运动控制器在网络技术方面的应用 - 全文

日趋激烈的国际竞争，要求设备或机器制造商交付仪器时要拥有更大的吞吐率，同时要有更小的运行成本。不断增加的成本和环境意识的增强，也要求工程师的设计具有更小的能源消耗。正因为如此，设备制造商不再设计仅仅针对单一目标的设备，而是通过采用现代控制系统和逻辑算法，在机械结构中融入高端电子和通信技术，着力创造更灵活有效的多用途设备。
 

图1. 使用机械零件的传统应用

图2. 如今的方法使用多个同步轴

在一个典型系统中，运动控制器负担着日益复杂的要求。通过处理多轴同步，这些控制器可以提供齿轮和凸轮功能，以及诸如限位开关、驱动器使能和急停等安全功能。除此之外，该运动控制器还需要提供传统的功能并以最佳的性能和效率运行控制算法。

1. 运动控制技术趋势

传统的运动控制应用使用一个专门的独立运动控制器来处理更大的控制复杂性。当代自动控制器性能的提升，如可编程的自动化控制器或可编程的逻辑控制器，推动了将运动控制器的功能直接整合到自动化控制器这样一种趋势，并将其视作一个优先级高于其它自动化任务的方式来运行。

20世纪80年代初以来，自动化系统是基于数字总线来执行诸如传输过程数据和执行工业通信任务的。相对于模拟总线，它们更可靠，功能更强大，特别是对于远距离通信来说更是如此。此外，数字网络简化了布线，因为它们允许以串行方式连接多个单元，而不是单独连接每个元素。这样的系统在布线方面更加便宜，更容易维护。

出于对性能的需要，许多年来运动控制行业都采用另一个方法，即通过模拟总线或专用运动控制总线来连接驱动器。这个额外的通信策略提高了整个系统的复杂性。随着数字驱动器的趋势日趋明显和高性能数字总线的出现，现在可以在运动控制和数据处理当中使用同一个总线，来简化系统架构。同时，通过EtherCAT, CANopen, PROFIBUS, Ethernet POWERLINK, 或 SERCOS等数字总线，可以获得显著的性能提升。

特别是在执行分布式多轴运动控制的应用中，数字总线有很大的优势。它们可以提供更高的灵活性，并允许使用分布到驱动器层次的处理能力和决策能力来开发系统。使用同一个标准，用户就可以简单地将不同的供应商的系统整合起来，为他们的特定应用选择最佳的方案。

通过使用经由数字总线进行通信的数字驱动器，供应商和制造商不仅可以使用交换控制相关的数据，而且可以传输状态信息或安装参数来创建驱动器。自动化用户所关心的一个主要问题就是，对于通用的自动化应用和特定的运动控制应用来说，哪个才是正确的协议。

最常见的基于以太网的协议：

EtherCAT

SERCOS II/III

CANopen

Modbus IDA

PROFINET

PROFIBUS

EtherNet/IP

Ethernet POWERLINK

由于存在很多不同的总线标准和协议，客户需要确保他们想使用的零部件可以提供正确的接口。这意味着制造商常常不得不为自己的零部件开发几个不同的版本。这增加了开发成本，而且要同时满足多个标准化组织的要求。National Instruments等公司努力提供开放式的系统，与各种总线标准和协议进行交互。

在对所有主要工业协议提供支持，并对所有标准工业网络提供互联的同时，National Instruments选择EtherCAT作为针对运动控制应用的主要通信协议。

2. 针对运动控制应用的EtherCAT技术

EtherCAT（以太网控制自动化技术）是一种高性能、用于确定性以太网的工业通信协议。它使用可预测的时序和精确的同步数据扩展了IEEE 802.3以太网标准传输协议。在EtherCAT技术组的管理下，这个开放性标准已作为IEC 61158的一部分被公布，并通常用在诸如机械设计与运动控制等应用中。

EtherCAT通过标准的以太网连接实现主/从架构。National Instruments的EtherCAT主控器包括双以太网端口实时控制器，如NI CompactRIO，PXI和工业控制器等。每个NI从设备也包含两个端口，允许从主控制器以菊花链的方式进行连接。

EtherCAT协议在标准的以太网帧内直接传输数据，而不改变其基本结构。当主控制器和从设备在同一子网时，EtherCAT协议只是替代了以太网帧中的Internet协议（IP）。

图3. 使用EtherCAT的以太网帧结构

数据在主控设备和从设备之间以过程数据对象(PDO)的形式进行通信。每个PDO有针对一个或多个从设备的特定地址，这个“数据和地址”的组合（加上用于验证的工作计数器）作出了一个EtherCAT电报。一个以太网帧可以包含多个电报，而一个控制周期可能需要多个帧来可容纳所有必要的电报。

高速性能
EtherCAT是专为单点应用实现高性能、高通道数应用而设计的，例如控制应用。由于从设备的读写可以发生在同一个帧内，对EtherCAT电报结构进行优化后，可以实现分散的I / O。此外，完整的协议处理通常发生在硬件上，因而与协议栈运行时、CPU性能或软件执行都无关。

定时和同步
在实现确定性网络时的另一个因素便是主控制器需要负责使用分布式时钟、用同一个时间同步多个从设备。在所有从设备当中，必须有一个包含主时钟，以同步其它从器件的时钟。在NI的方案中，第一个从设备被指定至主时钟，主控制器在每一个扫描周期中发送一个特殊的同步电报，以读取主时钟。然后这个电报更新和重新调整所有其它从设备的时钟，以防止漂移。

精确的同步对于在大范围上分布、并需要同步动作的过程来说非常重要，如在多个运动轴之间协调运动。NI使用时间戳来衡量离开帧和返回帧之间的时间差。通过这种方式，在节点之间计算传播延迟，可以对分布式时钟进行精确调整以实现精确的同步(小于1微秒)。

由于高速性能，及其严格的定时和同步功能，EtherCAT对于一个网络或分布式运动控制应用来说是一个理想的解决方案。其中，一个强大的实时控制器作为在EtherCAT的主控器，并运行运动控制应用程序，与外部的分布式EtherCAT从驱动器进行通信。

National Instruments EtherCAT伺服电机驱动器
NI EtherCAT的伺服驱动器性能强大，同时拥有灵活性相、可扩展性、和功率范围，使用图形化编程的NI LabVIEW与LabVIEW NI SoftMotion模块，可以满足几乎任何应用独特的性能要求，从基本的扭矩和速度的应用 – 到多轴运动控制。

标准的以太网电缆，大大简化了高达128轴的菊花链的布线和能力。一个高性能实时控制器允许在几分钟内安装一个分布式运动控制系统。使用LabVIEW项目配置和验证的运动控制系统，简化了安装和图形化编程的过程。使用高层次的运动函数或属性调用节点的API，用户可以实现通过简单易用的图形化编程定制运动控制应用。

图4. 通过LabVIEW项目实现轴的图形

NI实时控制器，AKD EtherCAT伺服驱动器，NI LabVIEW, 和 LabVIEW NI SoftMotion 模块使EtherCAT技术简单易用，可以实现网络式或分布式运动控制应用。