基于EtherCAT的缝纫机控制系统从站设计

白潇　石盟　吴锋

【摘  要】以太网控制自动化技术（EtherCAT）是基于以太网的现场总线系统，其以高实时响应、分布式控制、一网到底的系统架构优势成为工业控制系统设计的发展趋势。论文将EtherCAT技术引入现代缝纫设备的多轴控制，利用其优异的同步性、实时性，有效提升缝纫机多轴控制系统的性能，具有十分重要的意义。

【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.

【关键词】EtherCAT;从站控制;多轴伺服

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

【中图分类号】TP316                               【文献标志码】A                                   【文章编号】1673-1069（2020）12-0176-02

1 引言

将EtherCAT技术引入现代缝纫设备的多轴控制，发挥其优异的同步性、实时性优势，可以有效提升缝纫机多轴控制系统的性能。本文给出了一种利用EtherCAT从站控制器（ESC）ET1100和STM32单片机设计的缝纫机控制系统EtherCAT从站方案。

2 实时工业以太网EtherCAT技术

2.1 EtherCAT技术原理

EtherCAT通信原理为主站发出下行报文，由紧挨主站的从站1进行解析处理，并依次发送给各个从站进行解析处理，直至到达最后一个从站n，报文携带反馈数据帧由从站n到从站1依次返回，由紧挨主站的从站1将上行报文发送给主站，即完成一个数据循环周期。整个过程中，报文只有几纳秒的时间延迟，发送和接收的数据帧压缩了大量的设备数据，可用数据率达90%以上。

2.2 EtherCAT协议

EtherCAT使用帧类型为0x88A4的数据帧，以此进行传输，整个数据帧由目的地址、源地址和帧类型构成的以太网帧头和EtherCAT数据头及44～1498字节的数据区共同组成。数据区由一个或多个EtherCAT子报文组成，每个子报文对应独立的设备或从站存储区。EtherCAT如同普通以太网，完全遵循电气和电子工程协会IEEE802.3以太网协议。

3 基于EtherCAT的缝纫机多轴控制系统总体设计

基于EtherCAT的缝纫机多轴控制系统中，系统采用一主多从的直连模式，控制系统主站和从站之间采用以太网线连接，通过EtherCAT总线协议进行通信。系统采用计算机作为EtherCAT主站，计算机上安装具有DMA功能标准的以太网卡作为网络接口，在计算机上采用倍福公司的Twincat软件实现主站功能。主站向从站发送包含控制指令的EtherCAT数据帧，从站接收到数据帧后，对命令进行解析，驱动各电机及执行机构，完成缝纫、送料、剪线、抬压脚等操作，同時，从站将运行信息和输入采集信号发送回主站。

4 基于ET1100的从站硬件设计

缝纫机EtherCAT控制系统从站主要完成EtherCAT通信控制和设备驱动控制两个任务，其中，设备驱动控制由微处理器实现，本系统中微处理器采用高性能32位单片机STM32F103，驱动电路根据不同的被控对象选择成熟的驱动电路，如交流伺服电机驱动电路、步进电机驱动电路、电磁继电器驱动电路等。EtherCAT通信控制由专门的EtherCAT从站控制器（ESC）来实现，ESC在数据链路层起重要作用，实现EtherCAT主站和从站的以太网通信，ESC通过I2C和外部EEPROM连接，EEPROM中存储ESC基本配置信息。

4.1 从站芯片选取

本文提出的方案中从站的ESC选用ET1100，该芯片是一款高性价比EtherCAT从站控制器，它包含了两个嵌入式的快速以太网物理层，使其能支持工业以太网应用，同时，提供了一个三通道PWM控制器或者一个步进式控制器，另外，还有一个额外的（ABZ）/Hall编码器接口。ET1100有四个EtherCAT端口，32位数字量I/O口用于传输数据，64位分布式时钟，8kB双口内存用于存取数据，尺寸为10mm×10mm，适用于系统整体性能要求较高、结构复杂的设计。

4.2 从站硬件设计

本控制系统选取PC机作为系统主站，主站与从站之间通过EtherCAT总线进行通讯。整个系统采用链式拓扑结构，在主站上用Twincat软件进行PLC、编程及实时监测，三个从站带动各自的伺服设备进行工作。EtherCAT从站控制器ESC是由专门的硬件来实现的，主要负责数据链路层和物理层协议。ESC与主机设备之间的连接结构方式根据过程接口PDI的形式确定。

4.3 从站控制器选取

从站采用以STM32为核心的控制系统，主要包括并行数据传输接口电路、STM32核心片和USB转串口的程序下载及调试电路三部分。

STM32具有紧密耦合的中断控制器，这种寄存器对中断事件的响应就更加及时，系统的实时性更好，同时，STM32具有适用于工业开发的低功耗特性。ST公司在开发STM32系列芯片时也开发了相应的固件函数库，包括系统时钟设置、端口读写功能等，易于系统开发，并具有灵活的外部存储器读写机制FSMC功能，可对任意的外部存储器进行读写，读写速度仅有时钟的一半。

在STM32模块中使用CP2102芯片进行程序的下载及调试，CP2102内置USB2.0全速功能控制器、USB收发器、晶体振荡器、EEPROM及异步串行数据总线（UART），支持调制解调器全功能信号，无需任何外部的USB器件，且集成度高。CP2102内含USB收发器、时钟电路、上电复位电路，无需外接电路器、SUSPEND引脚支持USB状态挂起，支持的数据格式为数据位8、停止位1和2与校验位。此款芯片复合项目总体设计要求较低，且功耗低、实用性强。

将ET1100存储器部分映射到STM32的FSMC的第1个BANK的第1个内存区，由于采用的是STM32F103VE只有16位的数据线，需要数据线和地址线复用。在解析出报文之后，将相应的数据解析，发送到驱动部分，然后产生相应的PWM波和数字信号经过高速光耦，经过相应的芯片（PS21A79）处理，产生伺服电机的动力信号。同时，电机的编码器数值经过定时捕捉，在CPLD中进行解算，传到STM32中，构成闭环控制。

5 从站软件设计

EtherCAT从站软件实现与主站的通讯，以及电机的控制。EtherCAT从站软件的设计分为应用层与数据链路层。

从站ESC用于实现数据链路层，完成数据的收发，以及错误的及时处理。应用层则由ESC与从站微处理器中所编写的相应的驱动程序组成。从站使用微处理器操作ESC实现应用层，包括设备初始化、通讯状态机初始化、周期性数据处理。

对于XML文件的配置，XML文件是设备配置文件，烧写在EEPROM里面，ETll00上电后会从EEPROM里面加载配置参数，完成从站初始化过程。XML文件也用于主站扫描设备过程中，主站扫描设备时，会读取EEPROM里面的描述信息，完成对从站的初始配置。

EtherCAT主站与从站控制器ESC之间通信数据交换方式有两种：一种是周期性数据，另一种是非周期数据。周期性数据通信采用缓冲区方式，ESC开辟有三个缓冲区交替工作，实现周期性数据交换。非周期数据通信采用邮箱方式实现，邮箱数据通信是实现参数交换的标准方式。

在进行缝纫机多轴驱动控制时，主站和从站之间通过周期性数据传输方式进行通信。主站将指令数据写入子报文中，发送给各从站。从站的ET1100接收到EtherCAT数据帧后，将子报文的指令数据存入缓冲区，并将缓冲区内已经存好的反馈数据插入子报文，向STM32发出中断信号。STM32响应该中断信号并读取ET1100缓存区的指令数据，同时，将反馈数据写入ET1100，完成与主站的信息交互。STM32根据所得到的指令数据经过控制程序计算，生成相应的脉冲信号发送到驱动电路，驱動主轴电机、框架电机、剪线电磁铁运行。

6 结语

本从站控制系统设计了一种基于EtherCAT技术的模块化工业缝纫机智能控制系统。主站与从站之间的连接关系采用双绞线连接，拓扑结构与传统互联网相同，可以更加灵活地应用于实际生产中。

【参考文献】

【1】李木国，尹永洁，刘于之，等.基于PCIe总线接口的EtherCAT从站网卡设计[J].计算机测量与控制，2015，23（03）：921-923.

【2】史殿坤.基于STM32的工业以太网EtherCAT从站的设计和实现[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2013.

【3】谢锴，颜钢锋.基于EtherCAT的多轴运动控制系统设计[J].组合机床与自动化加工技术，2017（02）：68-72.

【基金项目】国家级大学生创新创业训练计划项目（项目编号：201911080008）。

【作者简介】白潇（1999-），女，陕西商洛人，本科在读，从事电气自动化研究。