基于EtherCAT網絡的伺服造波控制系統

聶俊杰, 徐東亮，王龍飛，陳宗雨

(1.武漢理工大學 機電工程學院，武漢　430070；2.武漢菲仕運動控制系統有限公司，武漢　430223)

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基于EtherCAT網絡的伺服造波控制系統

聶俊杰1, 徐東亮1，王龍飛2，陳宗雨2

(1.武漢理工大學 機電工程學院，武漢430070；2.武漢菲仕運動控制系統有限公司，武漢430223)

摘要：介紹了TwinCAT和EtherCAT的基本特性。闡述了構建EtherCAT網絡伺服造波控制系統的硬件結構和軟件流程。該系統采用安裝德國 Beckhoff公司的TwinCAT軟件的工控機作為主站、基于倫茨EtherCAT的數字伺服驅動器I700作從站、菲仕同步交流伺服電機U725.20.3作執行機構。對 EtherCAT 的主從站進行了一系列的配置，編寫 TwinCAT PLC 程序，結合驅動器的 PID 算法，實現了造波板的高精度同步。

關鍵詞：造波；運動控制 ；EtherCAT；TwinCAT；電子凸輪

0引言

在實驗室中運用造波機精確模擬海上波浪，完成各種實驗，為科學研究和工程設計提供理論支持，是相關人士一直關心的課題[1]。造波機的基本工作原理是通過造波板的機械運動對水體施加振動產生波浪。

隨著計算機技術，伺服控制技術以及現場總線技術的發展，基于現場總線的伺服控制技術已然是一種趨勢。目前國際上存在40多種現場總線，而以太網具有速度快，傳輸數據量大的優點，因此，將以太網技術引入造波機領域，能夠較大程度上改善造波機的性能。在國內，大連理工大學將以太網技術引入造波系統，構建了一個三層網絡結構的多向不規則造波系統，并獲得了成功。但是該系統需要在現場安裝5臺計算機，操作和維護極為不便[2]。因為Ethernet/IP技術存在一定的問題，它不能保證數據的實時性。而EtherCAT實時以太網技術能夠滿足工業現場的實時性要求。

為了提高造波系統的數據實時性，保證各個造波板之間的同步。本系統由兩臺上位工控機和80臺雙驅伺服驅動器構建了一個局域網，運用實時以太網EtherCAT實現工控機和驅動器之間的數據交互，通過控制推波板有規律的前后運動來實現各種波浪的模擬。

1TwinCAT和EtherCAT網絡

TwinCAT 是Beckhoff公司的自動控制軟件包。它能夠在Windows NT/2000/XP/7，還有嵌入式Windows NT/XP 和 CE.NET的硬實時環境下實現。具有使用方便，界面友善，編程簡單的優點?？梢哉{節系統周期時基，最小50μs[3]。它具有強大的NC配置功能，只需一臺工控機就可以控制255根軸。內置多速度控制，相位同步控制，電子凸輪控制，定位控制，多軸套準控制，降低編程難度和編程時間。強大TwinCAT NC 凸輪功能(凸輪表耦合) 庫，支持多種凸輪表在線修改模式。具有強大的虛軸功能，能夠輕松實現運動的模擬，只需要簡單的配置就能夠將工控機和伺服驅動器連接起來，縮短現場調試時間?；赥CP/IP的TwinCAT ADS通訊協議，能夠簡單實現TwinCAT與第三方應用程序之間的數據通訊，具有很高的兼容性，為開發者提供更多選擇。

EtherCAT由德國Beckoff公司在2003年提出，并成為國際標準。EtherCAT是目前國際上領先的現場總線技術。支持多種設備連接的拓撲結構，EtherCAT中分布式時鐘的運用，使得各從站節點設備可以達到小于1μs的時鐘同步精度。其從站由專門的硬件實現，通信控制通過實時通道內的實時MAC接管，從而在本質上消除了報文沖突，通信數據的處理過程也得到了大大簡化。通過修改以太網協議層，來保證其實時性。它已成為最流行的現場總線技術之一[4,7]。

2控制系統總體設計

2.1造波理論及對控制的要求

目前，波浪的數值生成技術大體上可以分為 3 類：一是基于求解粘性不可壓縮流體NS 方程的粘性數值造波方法，二是在理想流體假設下，基于勢流理論求解拉普拉斯方程的邊界元方法，三是既可應用于粘性流體又可應用于理想流體的源函數造波方法。在工程實際中，理想流體是不存在的，因此第二種方法用的最為普遍[8]。造波要求造波機系統的造波精度高，重復性良好、穩定性高以及抗擾動能力強[9]。

2.2硬件組成

系統框圖如圖1所示。本系統由兩臺工控機，一個時鐘模塊，80個雙軸驅動器，160個同步交流伺服電機組成。其中工控機選擇倍福工控機，運行普通Windows 7操作系統，然后在這個操作系統下安裝Beckoff 的TwinCAT軟件。理論上一臺工控機可以帶255根軸，但由于造波對軸同步性要求特別高，咨詢Beckoff的相關工程師后得知，在保證軸的同步性比較高的情況下，他們用一臺工控機最多可以帶120根軸左右(在優化程序的情況下)。因此在設計本控制系統時，選用了兩臺工控機。但是這樣就會有一個新的問題，兩臺工控機之間如何保證時鐘同步。為解決這個問題，Beckoff提供了時鐘模塊EL6692。單個TwinCAT系統中通過分布式時鐘系統始終保持實時性同步。所有的 EtherCAT 設備自身都配備了本地時鐘，在TwinCAT系統上電通訊后的納秒級自動連續地與其它所有時鐘保持同步，并且在同步后系統開始工作。兩個TwinCAT系統中，各主站系統對各系統時鐘進行數據交換，并且進行差值計算。 EL6692作為兩個EtherCAT系統之間的一個交叉點，用作同步系統中的參考時鐘，使兩個系統達到同步運行。雙軸驅動器選擇德國LENZE公司的i700伺服驅動器。同步交流伺服電機選擇意大利菲仕公司的U725.20.3電機。

圖1　控制系統框圖

2.3軟件設計

控制軟件是基于Windows 7系統，采用TwinCAT開發的。軟件流程圖如圖2所示。首先進行系統配置，配置完成后，根據數值造波的方法，生成造波序列，用TXT文檔格式存儲。選擇這個文檔，載入凸輪表。載入成功后，選擇是否開始造波，如果選擇是，則開始造波，運行TwinCAT Scope View 進行相關配置后開始采樣。選擇是否停止造波，如果選擇是，則對采樣數據進行處理和分析。

圖2　軟件流程圖

看是否滿足要求，如果不滿足要求，調節驅動器內部PID參數，再開始造波，循環這個過程，直到滿足要求。

伺服驅動器內部一般包含位置環，速度環，電流環，經過分析，造波主要是要求軸位置同步，因此伺服驅動器均選擇位置模式。對采樣數據進行處理和分析后，如果不滿足要求，只需要調整位置環的PID參數，直到滿足要求。調節PID參數主要通過伺服驅動器廠家提供的參數調整軟件進行調整。

3控制系統難點及解決方案

在造波控制系統中，較為復雜的問題是實時數據的生成和傳輸以及 160根運動軸的嚴格同步運動。在本系統中，根據數值造波原理產生波列數據，并將它以.txt文本格式存在計算機中。在TwinCAT PLC中從這個文件裝載數據。為解決TwinCAT與伺服驅動器之間快速、大量的數據交換 , 本系統采用了實時以太網EtherCAT。

軸的同步運動分為2種情況，一種是在同一個工控機內部的80根軸之間的同步運動，另一個是2個工控機之間的同步問題[10]。在本系統中為解決2個工控機之間的同步，本系統選用了倍福的時鐘模塊EL6692。為解決同一個工控機內部的80根軸之間的同步問題，本系統借助倍福的電子凸輪模塊，同時借助了虛擬軸的概念來實現。做試驗后發現，倍福的電子凸輪模塊最多能耦合50根軸，本系統借助了倍福的位置外部設定值發生器來解決，解決方法如圖3所示。

圖3　突破電子凸輪軸限制方法

4實驗

本研究以兩軸為實驗對象，利用示波器軟件TwinCAT Scope View對造波機運行過程中(ITTC譜)兩伺服軸的位移，速度進行采集。實際位移曲線如圖4所示、實際速度曲線如圖5所示。兩伺服軸的位置誤差如圖6所示，速度誤差如圖7所示。實驗結果表明兩伺服軸的位置誤差大約為10μs，速度誤差大約為40μs，完全能夠滿足造波的同步性要求。

圖4　兩伺服軸位移曲線

圖5　兩伺服軸速度曲線

圖6　兩伺服軸位移誤差(大約為10μs)

圖7　兩伺服軸速度誤差(大約為40μs)

5結束語

本控制系統基于PC，軟件資源豐富，數據處理能力強大。通過對造波機控制系統的開發，將TwinCAT和EtherCAT網絡引入造波機領域，不僅提高了造波機的各項性能，大大減小了同步誤差，還簡化了布線，提高了系統的可靠性，簡化了操作，維護方便。并通過試驗證明了該方案的可行性。

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[10] 張鵬,魏仁哲. 基于TRIO運動控制器的144軸運動控制系統[J]. 控制工程,2009(S2):21-23.

(編輯趙蓉)

Servo Making Wave Control System Based on EtherCAT

NIE Jun-jie1, XU Dong-liang1, WANG Long-fei2, CHEN Zong-yu2

(1.School of Mechanical and Electronic Engineering, Wuhan University of Technology, Wuhan 430070, China；2.Phase Motion Control Solution Wuhan Co.,LTD, Wuhan 430223,China)

Abstract：Introduces the basic characteristics of TwinCAT and EtherCAT. And describes the hardware structure and software of the system. Using Beckoff company's TwinCAT software as soft master device, Lenze EtherCAT-based digital servo drive I700 as slave device, Phase synchronous AC servo motor U725.20.3 as actuator, formed the system. The EtherCAT master and slave station conducted a series of configuration, and write TwinCAT PLC program, and combined with PID algorithm of the drive, the wave-maker boards have a high-precision synchronization.

Key words：making wave; motion control; EtherCAT; TwinCAT; electronic cam

文章編號：1001-2265(2016)05-0091-03

DOI:10.13462/j.cnki.mmtamt.2016.05.024

收稿日期：2015-06-26

作者簡介：聶俊杰(1991—)，男，湖北潛江人，武漢理工大學碩士研究生，研究方向為先進制造裝備與工藝，(E-mail)1210776014@qq.com。

中圖分類號：TH166;TG659

文獻標識碼：A