基于EtherCAT的縫紉機控制系統從站設計

白瀟　石盟　吳鋒

【摘? 要】以太網控制自動化技術（EtherCAT）是基于以太網的現場總線系統，其以高實時響應、分布式控制、一網到底的系統架構優勢成為工業控制系統設計的發展趨勢。論文將EtherCAT技術引入現代縫紉設備的多軸控制，利用其優異的同步性、實時性，有效提升縫紉機多軸控制系統的性能，具有十分重要的意義。

【Abstract】Ethernet control automation technology （EtherCAT） is a fieldbus system based on ethernet. It has become the development trend of industrial control system design because of its advantages of system architecture， such as high real-time response， distributed control and one network to the bottom. The paper introduces the EtherCAT technology into the multi-axis control of modern sewing equipment， and uses its excellent synchronization and real-time performance to effectively improve the performance of the multi-axis control system of sewing machine， which is of great significance.

【關鍵詞】EtherCAT;從站控制;多軸伺服

【Keywords】EtherCAT; control of slave station; multi-axis servo

【中圖分類號】TP316? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?【文獻標志碼】A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?【文章編號】1673-1069（2020）12-0176-02

1 引言

將EtherCAT技術引入現代縫紉設備的多軸控制，發揮其優異的同步性、實時性優勢，可以有效提升縫紉機多軸控制系統的性能。本文給出了一種利用EtherCAT從站控制器（ESC）ET1100和STM32單片機設計的縫紉機控制系統EtherCAT從站方案。

2 實時工業以太網EtherCAT技術

2.1 EtherCAT技術原理

EtherCAT通信原理為主站發出下行報文，由緊挨主站的從站1進行解析處理，并依次發送給各個從站進行解析處理，直至到達最后一個從站n，報文攜帶反饋數據幀由從站n到從站1依次返回，由緊挨主站的從站1將上行報文發送給主站，即完成一個數據循環周期。整個過程中，報文只有幾納秒的時間延遲，發送和接收的數據幀壓縮了大量的設備數據，可用數據率達90%以上。

2.2 EtherCAT協議

EtherCAT使用幀類型為0x88A4的數據幀，以此進行傳輸，整個數據幀由目的地址、源地址和幀類型構成的以太網幀頭和EtherCAT數據頭及44～1498字節的數據區共同組成。數據區由一個或多個EtherCAT子報文組成，每個子報文對應獨立的設備或從站存儲區。EtherCAT如同普通以太網，完全遵循電氣和電子工程協會IEEE802.3以太網協議。

3 基于EtherCAT的縫紉機多軸控制系統總體設計

基于EtherCAT的縫紉機多軸控制系統中，系統采用一主多從的直連模式，控制系統主站和從站之間采用以太網線連接，通過EtherCAT總線協議進行通信。系統采用計算機作為EtherCAT主站，計算機上安裝具有DMA功能標準的以太網卡作為網絡接口，在計算機上采用倍福公司的Twincat軟件實現主站功能。主站向從站發送包含控制指令的EtherCAT數據幀，從站接收到數據幀后，對命令進行解析，驅動各電機及執行機構，完成縫紉、送料、剪線、抬壓腳等操作，同時，從站將運行信息和輸入采集信號發送回主站。

4 基于ET1100的從站硬件設計

縫紉機EtherCAT控制系統從站主要完成EtherCAT通信控制和設備驅動控制兩個任務，其中，設備驅動控制由微處理器實現，本系統中微處理器采用高性能32位單片機STM32F103，驅動電路根據不同的被控對象選擇成熟的驅動電路，如交流伺服電機驅動電路、步進電機驅動電路、電磁繼電器驅動電路等。EtherCAT通信控制由專門的EtherCAT從站控制器（ESC）來實現，ESC在數據鏈路層起重要作用，實現EtherCAT主站和從站的以太網通信，ESC通過I2C和外部EEPROM連接，EEPROM中存儲ESC基本配置信息。

4.1 從站芯片選取

本文提出的方案中從站的ESC選用ET1100，該芯片是一款高性價比EtherCAT從站控制器，它包含了兩個嵌入式的快速以太網物理層，使其能支持工業以太網應用，同時，提供了一個三通道PWM控制器或者一個步進式控制器，另外，還有一個額外的（ABZ）/Hall編碼器接口。ET1100有四個EtherCAT端口，32位數字量I/O口用于傳輸數據，64位分布式時鐘，8kB雙口內存用于存取數據，尺寸為10mm×10mm，適用于系統整體性能要求較高、結構復雜的設計。

4.2 從站硬件設計

本控制系統選取PC機作為系統主站，主站與從站之間通過EtherCAT總線進行通訊。整個系統采用鏈式拓撲結構，在主站上用Twincat軟件進行PLC、編程及實時監測，三個從站帶動各自的伺服設備進行工作。EtherCAT從站控制器ESC是由專門的硬件來實現的，主要負責數據鏈路層和物理層協議。ESC與主機設備之間的連接結構方式根據過程接口PDI的形式確定。

4.3 從站控制器選取

從站采用以STM32為核心的控制系統，主要包括并行數據傳輸接口電路、STM32核心片和USB轉串口的程序下載及調試電路三部分。

STM32具有緊密耦合的中斷控制器，這種寄存器對中斷事件的響應就更加及時，系統的實時性更好，同時，STM32具有適用于工業開發的低功耗特性。ST公司在開發STM32系列芯片時也開發了相應的固件函數庫，包括系統時鐘設置、端口讀寫功能等，易于系統開發，并具有靈活的外部存儲器讀寫機制FSMC功能，可對任意的外部存儲器進行讀寫，讀寫速度僅有時鐘的一半。

在STM32模塊中使用CP2102芯片進行程序的下載及調試，CP2102內置USB2.0全速功能控制器、USB收發器、晶體振蕩器、EEPROM及異步串行數據總線（UART），支持調制解調器全功能信號，無需任何外部的USB器件，且集成度高。CP2102內含USB收發器、時鐘電路、上電復位電路，無需外接電路器、SUSPEND引腳支持USB狀態掛起，支持的數據格式為數據位8、停止位1和2與校驗位。此款芯片復合項目總體設計要求較低，且功耗低、實用性強。

將ET1100存儲器部分映射到STM32的FSMC的第1個BANK的第1個內存區，由于采用的是STM32F103VE只有16位的數據線，需要數據線和地址線復用。在解析出報文之后，將相應的數據解析，發送到驅動部分，然后產生相應的PWM波和數字信號經過高速光耦，經過相應的芯片（PS21A79）處理，產生伺服電機的動力信號。同時，電機的編碼器數值經過定時捕捉，在CPLD中進行解算，傳到STM32中，構成閉環控制。

5 從站軟件設計

EtherCAT從站軟件實現與主站的通訊，以及電機的控制。EtherCAT從站軟件的設計分為應用層與數據鏈路層。

從站ESC用于實現數據鏈路層，完成數據的收發，以及錯誤的及時處理。應用層則由ESC與從站微處理器中所編寫的相應的驅動程序組成。從站使用微處理器操作ESC實現應用層，包括設備初始化、通訊狀態機初始化、周期性數據處理。

對于XML文件的配置，XML文件是設備配置文件，燒寫在EEPROM里面，ETll00上電后會從EEPROM里面加載配置參數，完成從站初始化過程。XML文件也用于主站掃描設備過程中，主站掃描設備時，會讀取EEPROM里面的描述信息，完成對從站的初始配置。

EtherCAT主站與從站控制器ESC之間通信數據交換方式有兩種：一種是周期性數據，另一種是非周期數據。周期性數據通信采用緩沖區方式，ESC開辟有三個緩沖區交替工作，實現周期性數據交換。非周期數據通信采用郵箱方式實現，郵箱數據通信是實現參數交換的標準方式。

在進行縫紉機多軸驅動控制時，主站和從站之間通過周期性數據傳輸方式進行通信。主站將指令數據寫入子報文中，發送給各從站。從站的ET1100接收到EtherCAT數據幀后，將子報文的指令數據存入緩沖區，并將緩沖區內已經存好的反饋數據插入子報文，向STM32發出中斷信號。STM32響應該中斷信號并讀取ET1100緩存區的指令數據，同時，將反饋數據寫入ET1100，完成與主站的信息交互。STM32根據所得到的指令數據經過控制程序計算，生成相應的脈沖信號發送到驅動電路，驅動主軸電機、框架電機、剪線電磁鐵運行。

6 結語

本從站控制系統設計了一種基于EtherCAT技術的模塊化工業縫紉機智能控制系統。主站與從站之間的連接關系采用雙絞線連接，拓撲結構與傳統互聯網相同，可以更加靈活地應用于實際生產中。

【參考文獻】

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【3】謝鍇，顏鋼鋒.基于EtherCAT的多軸運動控制系統設計[J].組合機床與自動化加工技術，2017（02）：68-72.

【基金項目】國家級大學生創新創業訓練計劃項目（項目編號：201911080008）。

【作者簡介】白瀟（1999-），女，陜西商洛人，本科在讀，從事電氣自動化研究。