(%/012,+3 G?ES1 ,7:/27??12)根据实际需要设计从 · !"#$$ · 站设备。从站硬件原理如图 % 所示。 从站控制器与主站交换的数据有两种:一种是周 期性数据,另一种是非周期性数据。周期性数据传输 可以采用缓冲区方式,任何一方在任何时间都可以访 问此方式定义的内存,得到最新数据;非周期性数据传 输采用握手方式(邮箱方式)实现,一方写入数据到定 义的内存,只有完成定义内存的最后一个字节的写入, 另一方才能开始从定义内存中读出数据,而且只有在 读出定义内存的最后一个字节数据后,才能重新写入 数据。 ! "#$%&’()运动控制器设计 !* + 系统概述 本文设计和实现了基于 &’()*+,- 的多轴运动控 制器,如图 . 所示。图中,一个 &’()*+,- 主站通过 &’()*+,-可以连接若干从站运动控制器单元,一个运 动控制器单元由从站控制底板、通信卡和 ! / 0 块运动 控制卡组成,每个运动控制卡控制一个伺服轴。从站 运动控制单元实物如图 1 所示。 从站控制底板采用 ,’2)34!#0 芯片作为处理器; 通信卡使用 5&+67899公司提供的 &:+#" 控制器;运 动控制卡为一种多功能的位置控制卡,可以完成位置 控制和速度控制。 !; , 数据通信 本系统在应用层自定义了数据模块结构。数据模 块分为两种,一种是指令数据模块,由主站写给从站, 控制伺服运动,另一种是状态数据模块,主站从从站读 取,表示伺服轴状态反馈。一个运动控制卡使用一个 指令数据模块和一个状态数据模块,每个 &’()*+,-子 报文由从站上的所有运动控制卡的数据模块组成,如 图 0 所示。 每个数据模块包含 !" 个字节,指令数据模块分别 定义为数据模块头、控制字和指令数据区,状态数据模 块分别定义为数据模块头、状态字和状态数据区。 数据模块头使用 # 个字节,包括 < 位的运动控制 卡地址和 = 位工作方式。从站上的每个运动控制卡分 配不同的地址,从站根据数据模块头中的地址信息寻 址相应的运动控制卡,并根据工作方式控制运动控制 卡的工作。从站运动控制卡可以工作在位置控制、速 度控制、回参考点以及读编码器计数值等方式下。握 手位用于工作方式切换时主站和从站之间的握手。 指令数据模块中,指令控制字使用 # 个字节,包括 伺服使能控制、复位控制等伺服控制信息;指令数据使 用 . 个字节,对应不同控制方式下的指令值,如位置指 · !"#$$ · 令数据、速度指令数据等。状态数据模块中,状态字使 用 % 个字节,包括伺服使能状态及报警信息等反馈信 息;状态数据使用 & 个字节,对应于不同控制方式下的 反馈值,例如位置控制下的实际位置值和当前跟随误 差,速度控制方式下的实际速度值等。 主站和从站之间进行周期性的通信来完成伺服控 制,其通信时序如图 ’ 所示。数据帧传输完成后,从站 在 !!时刻前从通信控制卡读取指令数据,并经过运算 后输出到运动控制卡;在 !%时刻之前读取运动控制卡 实际状态,并写入通信控制卡,等待下个数据帧读取。 !" ! 运动控制器固件程序设计 运动控制器固件程序实现 ()*+,-./ 协议的通信 和设备卡的控制。系统运行分为以下两个阶段。 (!)初始化阶段:建立主从站通信,包括主站分配 (0-从站通信地址,初始化 (0- 相关寄存器,设置通 信参数,为通信做准备,从站单片机从 ((1234 读入 从站配置数据,配置伺服轴数、设置各伺服轴的状态 (是否参加通信)、通信周期等。从站在初始化阶段还 要设置通信类型、初始状态的工作方式及各通信参数 变量等。 (%)周期运行阶段:上位机 1- 按照协议及控制要 求把控制字和指令数据发送到各个从站,从站单片机 读出数据并译码处理,同时采集各伺服轴的状态反馈 信息并填写状态数据包。1-机收到返回的数据帧,读 取状态数据报文中的信息并做相应的处理。见图 !"。 当从站单片机完成初始配置工作后,开始进入工 作循环,等侍 ()*+,-./数据帧的到来。当数据帧到达 (0-%" 控制器时,(0-%" 接收数据帧,向控制芯片发出 中断,.)5+67!%8 单片机响应中断读出指令数据,处理 后发送给运动控制卡,并检测是否有状态请求事件发 生。如果状态请求模块数据到来,程序读取当前伺服 状态数据,写入状态数据模块,返回给主站,一次通信 结束。 " 结语 本文设计了一种基于实时工业以太网协议 ()*+,9 -./的多轴运动控制器。每个运动控制器单元最多 可以控制 8 个伺服轴,每个伺服轴可以进行位置、速 度、回参考点等控制。通过这种多轴运动控制器可以 在数控设备和工业机器人控制系统中利用 ()*+,-./ 技术,提高控制性能。 参 考 文 献 ! 杜品圣:工业以太网技术的介绍和比较: 仪器仪表标准化与计量, %"";(;):!& < !’ % 徐彤:以太网在实时控制领域中的应用: 火控雷达技术,%""#(’): %’ < ## # 陈曦,刘俊峰,付少波:工业以太网传输延时特性分析: 计算机与信 息技术,%""=(>):&% < && 第一作者:刘艳强,男,!’8" 年生,博士后,研究方 向为数字伺服和现场总线技术。 (编辑 徐洁兰)$ (收稿日期:%""= ? !! ? %!)$ $ 文章编号:8&%’ 如果您想发表对本文的看法,请将文章编号填入读者意见调查表中的相应位置。
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分类:生产制造
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