EtherCAT系統(tǒng)簡介
EtherCAT(以太網(wǎng)控制自動(dòng)化技術(shù))是一個(gè)以以太網(wǎng)為基礎(chǔ)的開放架構(gòu)的現(xiàn)場總線系統(tǒng)，EtherCAT名稱中的CAT為Control Automation Technology(控制自動(dòng)化技術(shù))首字母的縮寫。最初由德國倍福自動(dòng)化有限公司(Beckhoff Automation GmbH)研發(fā)。EtherCAT為系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性能和拓?fù)涞撵`活性樹立了新的標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)，它還符合甚至降低了現(xiàn)場總線的使用成本。
Ethercat主張'以太網(wǎng)控制自動(dòng)化技術(shù)'。它是一個(gè)開放源代碼，高性能的系統(tǒng)，目的是利用以太網(wǎng)協(xié)議，在工業(yè)環(huán)境，控制機(jī)器人和其他裝備線上的技術(shù)。
EtherCAT的特點(diǎn)還包括高精度設(shè)備同步，可選線纜冗余，和功能性安全協(xié)議(SIL3)。EtherCAT在網(wǎng)絡(luò)性能上達(dá)到了一個(gè)新的高度。1000個(gè)分布式I/O數(shù)據(jù)的刷新周期僅為30μs，其中包括端子循環(huán)時(shí)間。通過一個(gè)以太網(wǎng)幀，可以交換高達(dá)1486字節(jié)的過程數(shù)據(jù)，幾乎相當(dāng)于12000個(gè)數(shù)字量I/O。而這一數(shù)據(jù)量的傳輸僅用300μs。與100個(gè)伺服軸的通訊只需100μs。在此期間，可以向所有軸提供設(shè)置值和控制數(shù)據(jù)，并報(bào)告它們的實(shí)際位置和狀態(tài)。分布式時(shí)鐘技術(shù)保證了這些軸之間的同步時(shí)間偏差小于1微秒。利用EtherCAT技術(shù)的優(yōu)異性能，可以實(shí)現(xiàn)用傳統(tǒng)現(xiàn)場總線系統(tǒng)所無法實(shí)現(xiàn)的控制方法。這樣，通過總線也可以形成超高速控制回路。以前需要本地專用硬件支持的功能現(xiàn)在可在軟件中加以映射。巨大的帶寬資源使?fàn)顟B(tài)數(shù)據(jù)與任何數(shù)據(jù)可并行傳輸。EtherCAT技術(shù)使得通訊技術(shù)與現(xiàn)代高性能的工業(yè)PC相匹配?？偩€系統(tǒng)不再是控制理念的瓶頸。
EtherCAT系統(tǒng)特點(diǎn)
EtherCAT技術(shù)的領(lǐng)先性
EtherCAT協(xié)議處理完全在硬件中進(jìn)行,協(xié)議ASIC可靈活組態(tài),使得工作效率大大提高。1000個(gè)分布式I/O數(shù)據(jù)的刷新周期僅為30μs，其中包括端子循環(huán)時(shí)間。與100個(gè)伺服軸的通訊只需100μs。在此期間，可以向所有軸提供設(shè)置值和控制數(shù)據(jù)，并報(bào)告它們的實(shí)際位置和狀態(tài)。利用EtherCAT技術(shù)的優(yōu)異性能，可以實(shí)現(xiàn)用傳統(tǒng)現(xiàn)場總線系統(tǒng)所無法實(shí)現(xiàn)的控制方法。
EtherCAT技術(shù)的開放性
EtherCAT（以太網(wǎng)控制自動(dòng)化技術(shù)）是一個(gè)以以太網(wǎng)為基礎(chǔ)的開放架構(gòu)的現(xiàn)場總線系統(tǒng)，符合IEC規(guī)范(IEC/PAS62407)，也是國家標(biāo)準(zhǔn)。
在市場上，有大量的EtherCAT主站與EtherCAT從站的設(shè)備與產(chǎn)品。
國內(nèi)外有很多專業(yè)的第三方公司做EtherCAT方面的技術(shù)咨詢與技術(shù)服務(wù)。
EtherCAT芯片方面，主流的fpga廠家altera，xilinx都支持EtherCAT主從方案。大的半導(dǎo)體廠家也都支持EtherCAT協(xié)議，例如TI，infineon，microchip等半導(dǎo)體廠商均支持EtherCAT從站芯片。當(dāng)然倍福公司也提供ET1100,ET1200等EtherCAT接口芯片。
ETG全球組織與ETG中國組織的推動(dòng)
ETG全球組織在全球有5個(gè)區(qū)域性組織，截至2018年就有5205個(gè)會(huì)員單位。
國產(chǎn)伺服驅(qū)動(dòng)器廠商以及步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器廠商，工業(yè)以太網(wǎng)通訊接口首選就是EtherCAT，國內(nèi)已有幾百家廠家支持EtherCAT伺服驅(qū)動(dòng)器以及EtherCATIO模塊。
結(jié)合到現(xiàn)場實(shí)際應(yīng)用EtherCAT總線的運(yùn)動(dòng)控制優(yōu)勢
a、節(jié)點(diǎn)與節(jié)點(diǎn)之間只要網(wǎng)線連接，系統(tǒng)電氣柜配線非常方便;
b、系統(tǒng)抗干擾能力強(qiáng)，網(wǎng)口就是隔離的，整個(gè)電氣系統(tǒng)的EMC特性好;
c、EtherCAT初始化完成就可以直接讀取所有軸的多圈絕對值編碼器位置;
d、SDO可以在線讀取與修改各軸的參數(shù)與增益，軸參數(shù)調(diào)試更方便；
e、通過選擇不同的PDO數(shù)據(jù)內(nèi)容，可以實(shí)現(xiàn)位置控制下轉(zhuǎn)矩限幅，轉(zhuǎn)矩控制下速度限制，CSP(周期位置)/CSV(周期速度)/CST(周期轉(zhuǎn)矩)可以自由切換;
f、方便上位機(jī)遠(yuǎn)程診斷與遠(yuǎn)程維護(hù)電氣系統(tǒng)，預(yù)測性維護(hù)也更方便。
沒有實(shí)際的運(yùn)動(dòng)控制器也能仿真與調(diào)試運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)
虛擬仿真與調(diào)試日漸成為工業(yè)自動(dòng)化行業(yè)的剛需，一是可以在設(shè)備未準(zhǔn)備就緒之前就把軟件基本調(diào)試完成，二是進(jìn)一步提高開發(fā)與調(diào)試的效率。
CANopen系統(tǒng)簡介
CANopen是建立在CAN數(shù)據(jù)鏈路層之上的一個(gè)開放的標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用層。CAN最初為汽車應(yīng)用領(lǐng)域而開發(fā)設(shè)計(jì)，到目前已經(jīng)被證明是堅(jiān)固、可靠、經(jīng)濟(jì)的通信網(wǎng)絡(luò)?？梢赃M(jìn)行主/從和點(diǎn)對點(diǎn)的通信，消息沖突不是毀滅性的。
從軸通過被鎖定時(shí)間標(biāo)記的分布式時(shí)鐘進(jìn)行同步。參數(shù)與實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)分別由SDOs與PDOs進(jìn)行處理，以達(dá)到最優(yōu)效率。對于一個(gè)完整的系統(tǒng)解決方案，可支持第三方的I/O與控制軟件。
網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渑c總線仲裁
CAN是一個(gè)使用簡單雙絞線連接的多點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)。最大速率可達(dá)1Mb/s、線長可達(dá)40米。網(wǎng)絡(luò)首尾兩端須接終端電阻，且端線應(yīng)盡量的短。一個(gè)CAN網(wǎng)絡(luò)最多可支持127個(gè)節(jié)點(diǎn)。
當(dāng)總線空閑時(shí)，任何一個(gè)節(jié)點(diǎn)都可以發(fā)送數(shù)據(jù)。消息幀以幀有效低起始位開始發(fā)送這消息的標(biāo)識符。越低的標(biāo)識符，它的優(yōu)先級越高。如果兩臺設(shè)備在同一時(shí)間向網(wǎng)絡(luò)發(fā)送數(shù)據(jù)，有高優(yōu)先級標(biāo)識符的設(shè)備將會(huì)強(qiáng)制性把總線電平拉低，而低優(yōu)先級的節(jié)點(diǎn)設(shè)備將識別到這個(gè)情況且將放棄使用總線。
CANopen與EtherCAT是國際上網(wǎng)絡(luò)運(yùn)動(dòng)控制的開放標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議。它們可以簡化連線、降低成本、增強(qiáng)診斷功能等。CANopen主要應(yīng)用于分布式控制系統(tǒng)，而EtherCAT可以應(yīng)用在集中式與分布式2種控制結(jié)構(gòu)中。每種網(wǎng)絡(luò)都有其自身的優(yōu)點(diǎn)。
集中式與分布式運(yùn)動(dòng)控制
系統(tǒng)任務(wù)的等級與分配如下圖所示。綠色表示控制器，藍(lán)色表示驅(qū)動(dòng)器。在集中式結(jié)構(gòu)中，除了電流環(huán)以外，所有的任務(wù)都由控制器完成。電流環(huán)應(yīng)該至少每100us更新一次，這會(huì)把很高的計(jì)算負(fù)擔(dān)放在控制器上，且必須使用高速數(shù)據(jù)通訊鏈路。
在分布式控制系統(tǒng)中，所有的伺服環(huán)都在驅(qū)動(dòng)器內(nèi)完成。在輪廓模式（下載運(yùn)動(dòng)參數(shù)并啟動(dòng)運(yùn)行）下，驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部也執(zhí)行路徑規(guī)劃。驅(qū)動(dòng)器無需增加附加的成本，而且能省去運(yùn)動(dòng)控制卡。由于位置環(huán)的刷新率遠(yuǎn)低于電流環(huán)，因此只需使用一個(gè)低速的網(wǎng)絡(luò)即可。
集中式
●更適合軸間高度耦合的情況如機(jī)器手
●更高效的實(shí)時(shí)伺服環(huán)調(diào)整
●要求更高帶寬網(wǎng)
分布式
●點(diǎn)到點(diǎn)及多數(shù)輪廓曲線的理想選擇
●低成本解決方案、最小化驅(qū)動(dòng)器尺寸
●只要求低帶寬網(wǎng)絡(luò)
●易擴(kuò)展、無增加控制器負(fù)擔(dān)
PVT路徑規(guī)劃
在分布式控制協(xié)同運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)中，EtherCAT和CANopen都使用PVT做路徑規(guī)劃：控制器生成一系列的點(diǎn)，來定義在指定的時(shí)間點(diǎn)上，每個(gè)軸的位置與速度值。PVT路徑規(guī)劃是定義運(yùn)動(dòng)軌跡的一種非常高效的方法。
一般來說，軌跡點(diǎn)每隔10ms被發(fā)送到驅(qū)動(dòng)器的緩沖區(qū)中。驅(qū)動(dòng)器實(shí)行三階插補(bǔ)來生成最優(yōu)的曲線。插補(bǔ)之后，每個(gè)驅(qū)動(dòng)器上的位置環(huán)以幾千赫茲的速率同步更新。
網(wǎng)絡(luò)的速度與效率
對運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)而言，效率、決定性與同步性遠(yuǎn)比速度重要。標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)的傳輸速度超過CANopen速度100倍，但主要被設(shè)計(jì)用于異步傳輸大數(shù)據(jù)文件。網(wǎng)絡(luò)上的消息沖突是毀滅性的，必須重新發(fā)送。CANopen主要被創(chuàng)建用于低成本傳送實(shí)時(shí)小數(shù)據(jù)包，對于分布式控制而言，完全可滿足其實(shí)時(shí)性要求。
EtherCAT給以太網(wǎng)帶來了同步性與決定性，相對于許多被實(shí)時(shí)修改過的標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)，EtherCAT顯然是有效的。對于分布式控制系統(tǒng)，它滿足刷新驅(qū)動(dòng)器電流環(huán)的速度的要求，且能靈活地傳輸PVT點(diǎn)。相對來說，價(jià)位也會(huì)更高一些。