【技術(shù)分享】為何EtherCAT在運動控制總線中如此受歡迎？

??什么是EtherCAT

EtherCAT(以太網(wǎng)控制自動化技術(shù))是一個以以太網(wǎng)為基礎(chǔ)的開放架構(gòu)的現(xiàn)場總線系統(tǒng)，最初由德國倍福研發(fā)。EtherCAT為系統(tǒng)的實時性能和拓撲的靈活性樹立了新的標準，是一種開放性的協(xié)議，開放標準由現(xiàn)在的EtherCAT技術(shù)組(ETG)管理。

為什么選擇EtherCAT

RS232、RS485都屬于ISO七層結(jié)構(gòu)中的物理層，實現(xiàn)完整的通訊，需要加入數(shù)據(jù)鏈路層和應(yīng)用層。RS232、RS485一般需要使用串口作為鏈路層對物理層進行指揮。RS485應(yīng)用層協(xié)議通常使用MODBUS，CANOPEN也是應(yīng)用層協(xié)議。CANOPEN和EtherCAT通常分別結(jié)合can、ethernet實現(xiàn)鏈路層和物理層，EtherCAT在ISO模型設(shè)計上也僅使用應(yīng)用層、數(shù)據(jù)鏈路層、物理層。

EtherCAT的物理層層中使用光信號進行傳輸，傳輸速率達100Mbit/s(100 base-Tx)，且為全雙工傳輸，相比于上述總線均為電氣傳輸。RS232抗干擾能力差，RS485半雙工，can一幀只能傳輸8個字節(jié)，而以太網(wǎng)傳輸一幀可以高達1514字節(jié)。以太網(wǎng)使用光纖為傳輸媒介，線束簡潔，同時抗干擾能力更強，傳輸距離更遠。

2.2 拓撲靈活

EtherCAT符合以太網(wǎng)標準，支持多種拓撲結(jié)構(gòu)：線型、星型、樹型，以一種“邏輯閉環(huán)“的方式傳播，靈活性更強。主站實現(xiàn)只需要一張普通網(wǎng)卡，不需要交換機與路由器的參與，解決傳統(tǒng)以太網(wǎng)的交換機延時、堆棧延時、帶寬利用率等問題。

在多軸運動控制中，時鐘同步的精準性能對數(shù)據(jù)傳輸產(chǎn)生直接影響，可能會導(dǎo)致丟幀，運動不協(xié)調(diào)，從而無法控制對各軸設(shè)備的同步執(zhí)行。EtherCAT支持DC分布式時鐘，且基于硬件的產(chǎn)生的時鐘進行校準和補償，大大減小了系統(tǒng)的抖動時間。

圖4 以太網(wǎng)幀格式圖

圖5狀態(tài)機轉(zhuǎn)換關(guān)系圖

表2Ethercat狀態(tài)機含義表

• 廣播尋址
  將數(shù)據(jù)廣播到各個從站設(shè)備。

• 自增尋址
  根據(jù)設(shè)備連接的順序進行編號，從0開始，每經(jīng)過一個從站數(shù)值-1，以此遞推。

• 設(shè)置尋址
  相當于給每一個從站分配地址，主站通過從站地址找到對應(yīng)的從站進行通信。

• 邏輯尋址
  主站配備4G的數(shù)據(jù)邏輯地址空間，F(xiàn)MMU將數(shù)據(jù)邏輯地址和從站中的物理地址進行映射，主站在幀中只需攜帶某個邏輯地址，即可尋址到任意從站中的任意數(shù)據(jù)，是一種更加靈活的尋址方式。

3. 數(shù)據(jù)傳輸

3.1 同步管理器SM

4.1 描述文件

信息描述文件主要有emi、esi、eni文件。emi為主站信息描述文件；esi則是從站描述文件，包含廠商信息、設(shè)備信息描述、SM描述、對象字典、配置數(shù)據(jù)等內(nèi)容組成；eni是EtherCAT網(wǎng)絡(luò)信息配置文件，描述從站數(shù)量，SM與DC配置信息等，結(jié)合esi描述文件，借助配置軟件進行配置生成，完成EtherCAT網(wǎng)絡(luò)運行時對主站和從站設(shè)備進行初始化操作。

4.2 配置軟件

• 瀏覽設(shè)備信息
  顯示主站和從站的設(shè)備信息，如制造商信息，網(wǎng)絡(luò)配置信息等內(nèi)容。

• 瀏覽拓撲結(jié)構(gòu)
  配置軟件顯示主站和從站的連接拓撲圖。

• FMUU/SM與DC配置
  FMMU、SM、PDO相關(guān)的信息與配置，DC分布時鐘的操作模式選擇。

• 瀏覽輸入與輸出變量
  顯示PDO數(shù)據(jù)的輸入與輸出數(shù)據(jù)信息，如通道、名稱、類型、位長等信息。

• 郵箱功能
  支持選擇配置郵箱輪詢與讀取對象字典的方式，顯示相關(guān)的COE對象字典列表。

• 內(nèi)存信息
  瀏覽內(nèi)存偏移信息與eeprom的參數(shù)信息等內(nèi)容。

• 集成幫助文檔
  瀏覽幫助文檔，查閱更多的功能介紹與demo示例，幫助使用與開發(fā)。

圖6EtherCAT配置軟件主界面圖

圖7ZMC600EEtherCAT主站控制器

1. 產(chǎn)品介紹

ZMC600E(點擊了解詳情)是ZLG致遠電子開發(fā)的最新一代智能總線型運動控制器，是面向工廠智能化時代的機器控制器。其采用工業(yè)領(lǐng)域內(nèi)先進的嵌入式 ARM 方案，集實時操作系統(tǒng)、智能算法于一身，配套工業(yè)圖形化編程軟件開發(fā)環(huán)境。

ZMC600E采用TI的雙核64位Arm-Corte-A53，四核Cortex-R5F的AM6442應(yīng)用處理器為核心，主頻1GHz，內(nèi)置1GB DDR4、4GB eMMC以及32KB FRAM，預(yù)留有多路以太網(wǎng)、CAN、IO、USB等硬件接口。同時ZMC600E支持點位運動、連續(xù)軌跡、直線圓弧插補、連續(xù)插補、螺旋線等運動功能，可以自由設(shè)定運行速度、停止速度、加、減速時間可以獨立設(shè)置，S型曲線平滑等參數(shù)，支持在線改變速度和在線改變位置，用戶可以輕松構(gòu)智能化控制系統(tǒng)，快速實現(xiàn)和部署現(xiàn)場各種工藝的應(yīng)用。

• ZMC600E集成了商業(yè)授權(quán)的EtherCAT主站解決方案；

• Cortex-R5F協(xié)處理器獨立處理EtherCAT數(shù)據(jù)收發(fā)，實時性更強；

• 精準分布式式時鐘，振動<1μs；

• 最多支持128個從站節(jié)點，節(jié)點間距最大100m；

• 支持CoE對象讀取寫，SoE IDN讀寫；

• 循環(huán)周期最小達125μs，支持線形、樹形、星型拓撲結(jié)構(gòu)。