解析基于EtherCAT的伺服系统DSP实现

引言

随着当前工业生产规模向着大型化方向发展，生产设备也向着系统化、规模化的方向发展，在这种情况下，基于工业以太网的运动控制系统在一些数控系统中得到了很广泛的应用，工业以太网通信具有传输速度快，通信数据量大等种种优点，对推动机电一体化设备的快速发展起到了很大的作用。随着网络通信技术的不断发展，目前，在一定程度上，网络伺服系统成为当前伺服系统发展的主要方向之一。在此情况下，德国BECKHOFF公司推出了Ether CAT现场总线技术，它具有配置简单，数据传输高速、高效等种种优点。而且，在网络结构上，几乎支持所有的拓扑类型，包括线型、树型、星型等，每个系统可以配置多达65535台设备，这种总线类型对于大规模的运动控制系统的设计具有很好的优势。特别是对于伺服系统的控制，更具有不可替代的优点。

Ether CAT总线式系统一般采用主从式结构，主站采用PC机，配置标准的以太网卡，从站采用专用芯片从主站中读取数据，并进行相应的分析。可以说，整个以太网现场总线的协议处理过程都是在硬件中完成的。所以，在Ether CAT控制系统中，从站的硬件及软件的设计是非常重要的。因此，本文对于基于Ether CAT总线中的从站伺服控制系统DSP设计，进行了一定的研究，利用DSP实现了基于Ether CAT的伺服控制系统。

1 系统总体架构

根据Ether CAT总线式系统的结构原理，在本系统中，主站采用具有DMA功能的网卡作为Ether CAT总线接口，而从站DSP系统选用瑞泰公司的刑S320F28335 DSP开发板，配合倍福公司的ET1100从站控制器，作为从站的Ether CA=r接口。连接方式利用SPI连接方式。系统的总体架构如图1所示。

对于该DSP系统，要解决的关键问题主要包含两个方面，一是DSP系统与ET1100控制器之间的连接，该连接利用SPI接口实现，另一个方面是DSP的 PEM脉冲控制接口与伺服电机驱动器之间的连接，并且，为保证控制的精度，要对电机编码器的反馈信号的连接进行相应的设计。

图1 基于Ether CAT的DSP系统总体架构图

2 基于Ether CAT的DSP通信实现

DSP系统与ET1100系统进行连接，用于实现DSP与Ether CAT总线之间的通信。SPI通信的特点是使用主从通信模式，使用该通信方式连接的两个控制器在通讯前，必须配置好主控制器和从控制器，在本系统中，从设备实际需要考虑，ET1100作为从设备，而利用DSP芯片作为该接口的主设备。

图2 ET1100与DSP间SPI主从连接示意图

该SPI连接方式中，主控制器DSP芯片通过SPICLK信号为整个从站系统提供串行时钟，该时钟决定整个网络的数据发送和接受的传输速率，发送时，将数据从高位到低位依次发送出来，并且，SPISTE引脚是SPI设备的使能引脚，当主设备DSP要发送数据到ET1100时，要将该信号置低，从而使从设备 ET1100使能，然后将数据从高位到低位依次发送出来，发送完成后，要将该引脚重新置高。而从设备ET1100则处于从工作模式，当它接收到主控制器发出的SPICLK信号的边缘时，如果要发送数据，则将数据写入移位寄存器，按照接收到的SPICLK时钟频率移位发送出去，如果要接受数据，则等待 SPICLK信号，并按照相同的时钟将数据发送出去，当使能信号SPISTE信号为高时，则禁止ET1100的移位串行寄存器，将串行通信口的引脚置于高阻状态，从而使该设备处于非使能状态。

在本系统中的Ether CAT数据总线上进行数据的传输时，定义了自己的数据结构，该数据结构主要包含主站控制量和从站状态的反馈，用于在主站和从站之间进行数据的传输。如表1所示：

表1 系统数据结构

系统通信数据结构中，首先是固定的报文头部分，然后是每个Ether CAT从站上的DSP运动控制指令数据和状态数据。其中每个数据部分由十个字节构成，包含两个字节的数据模块头部分，两个字节的控制字/状态字部分，用来区分该部分是状态数据还是指令数据，最后是六个字节的指令数据区或状态数据区。数据模块的结构如表2所示：

表2 数据模块结构

在以上数据模块结构中，每个数据模块头占用两个字节的空间，数据模块头中的内容包括运动控制卡的地址(4个位)，工作方式(3位)，握手位(1位)三个方面的信息。

3 基于DSP的伺服控制

利用DSP进行从站的伺服控制，主要从以下几个方面进行：

3.1硬件电路的设计

1)编码器反馈信号的处理。编码器作为反馈信号用来反馈电机的运动状态，一般来说，编码器是直接输入到伺服驱动器的编码器输入端子中的，而伺服驱动器提供三对差分信号反馈到控制端。这三对差分信号因为干扰问题，出现了很多的毛刺，直接输入时，可能对DSP系统造成很多的干扰，因此，在此利用三个差分电路将这三对差分信号转化成单路的信号的形式。从而使DSP系统得到电机的运转状态。其中A与B是两路的正交编码脉冲，而Z信号作为电机回零位时的精确定位，用一个低电平脉冲实现。

2)数字量输入输出接口。从系统的可扩展性等各个方面考虑，该系统在DSP系统上设计八路的数字量输入输出。对数字量输入输出进行光电隔离处理，并进行了数字滤波处理。该信号主要用于零点信号输入、限位信号输入、轴方向和脉冲信号的输出或者其他用户定义的控制端子，在很大程度上提高了系统的扩展性。

3)控制信号的输出。控制信号主要用来对驱动器进行控制，从而控制控制电机的转向和转速。电机的控制信号可以利用“脉冲+脉冲”方式，也可以利用“脉冲+ 方向”的方式，其中脉冲频率用来控制电机的转速，而方向则利用一个IO口实现，输出为高电平时，控制电机正转，当输出为低电平时，控制电机反转。而且，对该信号经过光电隔离和施密特触发器整形后输出。

3.2 DSP软件部分设计

DSP程序主要是由一个定时器构成的，DSP主程序启动，首先完成一些初始化工作，对系统的主要参数进行一定的配置，然后，进入等待状态，等待Ether CAT总线上的指令。当接收到控制指令时，进入中断控制程序，在中断程序中完成运动控制功能，并将电机的状态数据反馈到Ether CAT总线中，系统的主程序和中断程序如图3所示。

图3 DSP系统主程序和中断程序流程图